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摘 要:本文綜述了鋼結構腐蝕與防護發展現狀,重點闡述了鋼結構大氣腐蝕,局部腐蝕,應力腐蝕的類型和機理,以及鋼結構防腐蝕措施,指出了鋼結構腐蝕防護的發展方向. 關 鍵 詞:鋼結構,腐蝕,防護 AReviewonCorrosionandProtectionofSteelConstructions ZhangQifuHaoXiaodong (CentralIron&,SteelResearchInstitute,Beijing100081,China) Abstract:Thispapersummarizescorrosionandprotectionofsteelconstructions,stressingon principlesofatmosphericcorrosion,selectivecorrosionandstresscorrosion,alsomethodsof corrosionprotectionandfuturedevelopmentofit. Keywords:steelconstruction,corrosion,protection 1前言 據統計,每年由于腐蝕原因使全球大约損失10%~20%的金屬,約合7000多億美金[1].若以我國2005年產粗鋼3.494億噸計算,則一年的最低腐蝕量為0.3494億噸,相當于我國一家大型鋼鐵企業的年產量.同時,我國鋼材消費主要集中在建筑,機械,汽車三大領域,占全部消費量的78%左右,其中建筑業用鋼量占我國鋼材消費總量的59%以上,2005年的消費量达到1.3924億噸,預計2016年的消費量將會达到1.664億噸,如圖1,2所示.因此建筑用鋼材的金屬腐蝕造成的經濟損失尤為巨大. 鋼結構作为建筑業用鋼量最大的一種施工方式,具有自重輕,抗震性能好,節能效果好,工業化程度高等一系列優點[2-3],隨著我國政府對鋼結構行業的政策從過去限制用鋼到鼓勵合理用鋼的转变,鋼結構取代鋼筋混凝土或磚混結構作为當代建筑業的發展趨勢,具有廣闊的應用空間,鋼結構的防腐蝕問題也隨之變得愈加突出. 因此,從節約有限資源和能源的角度出發,鋼結構防腐蝕對國民經濟的發展顯得尤為重要.本文從介紹鋼結構的腐蝕類型,腐蝕機理和影響因素出發,重點討論了腐蝕防護技術,并對鋼結構的腐蝕與防護發展及應用進行了总结.

2鋼結構的類型 按目前通常的分類,鋼結構行業包括高層鋼結構,輕型鋼結構,空間鋼結構,住宅鋼結構,橋梁鋼結構,公共設施用鋼結構6大子類[2-5]. 2.1高層鋼結構 高層鋼結構一般指10層以上或18m以上,主要采用型鋼,鋼板連接或焊接成構件,再經連接,焊接而成的結構體系.有專家測算,小高層鋼結構用鋼量可控制在每平方米50公斤以下,其工程造價增幅即可控制在10%左右,但綜合效益十分可觀,并將推進住宅生產經營方式的變革,拉動住宅產業的發展.而隨著體系化,產業化水平的提高,性能價格比也會提高,成本將會有所降低.同樣超高層鋼結構體系也具有明顯的經濟優勢,符合未來建筑業的發展方向. 2.2輕鋼結構 輕型鋼結構是指以彩涂鋼板作为屋面和墻面,以薄壁型鋼作檁條和圈梁,柱與梁以焊接H型鋼為原料,現場用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要結構的一種建筑體系.這種體系由工廠制作,現場按要求拼裝形成,具有以下優點:①輕質高強,抗震性能好,有利于環保,其回收率接近100%,材料性能

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好,結構質量有保證,工業化程度高,施工快,有利于實現產業化,不可燃,不助燃,不開裂,不生霉菌,不蠕變,少維護,防火性能好. 2.3空間鋼結構 空間鋼結構主要是指網架,網殼結構及其組合結構和雜交結構.這是一類受力合理,剛度大,重量輕,桿件單一,制作安裝方便的空間結構體系,在近一二十年來获得蓬勃發展,并在大跨度,大柱網的公共和工業建筑中得到廣泛應用,例如我國國家體育館,北京農展館等. 2.4住宅鋼結構 近5年以來,以輕型框架和冷彎型鋼骨架為主要承力構件的住宅鋼結構逐渐在國內得到認可,由于其易于實現工業化生產,標準化制作,而與之相配套的墻體材料可以采用節能,環保的新型材料,屬綠色環保性建筑,可再生重復利用,符合可持續發展的戰略,具有綜合經濟優勢,因此鋼結構體系住宅成套技術的研究成果必将大大促進住宅產業化的快速發展,直接影響著我國住宅產業的發展水平和前途[4]. 2.5橋梁鋼結構 研究表明,結構跨度越大,自動在全部載荷中所占比重也就越大,減輕自重可以获得明顯的經濟效果.因此,鋼結構強度高而且質量輕的優點對于大跨橋梁特別突出[5].近十年以來,我國建設的大跨度鋼結構橋梁約20余座,用鋼量很大.隨著人們對于環保和鋼鐵資源循環利用等戰略問題重要性越來越準確的認識,鋼結構在橋梁建設方面會有非常廣闊的空間. 2.6城市交通,環保等公共設施用鋼結構 在"八五","九五"期間,公路建設迅速,每年增長約3000km,大量的城市交通立交橋,護欄得到廣泛采用,年消耗鋼材約20萬-30萬t.另外,我國內地近年来大量建造機場,會展中心,體育中心,文化中心等大型公共建筑,廣泛采用各種形式的支承鋼結構.例如浦東新區陸家嘴開發區的世界廣場就是一座高標準,現代化的綜合商辦樓.其建筑面積約8萬平方米,主體采用全鋼骨結構,并采用輕鋼龍骨石膏板作为內隔墻,外墻選用單元體式玻璃幕墻. 3鋼結構腐蝕類型和機理 雖然鋼結構具有多種類型,不同類型又處于不同的腐蝕介質中,但是腐蝕類型歸納起來主要有大氣腐蝕,局部腐蝕和應力腐蝕三種. 3.1大氣腐蝕 鋼結構的大氣腐蝕主要是由空氣中的水和氧氣等的化學和電化學作用引起的,是一種常見的腐蝕現象[1].大氣中水汽形成金屬表層的電解液層,而空氣中的氧溶于其中作为陰極去極劑,二者與鋼構件形成了一個基本的腐蝕原電池.當大氣腐蝕在鋼構件表面形成銹層后,腐蝕產物會影響大氣腐蝕的電極反應. 3.2局部腐蝕 局部腐蝕是鋼結構最常見的破壞形態,主要包括電偶腐蝕,縫隙腐蝕.電偶腐蝕主要發生在鋼結構不同金屬組合或者連接處,其中電位較負的金屬腐蝕速度較大,而電位較正的金屬受到保護,兩種金屬構成了腐蝕原電池.研究表明,接觸金屬的電位差為電偶腐蝕的驅動力,兩種金屬的電極電位差愈大,電偶腐蝕愈嚴重. 當鋼結構的不同結構件之間,鋼構件與非金屬的表面間存在縫隙,并有介質存在的時候就會發生局部腐蝕.所以腐蝕發生的條件:首先應存在一定具備腐蝕條件的縫隙,縫隙中必须有一定的液體,其次構件的縫隙寬度必须窄到可以使得液體在縫內停滯,鋼結構的縫隙腐蝕最敏感的縫寬為0.025-0.1mm.鋼結構最常見的縫隙腐蝕形式有鉚接,襯墊和顆粒沉積等,由于這些連接中的縫隙在工程中是不可避免的,所以鋼結構的縫隙腐蝕也是不可完全避免的,它的發生會導致鋼結構整體強度降低,減少吻合程度. 3.3應力腐蝕 由于鋼結構既要承受拉伸,壓縮,彎曲和扭轉等各種應力的作用,又要受到腐蝕介質的作用,所以其采用的低碳鋼,低合金鋼,高強鋼等在水介質,CO-CO2-H2O中極易發生應力腐蝕.在腐蝕環境中,鋼結構受力作用會使腐蝕加速,即在某一特定的介質中,鋼結構不受到應力作用時腐蝕甚微,但是受到拉伸應力后,經過一段時間構件會發生突然斷裂.由于這種應力腐蝕斷裂事先沒有明顯的征兆,所以往往造成災難性后果,如橋梁坍塌,管道泄漏,建筑物倒塌等,帶來巨大的經濟和人員傷亡. 鋼結構應力腐蝕主要受到力學,電化學,構件材料三個方面的影響.環境因素和構件材料通過影響鋼結構腐蝕的電化學行為決定了裂紋的形核,長大,并在應力的作用下導致構件失穩斷裂.同時力學行為也受到構件材料和應力因素的影響,其對于裂紋的不同成長階段都具有一定作用,并最終與電化學行為一同決定了構件的失穩斷裂. 4鋼結構防腐蝕措施 在深入研究鋼結構類型的基礎上,針對鋼結構腐蝕的類型和機理,腐蝕保護的措施主要包括三個方面:提高基材的耐蝕性能,使用有機,無機涂層和金屬鍍層,外加電流. 4.1耐候鋼 耐腐蝕性能優于一般結構用鋼的鋼材稱為耐候鋼,其最早開發于20世紀初,最初發現的是銅(0.008%-0.49%)和磷(0.01%-0.12%)對鋼的耐蝕性的顯著效果[6],以后就出現了著名的Corten鋼和世界各國的耐大氣腐蝕鋼.工程實踐中,耐候鋼不涂裝就可以使用,是極好的結構用材,并且可以將鋼結構(如橋梁)壽命期內的總費用降到最低.在日本,耐候鋼自60年代后期首次在橋梁上應用之后,迄今應用越來越多,在所有鋼橋中其應用率已有5%~7%的水平.在美國,則大约高達45%的橋梁應用了耐候鋼.例如NewRiverGeBridge,跨度為518m,共動用1.9萬噸耐候鋼制作,裸露使用情況良好,EastofCentraliaBridge,裸露使用8年,仍處于良好狀態,美國芝加哥標志性建筑ChicagoCivicCenter,外層采用裸露耐候鋼制作,使用情況良好. 目前,我國現行生產的這類鋼分為高耐候結構鋼和焊接結構用耐候鋼兩類.高耐候結構鋼耐腐蝕性要優于焊接結構鋼,其按化學成分可以分為銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼,有Q295GNH,Q295GNHL,Q345GNH,Q345GNHL,Q390GNH五種牌號.焊接結構用耐候鋼以保持鋼材具有良好的焊接性能為特點,其適用厚度可達100mm[2,3]. 銹層的截面在偏光顯微鏡下觀察發現,耐候鋼銹層呈現連續,致密的堅硬內銹層,而普碳鋼呈現出不連續,疏松并有裂紋的銹層.從掃描電鏡的照片(圖3)可以看出,耐候鋼銹層的斷口形貌晶化程度比普碳鋼的銹層差,但顆粒均勻細化,普碳鋼的銹層結晶完整,顆粒較大,并有疏松和孔洞.研究表明,耐候鋼中添加的Cu,P等元素會产生富集,內銹層形成的結晶程度降低,晶粒細化的Fe3O4連續致密銹層,它幾乎能將陽極活

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