建筑钢材防腐方式探讨

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本文作者：杨卫忠、樊濬、董广萍 单位：郑州大学土木工程学院、河南省勘察设计注册工程师管理委员会、河南省科学技术信息研究院

钢结构腐蚀是一个复杂的化学物理过程，它不仅仅表现为材料的锈蚀，更重要的是使建筑结构的可靠度降低，从而影响建筑的安全和使用。腐蚀对钢结构建筑的影响主要有以下3个方面，首先，钢结构发生腐蚀后，在构件的表面会产生许多很细微的损伤，更为不利的是这些损伤会随时间连续不断地而发展，因而也就减小了构件的截面面积，直接导致建筑的结构性能和承载能力降低；其次，腐蚀造成了钢材的大量损耗。根据有关方面的统计，美国由于钢材腐蚀而产生的损失每年就达3千亿美元，而中国每年钢材因腐蚀造成的损失约占钢产量的7%，这其中的大部分可通过恰当的防腐蚀方法加以避免；最后，腐蚀影响钢结构表面外观，大部分钢结构建筑的表面装修或涂装都要求对构件表面进行处理，而锈蚀后的构件表面会形成凹凸不平，这样，不仅增加了处理构件的成本，而且还要增大构件表面防腐涂料的涂装工程量。此外，钢构件产生腐蚀后，由于其表面特征的发生了明显的改变，即使很轻微，但它也会对建筑物的使用者产生很大的心理压力，从而影响他们的身体健康。

钢结构建筑的防腐方法

钢材的防腐方法主要有3类，一是在其表面涂刷防止腐蚀的材料，将钢材与腐蚀介质隔离；二是采用阴极保护方法来防止钢材腐蚀，使可能发生的腐蚀出现在预先设置的物体而不是钢结构上；三是依靠材料本身的固有属性来抵御腐蚀，即采用耐候钢材来延缓腐蚀的发展。以上3类腐蚀防止方法都有各自的优缺点，而且各自在某些范围内最为有效。另外，还有些防腐体系是以上3种类型的综合，其目的是为了更好地防止钢结构的腐蚀发生。防腐体系中的关键是构件的表面处理，由于不充分的或不恰当的表面处理所引起的防腐体系失效约占失效总数的70%。采用不同的防腐体系，对钢材表面的处理要求也有各不相同，而钢材表面的处理方法主要有喷射或抛射除锈（Sa）和手工和动力除锈（St），每一种除锈方法则又可分为不同等级，对使用期内难以维修的承重构件，其除锈等级宜适当提高，各类构件所采用的除锈方法和等级可参考我国现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）和《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈标准》（GB8923）。

按我国现行《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求，除临时性结构外，普通房屋和构筑物的设计使用年限为50年，而纪念性建筑和特别重要的建筑则要达到100年的使用年限，因此，在设计钢结构建筑时就要考虑钢材的腐蚀特性，使钢结构建筑在设计使用年限内不发生腐蚀或把腐蚀程度控制在合理范围之内，且不需要维护防腐体系或以较少次数地对防腐体系进行维护，这就需要钢结构建筑中所采用的防腐体系能够起到良好的防腐效果。一般而言，普通的防腐涂层较长效的防腐涂层价格低，但普通防腐的维护周期也短，综合经济效益不如长效的防腐涂层，所以，钢结构建筑选择长效的防腐体系较优。目前，钢结构建筑的长效防腐体系主要有富锌涂料体系、热喷锌（铝）体系和热浸镀锌体系3类，其中，富锌涂料体系又可分为两类，即以硅酸盐作为黏结剂结合锌粉的无机富锌涂料和基于各种有机物载体（包括环氧树脂、丙烯酸、氯化橡胶、乙烯基和氨基甲酯）的有机富锌涂料。热喷锌（铝）体系为多层次复合涂层，即复合涂层加上涂料，第一层为锌层打底，第二层为铝中间层，第三层为锌涂层，通过喷射对铝层封孔，再加上涂料封闭，组成多层次复合涂层，这样的涂层防腐抗蚀能力很强。热浸镀锌体系则是通过酸洗和镀锌等工艺在钢构件表面形成一层锌与铁的合金层，从而达到防止腐蚀目的，但是，在酸性环境中，热浸镀锌防腐层会很快腐蚀而影响其防腐效果，因而，一般不推荐在地下环境中使用。

上述介绍的几种长效防腐体系的原理基本相同，都是通过金属锌层来阻止环境中的湿气及腐蚀物质与钢材表面的接触，从而达到防止或减轻钢材腐蚀的目的。一旦锌金属层出现损坏或裂缝（通常在钢构件的运输和安装过程中容易发生），锌就会起阴极保护作用而阻力钢材腐蚀的发生，而在电镀锌的防腐体系中，锌比铁活泼的多，一旦同时处于腐蚀环境中时，锌就成为锈蚀循环中的阳极而先于钢材发生腐蚀，而当锌产生锈蚀后，锌锈蚀反应的生成物不仅是不溶体，而且还可以起到密封涂层中的裂缝及已有的裂隙，从而进一步阻止锈蚀的发生。已有资料表明，以上3种防腐体系的长效防腐效果均较为理想，一般能达40年以上。其中，以热浸镀锌体系最为突出，在澳大利亚，热浸镀锌体系有记载的最长服务期限为110年，能满足绝大多数的钢结构建筑的防腐要求。

钢结构建筑防腐设计和施工注意点

钢结构建筑工程设计中，应有防锈涂装设计的内容，并严格遵守现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046）的相关规定。钢结构的防腐设计应综合考虑建筑结构的重要性、设计使用寿命、环境介质条件、维护条件、施工水平及综合工程造价等因素，合理确定钢材表面的初始锈蚀等级、除锈方法与等级，根据建筑所处位置、相对湿度、周围环境等因素来确定钢结构建筑的环境侵蚀作用类别，从而采用不同的防腐设计要求。此外，进行钢结构建筑设计和防腐施工时，下列事项应予以重视。当钢结构处于弱蚀侵蚀性及中等强度侵蚀性环境中，以及重要的承重结构和使用中难以维护的承重结构，不应使用表面原始锈蚀等级低于B级的钢材。在中等强度侵蚀性环境中的承重结构，应尽量选用质量与表面积比较大的管形封闭截面，以及简单、规则而易于涂装和围护的实腹式截面，节点及连接构造应避免形成易于积灰、积湿的死角，连接零件之间一般应留有不小于120mm的净空供检查和维护。钢柱脚埋入地下部分应采用强度等级不低于C10的混凝土包裹，其保护厚度不小于50mm，并包出地面150mm，柱埋入部分的表面应做除锈处理，可不做涂料涂装。经过表面处理并检查合格后的钢构件，应在规定的时间内及时涂装，以免影响防腐材料的效果。需做防火涂层的钢构件表面，可在表面除锈后仅刷底层涂料。

展望

随着钢结构建筑的不断升温，钢结构的防腐也越来越受到更多学者的关注。就目前常用的防腐方法中，涂料防腐体系的初期投资小，大约10年左右就要在钢构件表面再涂一次，即在钢结构建筑使用年限内，涂料防腐体系需要维护，而热浸镀锌防腐体系的初期投资要大，但在其服务期限之内通常不需要维护。随着热浸镀锌厂家的增加以及较大尺寸镀锌槽的不断建成，采用具有较高工业化程度的热浸镀锌防腐体系来作为钢结构建筑的长效防腐体系将越来越被工程设计人员和建筑业主所青睐，也必将在钢结构建筑领域中得到越来越广泛的应用。