室内潮湿状态下钢结构的腐蚀和防护

维普资讯 http://www.cqvip.com 防火与防腐　室内潮湿状态下钢结构的腐蚀和防护　刘福云　邢　峻　周海玲　李光明　曹海军　（中冶集团建筑研究总院北京　１０００８８）　（中国人民解放军６３９２６部队北京　１０００００）　摘　要　着重讨论潮湿情况下，铜结构及部件的腐蚀机理及其影响因素，根据实际情况提出适合在该条件下对钢　结构有保护效果的方案，并简要介绍几种防腐性能比较理想的防腐蚀涂料。　关键词　腐蚀　防护　涂料　ＣｏＲＲｏＳＩｏＮ　ＡＮＤ　ＰＲｏＴＥＣＴＩｏＮ　ｏＦ　ＳＴＥＥＬ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ　ＳＵＢＪＥＣＴＥＤ　Ｔｏ　ＩＮＤｏｏＲ　ＤＡＭＰ　ＣｏＮＤＩＴＩｏＮＳ　Ｌｉｕ　Ｆｕｙｕｎ　Ｘｉｎｇ　Ｊｕｎ　Ｚｈｏｕ　ＨａｌＩｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＣＣ　Ｇｒｏｕｐ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００８８）　Ｌｉ　Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ　Ｃａｏ　Ｈａｉｊｕｎ　（６３９２６　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ　Ｌｉｂｅｒａｔｉｏｎ　Ａｒｍｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００００）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｉｔ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｄａｍｐ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈａｔ　ｓｏｍｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｔｏ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｄａｍｐ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａｃｔｕａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．Ｂｒｉｅｆ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｅｖｅｒａｌ　ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｖｅ　ｐａｉｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｉｄｅａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｐａｉｎｔ　随着钢结构产量和钢结构品种的不断增加，以　大气腐蚀是金属处于表面水膜层下的电化学腐　钢结构为主体的建筑也越来越多。钢结构建筑有以　蚀过程。这种水膜实际上是电解质水膜，它是由于　往混凝土建筑不可比拟的优越性。首先，钢结构的　空气中相对湿度大于一定数值后，空气中的水在金　施工不受季节限制，一年四季都可以施工；其次，钢　属表面吸附凝结且溶有空气中的污染物（溶解在水　结构的施工节省了混凝土施工养护期的限制，可以　中可电离成离子的物质）而形成的，这层电解质水膜　连续施工，大大加快了施工进度，减少了人力资源的　很薄，空气中的氧很容易到达金属表面的阴极区得　浪费；第三，钢结构的外观造型比混凝土结构更加丰　到电子，而金属则失去电子变成金属离子，即形成电　富，使建筑物更加美观，更能够体现时代特色；第四，　化学腐蚀。电化学腐蚀的阴极是氧去极化作用，阳　钢结构建筑可以做成大跨度和超高层建筑，如长春　极是金属腐蚀过程。　体育馆、上海金茂大厦等建筑。　金属锈蚀的电化学过程简单地表现为：　随着钢结构建筑的不断增多，钢结构的耐久性　１）铁不断离子化，进入电解质溶液，在金属表面　问题表现得越来越严重，在钢结构本身承载力满足　留下当量电子：　设计要求的情况下，防止钢结构遭受大气及其他有　Ｆｅ—，Ｆｅ　＋２ｅ　害物质的腐蚀，避免因环境腐蚀造成钢结构断面减　２）在溶液中，氧原子吸收了阳极的电子而成为　小，从而造成建筑物失稳就成了钢结构保护的首要　氢氧离子：　问题。　Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ—　４（ＯＨ）一　３）阳极产物铁离子与阴极产物氢氧离子生成初　１　钢结构在大气中的腐蚀机理　步腐蚀产物氢氧化亚铁沉淀：　钢结构在干燥、洁净的大气中遭受腐蚀的速度　Ｆｅ　叶。＋２（ＯＨ）一—　Ｆｅ（ＯＨ），　是十分缓慢的，只有钢结构处于潮湿的、含有导电性　粒子的空气中，腐蚀才会加剧，且腐蚀状况会根据电　第一作者：刘福云男１９６２年１２月出生教授级高级工程师　Ｅｍａｉｌ：ｌｆｙｙｄ＠２６３．ｎｅｔ　解质的不同而不同。　收稿日期　２００７一Ｉ２—２５　７６　钢结构　２００８年第４期第２３卷总第１０６期　维普资讯 http://www.cqvip.com 刘福云，等：室内潮湿状态下钢结构的腐蚀和防护　４）氢氧化亚铁再遇水和氧后即转变为氢氧化　也影响着水膜中各种腐蚀气体和盐分的浓度，以及　铁：　水膜的电阻等。当相对湿度低于钢铁的临界相对湿　４Ｆｅ（ＯＨ）　＋Ｏ　＋２Ｈ　Ｏ一４Ｆｅ（ＯＨ）。　度时，温度对大气的腐蚀影响较小；当相对湿度达到　氢氧化铁的溶解度很小，通常在金属表面形成　钢铁的临界相对湿度时，温度对大气的腐蚀影响十　疏松的薄膜，有一定的保护作用，但抗渗能力很弱，　分明显。因此，调节温度使钢铁表面形不成水膜或　当氧不断地进入时，则铁的腐蚀一直继续进行，直到　使空气中的水分不能凝结在钢铁的表面是控制钢铁　完全破坏生成铁锈为止。铁锈具有吸湿性，吸收大　减少腐蚀的关键。　量水分后体积膨胀，从而使大气腐蚀继续扩展到金　属内部，腐蚀金属。　２　防护处理　钢结构在大气中的腐蚀主要受以下因素影响，　２．１　工程简介　即空气中的成分、湿度和温度，现分别简述如下。　国家某重点工程，分为四个建筑段，其中工、Ⅲ　１．１　空气中的成分　为钢筋混凝土框架，顶部屋盖体系均采用正交正放　大气中的主要成分是不变的，但不同地区，不同　焊接球网架结构，网架面积为５４　ｒｆｌ×３６　ｒｆｌ，且工、Ⅲ　季节，空气中所含的成分有很大程度的不同，如在沿　段建筑物网架带有５ｔ悬挂吊车。由于该建筑物跨　海地区，空气中含有大量的盐粒子，冬季在北方以煤　度比较大，工作环境要求相对湿度大于８０％，温度　取暖地区的空气中会含有硫化物等，这些物质对钢　保持在３０￣３５　ｏＣ，因此对此环境下的钢结构进行保　铁在大气中的腐蚀影响很大。因为，空气中所含有　护，首先应从结构设计上避免可能造成腐蚀隐患的　的二氧化硫在潮湿的情况下会形成亚硫酸甚至转化　缝隙及不合理的结构形式；其次，根据实际腐蚀环境　成硫酸，使钢铁表面形成一层酸性水膜，直接腐蚀金　以及结构特点，选择合理的防腐蚀材料和防腐蚀配　属结构及构件，加速腐蚀过程。空气中的氯离子等　套方案。　有害物质也同样起着加速腐蚀的作用。　２．２　防腐蚀方案设计　有些尘埃本身虽然没有腐蚀性，但是它会吸附　对于钢结构的保护有多种方法，但最直接的方　腐蚀性介质和水分，冷凝后就会形成电解质溶液。　法就是把钢结构与大气隔绝开来，使钢结构处于不　另外，这些尘埃一旦沉降在钢铁表面会形成缝隙而　会发生腐蚀的环境下。这种方法包括镀层和涂层，　凝结水分，从而满足氧浓差腐蚀条件，引起缝隙腐　镀层适用于比较小、结构不太复杂的构件，而涂层则　蚀。　不受任何限制，因此，目前应用最多、使用最广泛的　１．２　湿度　就是使用防腐蚀涂层对钢构件进行有效的保护。　空气中水分在钢铁表面凝结形成的水膜和空气　防腐蚀涂料品种很多，但从其使用功能上可分　中氧通过水膜进入钢铁表面是发生大气腐蚀的最基　为底漆、中间漆和面漆。底漆是整个涂层系统的基　本条件。相对湿度达到某一临界点时，水分在钢铁　础，它必须能够润湿表面且具有与结构良好的附着　表面形成水膜，从而促进了电化学过程的发展，表现　性能；中间漆与底漆的功能不同，中间漆中的颜料一　出腐蚀速度迅速增加。这个临界点与钢铁表面状态　般来说没有活性，这种涂层可用来构成整个涂层系　和表面上有无吸湿物有很大关系，如表Ｉ所示。　统的厚度；面层有时也被称为涂层顶层或耐候层，用　表１钢铁表面形成水膜的空气相对湿度临界值　来保护系统免受环境因素（太阳光中的紫外线）的影　表面状态　临界湿度／　响，并提供主要的耐磨损性能。对于涂料品种的选　干净表面在于净的空气中　接近１００　择必须根据实际的使用环境而定，但涂料品种的选　二氧化硫处理过的钢铁表面　８Ｏ　择也应遵循以下原则：　干净表面在含有０．０１　ＳＯ２空气中　７Ｏ　在３％氯化钠溶液中浸泡过的表面　５０　ａ．所选涂料在所处的环境下耐腐蚀。　ｂ．所选涂料的价格用户能够接受。　从表Ｉ可以看出，当空气被污染或者在沿海地　Ｃ．所选涂料底、中、面之间能够结合牢固，且具　区，空气中含有强电解质时，临界湿度都很低，钢铁　有优异的施工性能。　表面很容易形成水膜。　根据上述原则，结合本文提到的温度３０～　１．３　温度　３５℃，相对湿度大于８０　的环境下，经过慎重比　环境温度的变化影响着钢铁表面水汽的凝结，　较，结合实际使用情况，确定了如下的防腐蚀方案。　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００８（４），Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．１０６　７７　维普资讯 http://www.cqvip.com 防火与防腐　１）基层处理：基层处理非常重要，同一种防腐　ｆ．良好的施工性能，施工方便，易修补。　蚀涂料，同一种腐蚀环境，使用抛喷射除锈较手工除　锈漆膜寿命可延长３倍～５倍。钢铁表面的污物和　锈层，尤其是轧制钢材时形成的黑氧化皮，是电化　学腐蚀的阴极，是腐蚀的根源，必须除掉。因此，在　涂刷防腐蚀涂料前，基层处理要求采用喷砂除锈至　Ｓａ２．５级，表面粗糙度在４０～７０　Ｆｍ，以保证底层防　腐涂料的结合力和耐久性。　２）底漆：底漆是整个防腐涂层的基础，必须具　有与基层良好的附着力，又能具有超强的保护功能，　根据材料的性能和以往的使用经验，在该项目上选　玻璃鳞片涂料比云铁涂料有更多的优点，一般　涂一遍可达１００　Ｆｍ以上。日本关西海上机场和本　洲到四国的跨海大桥的钢结构都使用环氧玻璃鳞片　涂料，涂层厚度达到１　０００　Ｆｍ。　４）防腐蚀面漆：防腐蚀面漆的品种很多，用于　面漆层的涂料按其价位可划分为三个等级：　ａ．普通级为环氧漆、氯化橡胶漆、氯磺化聚乙　烯漆等；　ｂ．中等级为丙烯酸聚氨酯漆等；　Ｃ．高等级为有机硅改性聚氨酯漆、有机硅改性　用富锌底漆作为防腐底漆。富锌底漆是由大量的微　细锌粉与少量的成膜基料组成。锌的电化学活性比　丙烯酸面漆、氟涂料等。　本工程选用了价格适中的丙烯酸聚氨酯防腐蚀　钢铁高，在受到腐蚀时，有“自我牺牲”的作用，使钢　铁被保护。腐蚀产物氧化锌又填充了空隙，使涂层　更加致密。作为防腐蚀涂装系列的底漆，一般厚度　为３０～７０　Ｆｍ。富锌底漆的品种也比较多，常用的　主要有环氧富锌底漆和无机富锌底漆，无机富锌底　面漆作为该防腐体系的面漆。该面漆有如下特点：　ａ．漆膜机械强度高，完全固化的漆膜硬度高、　抗冲击、柔韧性好。　ｂ．该涂料耐腐蚀性能优良，尤其具有优异的耐　老化性能。　漆与环氧富锌底漆比较，其各自特点为：　ａ．无机富锌底漆与钢铁有化学反应，属化学结　Ｃ．涂装后的漆膜保光、保色性好，具有一定的　装饰性。　合，耐蚀性、耐久性优于环氧富锌。无机富锌表面处　理要求较高，要求喷砂除锈至Ｓａ２．５级以上，而环氧　富锌可略低一些。　ｂ．无机富锌耐热性、耐溶剂性、导电性优于环　５）涂层厚度　涂层材料是防腐蚀的中间材料，必须经过涂装　才能形成涂层。如果涂层厚薄不均，钢材表面的毛　刺等会露出涂层。如果涂层施工遍数少，涂层有针　氧型，但力学性能比环氧富锌低。　Ｃ．环氧富锌易与面漆配套，无机富锌受到一定　限制。　ｄ．无机富锌施工时对环境要求比环氧富锌高。　通过对两种涂料的比较，该项目选择了不但防　孔，水中的氧、氯离子、水分子等会穿过这些薄弱处，　到达钢铁的表面，使钢铁生锈腐蚀。腐蚀产物体积　膨胀，形成锈包，逐渐扩大，最后导致涂层起泡脱落。　从公式Ｔ—Ｌ　／（６Ｄ）可以看出：使用寿命Ｔ与　涂层厚度Ｌ的平方成正比。增加涂层厚度，能加强　腐性能优良，而且附着力强，与下道涂层结合紧密，　与其他高性能的中层漆均有良好粘结性的环氧富锌　底漆。　３）中间漆：中间漆不仅是增加涂层的厚度，更　主要的是在增加厚度的同时提高涂层的抗渗能力，　涂层的隔离能力，是提高涂层寿命，保护钢铁的有效　手段。防腐涂层厚度一般不低于２００　ｍ，厚度要均　匀、连续完整、无针孔。　３　几点建议　使腐蚀性介质不能或很难到达钢铁基层的表面，从　而使钢铁构件长期处于受保护状态，提高建筑物的　耐久性和延长建筑物的使用寿命。环氧玻璃鳞片涂　料是防腐蚀中间漆的佼佼者。环氧玻璃鳞片涂料由　防腐蚀涂层的方案及施工固然重要，但欲使钢　构件寿命更长，应及时注意涂层的状况，创造更好的　使用环境。　１）定期维护钢构件的防腐涂层。对所有暴露于　于极薄的玻璃鳞片在涂层中上下多层排列，形成了　独特的屏蔽结构。该涂料具有以下特点：　大气环境的钢构件，维护防腐涂层都是经常的、必须　的。一般来说，对于使用质量较高涂层的钢构件，两　次维护的时间间隔要长一些，但造价相对较高。因　此，平衡维护工程的技术性和经济性是钢结构使用　单位经常面对的问题。　（下转第３９页）　钢结构　２００８年第４期第２３卷总第ｌｏ６期　ａ．极优良的抗介质渗透性；　ｂ．优良的耐磨性；　Ｃ．固化时收缩小，固化成膜后热膨胀系数小；　ｄ．与基体粘结性好，耐温度性好；　７８　维普资讯 http://www.cqvip.com 孙修礼，等：螺旋钢梯的结构分析　扭矩对结构强度和稳定的影响，按压（拉）弯构件来　验算踏步的强度和稳定。　表２踏步构件属性　强度按“规范”５．２．１条验算，式中各符号意义　参　规　：　２１５　ＭＰ　以只需验证主梁的强度。　强度验算：　Ａ　。７　Ｗ　。７　Ｗ　＋　＋　ｙ＿一６３ＭＰａ≤厂一２１５　ＭＰａ　……‘“　．　＋　＋　一７５　ＭＰａ≤厂一　强度满足要求。　强度满足要求。　稳定按“规范”５．２．５—１和５．２．５—２条验算，　各符号意义参考“规范”。　４结　论　按５．２．５—１条验算：　１）有限元分析中如果支座节点采用刚接，结构　＋　＋　一　相应的位移和应力都小，实际结构是焊接连接，焊接　（１－－０．８　）　连接是半刚性连接，介于刚接和铰接之间，所以分析　６５．４　ＭＰａ≤ｆ一２１５　ＭＰａ　中可偏于安全地采用铰接支座。　按５．２．５—２条验算：　２）刚接时结构的相应周期小于铰接时结构的周　期，低阶振型的自振周期相差较大，随着振型阶数的　＋　＋　　。一　增加，自振周期的差距逐渐变小。　（１－－０．８　）　３）无论是对踏步还是主梁而言，扭矩的数值很　６６．３　ＭＰａ≤ｆ一２１５　ＭＰａ　小可以忽略，设计中可不考虑扭矩对结构强度和稳　稳定满足要求。　定的影响。　３．２楼梯主梁的校核　４）规范验算和有限元分析结果相差不大，表明　由分析知，主梁的最大内力为Ｎ一１５４　３３６　Ｎ；　用ＡＮＳＹＳ软件来分析螺旋钢梯是可行的。　Ｍｘ一２４　６０９　Ｎ・ｍ；Ｍ　一２８　６６４　Ｎ・ｍ。主梁的　最大扭矩Ｔ为１１　９７８　Ｎ・ｍ。主梁截面受扭塑性抵　参考文献　抗矩：Ｗ　一１２２　０５２　３　ｍｍ。，按“规范”（ＧＢ　５００１０—　１王韶，程蓓，申林，等．钢结构螺旋楼梯的设计．钢结构，２００６，２１　（６）：２２—２４　２００２）中弯剪扭构件忽略扭矩影响因素的条件：　２郝文化．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例．北京：中国水利水电出版　Ｔ一１１　９７８　Ｎ・ｍ≤０．１７５ａｈ．　Ｗ　一１２　３９９　Ｎ・ｍ　社，２００５　所以不考虑扭矩的影响。　３龚曙光，谢桂兰．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程．北京：机械工　鉴于楼梯踏步对主梁强有力的约束（所有节点　业出版社，２００４　４　ＧＢ　５００１７—２００３钢结构设计规范　均可视为焊接刚性节点），主梁的稳定满足要求，所　５　ＧＢ　５００１０—２００２混凝土结构设计规范　（上接第７８页）　２）根据北京市疾病控制中心氯气检测评价报　层的完整性直接影响到钢结构或钢构件的使用寿　告，游泳馆内或使用氯气消毒的建筑物内，氯气质量　命，因此，对于需要增加防火涂层或其他功能的涂　含量在０．０４２～０．２２　ｍｇ／ｍ。，根据“气态介质对建筑　层，应在防腐涂层体系外进行，不应将防腐蚀涂层的　材料的腐蚀性分级”标准，建筑物内大气环境对钢材　底、中、面分开。　的腐蚀性接近于强腐蚀。因此为减少钢材腐蚀，应　４）本文所提出的方案是经过试验和实际使用　加强建筑物内的通风，尽量使钢构件表面无法形成　得出的，涂料之间具有良好的匹配性，经过几年的使　水膜，从而抑制电化学反应的发生。　用效果很好。　３）钢结构防腐涂层是一个独立的防护体系，涂　欢迎订阅《钢结构》，邮发代号：８　２—８　５　０　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００８（４），Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．１０６　３９