摘要: 本文综述了钢结构腐蚀与防护发展现状, 重点阐述了钢结构大气腐蚀, 局部腐蚀, 应力腐蚀的类型和机理, 以及钢结构防腐蚀措施, 指出了钢结构腐蚀防护的发展 …

摘要: 本文综述了钢结构腐蚀与防护发展现状, 重点阐述了钢结构大气腐蚀, 局部腐蚀, 应力腐蚀的类型和机理, 以及钢结构防腐蚀措施, 指出了钢结构腐蚀防护的发展 …内容摘要：

摘要：本文综述了钢结构腐蚀与防护发展现状，重点阐述了钢结构大气腐蚀、局部腐 蚀、应力腐蚀的类型和机理，以及钢结构防腐蚀措施，指出了钢结构腐蚀防护的发展方向。 关键词：钢结构；腐蚀；防护 A Review on Corrosion and Protection of Steel Constructions Zhang Qifu Hao Xiaodong (Central Iron & Steel Research Institute, Beijing100081, China) Abstract: This paper summarizes corrosion and protection of steel constructions, stressing on principles of atmospheric corrosion, selective corrosion and stress corrosion, also methods of corrosion protection and future development of it. Keywords: steel construction; corrosion; protection 1 前言 据统计，每年由于腐蚀原因使全球大约损失 10%～20%的金属，约合 7000 多亿美金 [1]。若以我国 2005 年产粗钢 3.494 亿吨计算，则一年的最低腐蚀量为 0.3494 亿吨，相 当于我国一家大型钢铁企业的年产量。同时，我国钢材消费主要集中在建筑、机械、汽车三 大领域，占全部消费量的 78%左右，其中建筑业用钢量占我国钢材消费总量的 59%以上， 2005 年的消费量达到 1.3924 亿吨，预计 2010 年的消费量将会达到 1.664 亿吨，如图 1、2 所示。因此建筑用钢材的金属腐蚀造成的经济损失尤为巨大。 　　钢结构作为建筑业用钢量最大的一种施工方式，具有自重轻、抗震性能好、节能效果好、 工业化程度高等一系列优点[2-3]，随着我国政府对钢结构行业的政策从过去限制用钢到鼓 励合理用钢的转变，钢结构取代钢筋混凝土或砖混结构作为当代建筑业的发展趋势，具有 广阔的应用空间，钢结构的防腐蚀问题也随之变得愈加突出。 因此，从节约有限资源和能源的角度出发，钢结构防腐蚀对国民经济的发展显得尤为重要。 本文从介绍钢结构的腐蚀类型、腐蚀机理和影响因素出发，重点讨论了腐蚀防护技术，并 对钢结构的腐蚀与防护发展及应用进行了总结。 2 钢结构的类型 按目前通常的分类，钢结构行业包括高层钢结构、轻型钢结构、空间钢结构、住宅钢结构、桥 梁钢结构、公共设施用钢结构 6 大子类[2-5]。 2.1 高层钢结构 高层钢结构一般指 10 层以上或 18m 以上，主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经 连接、焊接而成的结构体系。有专家测算，小高层钢结构用钢量可控制在每平方米 50 公斤 以下，其工程造价增幅即可控制在 10％左右，但综合效益十分可观，并将推进住宅生产经 营方式的变革，拉动住宅产业的发展。而随着体系化、产业化水平的提高，性能价格比也会 提高，成本将会有所降低。同样超高层钢结构体系也具有明显的经济优势，符合未来建筑 业的发展方向。 2.2 轻钢结构 轻型钢结构是指以彩涂钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，柱与梁以焊接 H 型钢为原料，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑体系。这种体系由 工厂制作，现场按要求拼装形成，具有以下优点：①轻质高强，抗震性能好；②有利于环 保，其回收率接近 100%；③材料性能好，结构质量有保证；④工业化程度高，施工快， 有利于实现产业化；⑤不可燃、不助燃、不开裂、不生霉菌、不蠕变、少维护、防火性能好。 2.3 空间钢结构 空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构和杂交结构。这是一类受力合理、刚度大、 重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大 跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用，例如我国国家体育馆、北京农展馆等。 2.4 住宅钢结构 近 5 年以来，以轻型框架和冷弯型钢骨架为主要承力构件的住宅钢结构逐渐在国内得到认 可，由于其易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、 环保的新型材料，属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，具有综 合经济优势，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发 展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途[4]。 2.5 桥梁钢结构 研究表明，结构跨度越大，自动在全部载荷中所占比重也就越大，减轻自重可以获得明显 的经济效果。因此，钢结构强度高而且质量轻的优点对于大跨桥梁特别突出[5]。近十年以 来，我国建设的大跨度钢结构桥梁约 20 余座，用钢量很大。随着人们对于环保和钢铁资源 循环利用等战略问题重要性越来越准确的认识，钢结构在桥梁建设方面会有非常广阔的空 间。 2.6 城市交通、环保等公共设施用钢结构 在“八五”、“九五”期间，公路建设迅速，每年增长约 3000km，大量的城市交通立交桥、护 栏得到广泛采用，年消耗钢材约 20 万-30 万 t。另外，我国内地近年来大量建造机场、会展 中心、体育中心、文化中心等大型公共建筑，广泛采用各种形式的支承钢结构。例如浦东新 区陆家嘴开发区的世界广场就是一座高标准、现代化的综合商办楼。其建筑面积约 8 万平方 米，主体采用全钢骨结构，并采用轻钢龙骨石膏板作为内隔墙，外墙选用单元体式玻璃幕 墙。 3 钢结构腐蚀类型和机理 虽然钢结构具有多种类型，不同类型又处于不同的腐蚀介质中，但是腐蚀类型归纳起来主 要有大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三种。 3.1 大气腐蚀 钢结构的大气腐蚀主要是由空气中的水和氧气等的化学和电化学作用引起的，是一种常见 的腐蚀现象[1]。大气中水汽形成金属表层的电解液层，而空气中的氧溶于其中作为阴极去 极剂，二者与钢构件形成了一个基本的腐蚀原电池。当大气腐蚀在钢构件表面形成锈层后， 腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应。 3.2 局部腐蚀 局部腐蚀是钢结构最常见的破坏形态，主要包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在 钢结构不同金属组合或者连接处，其中电位较负的金属腐蚀速度较大，而电位较正的金属 受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。研究表明，接触金属的电位差为电偶腐蚀的驱动 力，两种金属的电极电位差愈大，电偶腐蚀愈严重。 当钢结构的不同结构件之间、钢构件与非金属的表面间存在缝隙，并有介质存在的时候就 会发生局部腐蚀。所以腐蚀发生的条件：首先应存在一定具备腐蚀条件的缝隙，缝隙中必 须有一定的液体；其次构件的缝隙宽度必须窄到可以使得液体在缝内停滞，钢结构的缝隙 腐蚀最敏感的缝宽为 0.025-0.1mm。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉 积等，由于这些连接中的缝隙在工程中是不可避免的，所以钢结构的缝隙腐蚀也是不可完 全避免的，它的发生会导致钢结构整体强度降低，减少吻合程度。 3.3 应力腐蚀 由于钢结构既要承受拉伸、压缩、弯曲和扭转等各种应力的作用，又要受到腐蚀介质的作用， 所以其采用的低碳钢、低合金钢、高强钢等在水介质、CO-CO2-H2O 中极易发生应力腐蚀。 在腐蚀环境中，钢结构受力作用会使腐蚀加速，即在某一特定的介质中，钢结构不受到应 力作用时腐蚀甚微，但是受到拉伸应力后，经过一段时间构件会发生突然断裂。由于这种 应力腐蚀断裂事先没有明显的征兆，所以往往造成灾难性后果，如桥梁坍塌、管道泄漏、建 筑物倒塌等，带来巨大的经济和人员伤亡。 钢结构应力腐蚀主要受到力学、电化学、构件材料三个方面的影响。环境因素和构件材料通 过影响钢结构腐蚀的电化学行为决定了裂纹的形核、长大，并在应力的作用下导致构件失 稳断裂。同时力学行为也受到构件材料和应力因素的影响，其对于裂纹的不同成长阶段都 具有一定作用，并最终与电化学行为一同决定了构件的失稳断裂。 4 钢结构防腐蚀措施 在深入研究钢结构类型的基础上，针对钢结构腐蚀的类型和机理，腐蚀保护的措施主要包 括三个方面：提高基材的耐蚀性能；使用有机、无机涂层和金属镀层；外加电流。 4.1 耐候钢 耐腐蚀性能优于一般结构用钢的钢材称为耐候钢，其最早开发于 20 世纪初，最初发现的 是铜（0.008%-0.49%）和磷（0.01%-0.12%）对钢的耐蚀性的显著效果[6]，以后就出 现了著名的 Corten 钢和世界各国的耐大气腐蚀钢。工程实践中，耐候钢不涂装就可以使用， 是极好的结构用材，并且可以将钢结构（如桥梁）寿命期内的总费用降到最低。在日本， 耐候钢自 60 年代后期首次在桥梁上应用之后，迄今应用越来越多，在所有钢桥中其应用 率已有 5%～7%的水平。在美国，则大约高达 45%的桥梁应用了耐候钢。例如 New River Gorge Bridge，跨度为 518 ｍ，共动用 1.9 万吨耐候钢制作，裸露使用情况良好；East of Centralia Bridge，裸露使用 8 年，仍处于良好状态；美国芝加哥标志性建筑 Chicago Civic Center，外层采用裸露耐候钢制作，使用情况良好。 目前，我国现行生产的这类钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两类。高耐候结构钢 耐腐蚀性要优于焊接结构钢，其按化学成分可以分为铜磷钢和铜磷铬镍钢，有 Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH 五种牌号。焊接结构用耐 候钢以保持钢材具有良好的焊接性能为特点，其适用厚度可达 100mm[2，3]。 锈层的截面在偏光显微镜下观察发现，耐候钢锈层呈现连续、致密的坚硬内锈层，而普碳 钢呈现出不连续、疏松并有裂纹的锈层。从扫描电镜的照片（图 3）可以看出，耐候钢锈层 的断口形貌晶化程度比普碳钢的锈层差，但颗粒均匀细化；普碳钢的锈层结晶完整，颗粒 较大，并有疏松和孔洞。研究表明，耐候钢中添加的 Cu、P 等元素会产生富集，内锈层形成 的结晶程度降低、晶粒细化的 Fe3O4 连续致密锈层，它几乎能将阳极活性点覆盖起来。这 层接近于非静态的稳定锈层，能阻碍有腐蚀性的气氛和介质向基体渗透，使氧在锈层中扩 散反应速度慢，而且也抑制了阳极过程。在裂纹与缺陷的部位，由于合金元素富聚较多， 使得该部位的电位由负变正，因而起到自身修补的作用。 4.2 热浸镀锌技术 钢结构热浸镀锌是将表面净化处理后的钢构件浸入 460℃-469℃左右融化的锌液中，使 钢构件表面附着锌层，其厚度对 5mm 以下薄板不得小于 65μm，对厚板不小于 86μm。 钢结构件采用这种保护方式具有耐蚀性好，使用寿命长，且基本不用维护等优点，因而其 应用越来越广泛。目前，天线钢结构件表面防护、广播电视