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钢结构防腐,你真的懂了吗?

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年8月24日 | 施工技术, 材料知识
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钢结构腐蚀

钢结构腐蚀

钢结构腐蚀是一种惊人的浪费,据国外权威机构统计,全世界每年生产的钢铁,共有 l/10因腐蚀而浪费掉。在西方工业发达国家,因腐蚀造成的经济损失相当于生产总值的2%~4%,1975年美国由于腐蚀造成的损失大约700亿美元。全球因腐蚀每年造成的经济损失高达7000亿美元,是综合自然灾害损失(包括地震、台风、水灾等损失)总和的6倍。国家科委的调查结果表明,我国每年因为腐蚀造成的损失也在200亿元以上。因此多年来人们一直设法对钢结构进行防腐以减少这种浪费。我国目前基本采用油漆(涂料)防腐或石油沥青防腐,有效期不长,频繁的维修除需要大量维修费外,还会导致停工、停产,从而影响生产效益。

在低层和多层钢结构住宅中,一些主要的承重构件、围护以及连接构件所用的材料是钢材,对于这些构件必须要做好防腐处理。在我国轻钢结构住宅还只是刚刚起步,国内在轻钢结构住宅中的钢结构防腐处理的工程实例几乎很少,我国的钢结构防腐处理主要是集中在水利工程钢结构、水电站设备、石油化工装置、高压输铁塔、船舶金属构件、大型金属框架、起重设备、铁路和公路桥梁、钢结构工业厂房等设施中,轻钢结构的防腐处理和上述结构的防腐处理即有共同之处,也有它们的不同之处。对于轻钢结构的防腐处理可以借鉴上述结构的防腐处理。

做好钢铁防腐之前我们必须首先了解钢铁的腐蚀原理:钢铁在大气中腐蚀属电化学过程,其危害性在于它是一种不均匀的破坏。损伤发生在阳极表面,一旦出现腐蚀坑,往往向纵深发展,覆盖有锈蚀产物的腐蚀坑底部是小阳极,而暴露在大气中的金属表面是大阴极,阳极面积小,电流密度大,因此腐蚀发展快。腐蚀坑底部由于缺氧而酸化,造成自催化作用,而大大加快坑底纵深发展的速度。这就是所谓的闭塞电池现象,从而引起构件的应力集中,应力集中又促使腐蚀坑底电位变负,加速腐蚀过程。

近年来在表涂层的防腐处理应用研究取得了一定的进展,下面就是目前国内行之有效的中长期表面防腐处理方法的介绍。

1.重防腐油漆层

到目前为止,单一的油漆涂层是很难达到中、长效防腐效果,经研究开发,现在人们将多种重防腐涂料配套组合使用,其中防腐效果较好的有:

(1)环氧富锌漆——环氧沥青厚浆漆

(2)环氧富锌漆——环氧方铁漆——氯化橡胶厚浆漆

环氧富锌底漆是将纯锌粉溶于溶剂、助剂、成膜物质中,它被涂刷至防腐工件上,借助成膜物质成膜固化附着于工件表面。一方面隔绝腐蚀介质浸入钢材而达到防腐效果;另一方面富锌底漆对钢铁基体具有阴极保护作用。中间漆层,无论是环氧沥青底漆,还是环氧方铁漆的作用,一方面是进一步隔绝腐蚀介质浸入,另一方面它对富锌底漆表面裸露的锌粉颗粒具有封闭和固化作用。厚浆漆,这里应用的环氧沥青,氯化橡胶漆,能够形成一定厚度,表面比较致密,坚硬的涂层,它既要有一定的表面机械性能,更要有一定的抵抗外界环境能力。非金属油漆涂层,虽然对钢铁构件起到一定的防腐作用,但其成膜物质为有机构,随着时间延长,环境的千变万化,有机构终究要老化,影响防腐寿命,一般情况下,用多种油漆配套使用的重防腐涂层,可以对钢铁构件进行中等年限的防腐保护。

在防腐处理以前必须对钢结构表面除锈,可以采用喷砂、喷丸或人工除锈,在施工前按规定的比例称量配比、混合搅匀,按规定时间进行熟化后进行施工。主要用于钢结构的重防腐涂装体系作长效通用底漆,也可用作镀锌件的防锈漆。施工时气温宜在10~35℃之间,雨、雾、雪天不宜施工涂刷。

2.热浸锌

热浸锌也是一种阴极保护涂层,它是将待镀锌的工件浸入熔融金属镀锌槽中进行镀覆过程。从而在镀短工件表面形成纯镀层和次表面的锌合金化镀层。该防腐方法可以形成涂层的厚度一般为30~50um,最厚可达85um,可以在一般环境下实现对钢铁构件进行8~10年的有效保护,若对热浸锌表面再进行刷漆,这种复合层厚度可达10~15年。热浸锌的主要优缺点可以概述如下:(1)热浸锌涂层较致密,能有效阻碍腐蚀介质浸入基体,实现对钢铁的阴极保护,其耐蚀寿命较防腐油漆寿命长,但远比电弧喷涂复合涂层短。这主要是受锌层厚度决定的,因金属均匀腐蚀与涂层厚度成正比。 (2)热浸锌工艺一次投资费用较高,需建立相应厂房,前处理设备,镀锌锅槽(熔炉)以及相应的起吊设备等,对于大型工件,相应的熔炉要建得更大,一次性投资达百万元以上,而且对于流动作业极不方便。(3)热浸锌有关遗留问题:热浸锌是将工件浸入到大约450-650℃的熔融锌妒中约数分钟,甚至更长时间,这样镀锌后的工件要发生变形,需要矫正处理。另外,热浸锌镀层如因特殊原因局部工件没有浸镀上,或者由于机械损伤,则无法用热浸镀进行修补。

热浸锌工艺复杂,热浸锌前需对工件表面除油,除锈和润湿处理,即在洁净的工件表面涂上一层氯化铵溶液,以增加热浸锌镀层的结合力,同时若需要热浸锌复合涂层,还需对热浸锌涂层进行磷化处理,以增加油漆的附着力,这样显得热浸锌工序繁多,施工起来很复杂,但在除油、除锈、润湿、热浸锌、磷化、刷漆的几道工序中。任何一道工序稍有疏忽都不可能达到有效的热浸锌复合防腐涂层质量。

热浸锌主要是用在低层钢结构(轻钢龙骨结构)上,厚度比较厚的钢构件受尺寸的影响不能采用该工艺。

3.玻璃钢防腐层

玻璃钢材料通常由不饱和聚酯树酪、玻璃纤维、过氧化物、低收缩添加剂、特殊材料等构成,具有防静电、阻燃、耐腐蚀等特性,但强度低、刚性差,不可取代钢材作为受力构件,只能被用作防腐材料。由于玻璃钢材料的耐温性和气候环境适应性较差,服务年限一般为10—20年。

4.热喷涂长效防腐

对于要求长效防腐涂层,目前国外公认采用热喷涂复合涂层防腐,它在世界发达国家各种防腐技术所占比例极大。热喷涂是一项金属表面强化、保护的新技术,它利用“火焰”、“电弧”等热源,将各种金属、合金、陶瓷、金属瓷、塑料及复合材料加热至熔化或半熔融状态,以一定流速,喷向预先处理过的物体表面,形成结合牢固的保护层。这种保护层具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等特性,能使构件满足不同环境要求。锌、铝在大气的腐蚀仅为钢铁的1/30,附着在钢铁表面的锌、铝还能对钢结构进行阴极保护,因而热喷涂锌、铝对钢构件防腐具有独特的效果,是钢构件长效防腐的主要措施。热喷涂铝在大气中与热喷涂锌相比,喷铝的耐腐蚀性更好,而且具有极好的经济效益。

与常用的有机涂层防腐相比,钢结构件采用喷锌、喷铝涂层防腐具有以下特点:(1)防护期长:喷锌、喷铝防腐涂层使用寿命一般可达20—30年,最长有效期已达60年之久;而有机涂层的防护期一般为3—5年,我国一些采用有机涂层的沿海码头钢柱,只使用1—2年就需维修;(2)喷涂层与基体的结合强度比有机漆膜高;(3)喷铝涂层可在900℃高温下抗氧化,喷锌涂层亦可承受450℃高温;(4)喷锌、喷铝涂层不存在老化问题;(5)耐磨、耐冲刷、抗擦伤性好;(6)施工周期短。

与热浸镀锌工艺相比较,钢结构采用喷锌、喷铝或复合涂层,具有以下特点:(1)不受热浸槽本身尺寸的限制,设计方便灵活,施工也更为方便;(2)被喷涂工件不变形,确保了工件自身精度和安装精度;热浸镀锌工件会产生相应的变形,其校正工作困难,甚至会使工件报废;(3)热喷涂层厚度均匀可控,热浸镀锌的镀层厚度不匀;(4)喷涂与基材结合力好;热浸镀锌工艺因酸洗和中和不净等原因会造成镀层翘皮或漏镀现象。(5)在有条件的地方可以现场施工,减少了构件运输中造成的损伤,且节约了时间与费用。

在热喷涂技术中主要采用的是电弧喷涂技术,它比氧气-乙炔气喷具有较高的涂层结合力,较高的喷涂生产效率,能喷涂较厚的喷涂层,主要特点如下:(1)先进的电弧喷涂设备。它具有平直的伏安特性,与过去交流电源或具有陡降特性的直流电源相比,电弧喷涂具有自调节性能,保证了电弧燃烧稳定、送丝速度与电流的最佳配合,较低的电弧喷涂电压,从而决定了电弧喷涂有较高的喷涂质量和较高的喷涂生产效率。(2)喷涂质量。电弧本身燃烧温度高,微熔颗粒携带大量热能撞击到工件表面并迅速铺展,出现冶金、机械结合,大大提高电弧涂层的孔隙率和结合力,以及抗冲击和弯曲性能。 (3)电弧喷涂成本。电弧喷涂长效防腐技术经过不断开发研究,将耐蚀寿命和电弧喷涂价格综合考虑,它是中、长效防腐方法中比较经济的一种。就目前来说,价格约85元/m2,基本与热浸锌(不含刷油)和玻璃钢相当。

热喷铝(锌)工艺一般采用:喷砂或喷九处理-热喷铝-封闭处理。为使喷铝层勺基体金属结合强度较高。常采用喷砂痰喷九处理工件表面,用钢丝刷清理的表面其结合力较喷砂、喷九降低1/2。工件经喷砂处理的友面要达到均匀毛糙,形同霜状金属色,不允许出现光亮表面、锈迹和污迹。热喷铝时,氧气压力0.4~0.5MPa,乙炔压力0.04~0.05Mpa,干燥空气压力0.5~0.6MPa,进丝速度1.7—2.1m/S,喷涂厚度视环境需要而定,一般在80~300um。前后两次的喷徐层应纵横相交,喷涂角75°~90°。喷嘴到工件距离90~150 mm。    封闭处理即把喷涂层的孔隙封死、防止喷涂层因电化学作用而溶解,还由于涂层的吸附作用使附着力提高。封闭剂或涂料要根据使用环境及要求来选用。第一层封闭时应选择低粘度并与铝(锌)层结合力强的封闭剂。

国内外喷锌、喷铝进行钢结构防腐,主要用于以下领域:(1)型材金属结构件,如钢结构桥梁、输电铁塔等;(2)板材钢结构件:包括石油储油罐、化工反应塔清洗塔、各种水闸等;(3)管材金属构件:包括石油输送管道、水管、矿井排水管等;(4)棒材金肩构件:如钢桅杆、悬案镁、强力螺栓等。

5.无机涂层

这里指的无机涂层是由我国发明的能在常温下固化适用大型钢构件防护的无机磷酸盐锌(铝)涂层。依靠单纯起屏蔽作用的涂层,不能有效地阻止腐蚀的发生,一旦水和氧通过漆层的孔隙(各种高分子聚合物都有孔隙)进入金属表面,锈蚀就发生。采用电化学保护的方法,也就是阴极保护法。通过外加电流或牺牲性阳极,使被保护的金属成为阴极而得到保护。但是在大气环境中,由于腐蚀介质(水膜)的不连续,不能形成回路,无法应用普通电化学保护方法。只有采用具备牺牲性阳极功能的涂层,才能达到同样阴极保护的目的。无机涂层同时兼备阴极保护、屏蔽、缓蚀三大功能,又不会老化,是钢铁构件在大气环境中最佳的长效防护方法。

无机涂层具有以下优点:(1)该涂层防护寿命比其他涂层长得多,50um厚的涂层,做盐雾试验长达一万多小时不发生锈蚀,在大气中可以保护钢铁不锈蚀达50年以上。(2)涂覆工艺简便,喷、刷、滚均可以,涂层能很快自干。 (3)涂层成本较低,涂覆50u m厚的磷酸盐富锌涂层,1公斤涂料可涂4m2,每平方米消耗的涂料价格约8元,而涂覆曾通油漆(厚度为150um~200um)的涂料价格与此相当,实际上50um厚的磷酸盐富锌涂层的防腐蚀性能远远超过200um厚的普通油漆。同样面积的热喷锌(铝)的价格是磷酸富锌涂层的8倍以上。(4)以该涂层为底涂层,可以根据需要涂覆各种颜色的面漆达到装饰效果,并提高防护性能,面漆的厚度30um就足够。(5)采用该涂层后由于涂层不会老化又无锈蚀,因而能大幅度降低住宅维修费用。在长期使用中,如果表面的面漆老化褪色或脱落了,但底涂层仍然完好,只需补涂面漆就行,非常简便。 (6)可以和防火涂料配套使用,可以在已涂覆磷酸盐富锌涂层后,直接涂覆防火涂层。目前市场上提供的防火涂料自身不具备防腐蚀功能,需要先涂防锈底漆,才能涂防火涂料。如果底漆因腐蚀鼓泡脱落,会将防火涂层一同剥离,丧失防火功能,因此只有防腐蚀的底涂层防护可靠,才能保证防火层的可靠性。

在防腐处理中,涂前处理简便,只要将钢件表面的锈蚀除去即可涂装。该涂料还可溶解除去钢件表面已有的轻微浮锈。该涂层可以实现钢结构在工厂流水作业线上涂装。经涂覆涂层的钢件可以搬运,可在现场组装或焊接,涂层破损处很容易涂补,这是其他涂层难以办到的。

通过上述对表面防腐技术的对比分析,我们可以发现每种防腐方法都有自己的长处和不足。相比之下,热喷涂技术(尤其是电弧喷涂技术)和无机涂层技术在防腐领域具有较多的优越性,它们都可以为钢结构住宅提供长效防护,无机涂层相对于热喷涂来说它的经济效果更好。因此我建议在低层和多层钢结构住宅中钢结构防腐处理可以采用无机涂层技术这项新技术。

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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