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| 钢结构腐蚀防护技术及其发展 |
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[ 2006-10-16 10:15:10 | By: 洪乃丰 ] |
钢结构腐蚀防护技术及发展
（在《钢结构腐蚀防护》会议上的主题发言）
洪乃丰
（中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会 北京 100088）
摘要：世界和我国的钢结构正在迅速发展中，其腐蚀防护是与使用寿命紧密相连的常用防腐蚀技术有很多种类，其中涂层防护占据重要地位。钢结构防护技术的创新和发展、防护效能与耐久性、综合经济等的统一、优化，是至关重要的。
关键词：钢结构 腐蚀 防护 耐久性 经济
TECHNIQUE AND DEVELOPMENT OF CORROSION PROTECTION FOR STEEL STRUCTURE
Hong Naifeng
(Construction Committee of CSCP Beijing 100088)
Abstract: The steel structure is rapid development, That life is correlation to corrosion protection. The kind of protection technique have a great may, The coat take up weightily degree. Protection, durability and economy must regard in particular.
Key: steel structure corrosion protection durability economy
1． 我国钢结构建设进入最快发展时期
钢结构具有重量轻、高强、抗震好、环保、节能、便于工厂化规模生产、安装便利、建筑周期短等突出特点，自二十世纪末，在国内外均得到迅速发展。
不久前，在世界十多个国家的大型钢铁企业会议上，全球建筑用钢市场的发展成为关注的焦点之一。会议预测，在2010年前，全世界建筑业将迎来一个新的发展期。今后几年内，世界对建筑钢材的需求量将快速增长，建筑用钢材将按10％左右的速度增长。值得注意的是，会议把中国建筑用钢材的消费增长，看成是一股对世界建筑市场的重要拉动力量，确认美国、日本和中国将排列在全球建筑市场的前三位。
据中国钢铁工业协会统计，2005年我国钢产量将突破3亿吨，连续十年是世界产量第一大国。而我国建筑用钢仍然是第一大户（包括混凝土结构用钢筋）。当前，世界土木工程建设的半数以上在中国大地上进行，除钢筋混凝土结构外，我国钢结构建筑业也进入最快、最好的发展时期。近年来，我国高层、超高层标志性钢结构建筑和大跨度钢结构建筑发展迅猛，北京奥运会馆和上海世博会会场建设，多座大型跨江、跨海大桥的兴建等，都是前所未有的事例。
建筑用钢主要包括钢结构用钢、桥梁用钢、道路用钢等。作为建筑钢结构，应该包括承力结构系统用钢（钢梁、钢柱等）和构件和维护系统用钢。钢结构可分为高层钢结构、重型工业厂房（钢铁、电力、造船、汽车、机械制造厂房等）、空间结构（机场楼、体育馆、展会中心、大剧院、博物馆等）、轻型钢结构（厂房、仓库、交易市场等）、钢－混组合结构（桥梁、高层建筑等）以及钢结构住宅等。
我国钢结构业发展极为迅速，钢结构构企业总数已发展到上千家。特别是我国钢结构存在很大的发展空间。据悉，美国、日本等发达国家，钢结构用钢量已占到钢产量的30％以上，而我国钢结构用钢目前占5%（预计2010年可达10%）。这样的对比，一方面显示了我国与世界技术先进国家的差距，另一方面，也显示了我国钢结构发展的巨大潜力和良好前景。
钢结构的发展，离不开防腐蚀技术的配合。特别是结构的耐久性已成为当今世界的关注
的重大课题。从某种意义上说，钢结构的防护技术，是保证结构使用和耐久性的关键条件。
2．腐蚀防护与钢结构的耐久性
钢结构的耐久性，可以理解为在环境作用下结构保持基本功能所能持续的时间。这是由主体（钢结构）与客体（环境）两个方面决定的。对于不同类型的钢结构，保持基本功能所能持续时间要求是不一样的（比如20年、30年、50年乃至100年不等）；而环境也是复杂、多变的。按照国际标准（ＩＳＯ９２２３），将大气腐蚀分为5级，表1列出了碳钢在不同腐蚀等级的环境中暴置1年的腐蚀率。
表1 碳钢在不同腐蚀等级的环境中暴置1年的腐蚀率
腐蚀符号 腐蚀性说明 碳钢腐蚀率（μm/a）
C1 腐蚀性很低 ＜1.3
C2 腐蚀性低 1.3-25
C3 腐蚀性中等 25-50
C4 腐蚀性高 50-80
C5 腐蚀性很高 80-200
表1中，钢腐蚀速率是用钢表面每年平均减薄表示的。但实际中，钢表面腐蚀大多不是均匀腐蚀的。特别在污染环境、酸雨、含氯盐的条件下，大多是不均匀腐蚀（局部腐蚀、坑蚀等），有时坑蚀深度可能是平均腐蚀深度的数倍（如3-6倍）。
钢铁在大气中，其表面生成的氧化物（铁锈），通常是不致密的，不仅不能起到保护作用，还能够吸湿和吸收污染物，从而加速钢铁机体的腐蚀。因此，钢铁在大气中，一般是需要额外防护的。特别是C3以上的腐蚀环境而又要求较长的使用年限的钢结构，必须采取相应的防腐蚀措施。表2是关于大气环境与腐蚀性的进一步描述
表2外部环境与腐蚀
环境分类 腐蚀程度 典型场所
C3 中等 低二氧化硫、酸、盐污染的乡村与城市
C4 高 中等二氧化硫污染的城市和工业区以及低盐度的海岸
C5 C5I 很高 高湿度、强腐蚀的工业区
C5M 高盐度的海岸、海面区
近些年来，我国大型基础设施，也大量采用钢结构，如跨江、跨海桥梁，要求50、100年的使用寿命，其腐蚀防护的要求，也更加凸现出来。
鉴于用作钢结构的一般钢材，在有腐蚀性的环境中，依靠自身不能达到耐久的要求，因此，在钢结构耐久性的考虑中，防护措施成为必要条件。只重视结构的力学性能而忽视有效的防护，或者选择防护措施不当，不仅不能达到耐久的目的，还会造成巨大经济损失。据称，世界上每年被腐蚀破坏掉的钢材占全球钢年产量的1/10，全球每年因为钢结构腐蚀造成的经济损失可达7000亿美元。我国正值钢结构大发展时期，钢结构的腐蚀与耐久性值得高度重视（图1是腐蚀破坏的照片）。鉴于腐蚀防护是保证耐久性的必要条件，钢结构防腐蚀技术的应用与发展，更应占据特殊重要的地位。
图1 钢结构腐蚀破坏（google 图片）
3． 用于钢结构的主要防腐蚀技术及其进展
钢结构腐蚀是一个电化学过程。电化学腐蚀电池的形成至少需要以下条件：
——在钢结构表面不同区域之间（宏观、微观）存在电位差；
——钢结构表面接触湿气、水、酸雨、含盐分雾、液等；
——钢结构表面接触大气、特别是氧气。
对于裸露的钢结构，以上条件是实际存在的，涂层覆盖不全或破坏，也能够实现腐蚀过程的条件。对钢结构防腐蚀，从本质上讲，就是要设法杜绝电化学腐蚀过程所依赖的上述条件。
3.1．最大限度地降低金属表面宏观、微观差异——耐蚀钢
虽然全世界当前的钢结构主要应用的还是碳钢（结构钢），由于普通碳钢自身的耐蚀性差，发展耐蚀性高的钢种，一直是人们追求的目标。近年来更成为研究、开发的热点之一。
“耐蚀钢”是一个统称，包括高性能耐蚀钢，（如不锈钢）和中等程度的耐蚀钢。不锈钢虽好，但由于资源、价格等因素，大量应用于主体结构，在未来很长的时期内，都是困难的（仅部分使用于附属、围护结构与装饰）。因此，介于碳钢与不锈钢之间的不同程度、不同用途的耐蚀钢，成为发展的方向之一。
美国研究出一些新品种，近期报道，美国西北大学联合开发出一种高强、耐蚀钢，旨在代替现用高强度钢。日本注重研究开发低合金耐蚀钢，由松岛教授主编的《低合金耐蚀钢的开发、发展及研究》一书业已出版，重点叙述了耐侯钢、耐海水钢等新钢种的性能和用和进化提高耐蚀性的机理——最大限度地降低金属表面宏观、微观差异。我国耐侯钢、耐海水钢等方面的研究、开发也在迅速发展中。
耐侯钢一般以Cu-P系为基础如（09CuPCrNi， 09CuPTiRe-A）等。少量的铜、磷等元素的加入，可明显提高抗大气腐蚀的能力，成本提高的幅度不太大，因此是有发展、应用前景的。在轻腐蚀的气候条件下，这类耐候钢可以裸露使用；在重腐蚀条件下可与涂料配套使用。使用耐候钢可以减少防腐涂料的用量、减少污染、节约成本。目前国内一些大型厂房、商务楼与基础设施的建筑钢结构中，已经部分使用了耐候钢。铁路、航运部门也有新的耐候钢的应用事例。
另外，针对海洋钢结构，国内外都在研究开发和使用海洋用耐蚀钢种（实际是耐氯离子腐蚀的钢种）。
研制、开发新型耐蚀钢种的传统思路是走“合金化”的路线，即通过“合金化”改变钢表面的微观、宏观结构，以降低或消除发生电化学腐蚀的可能性。然而。还有另一条相反的思路——最大限度地减少钢中的“杂质”、消除表面差异，从而提高钢的耐蚀能力。据悉，国内已经有研究者，在此方面取得了长足的进展。
3.2最大限度地隔绝腐蚀环境——涂层防护
钢结构（包括附件、零部件）所需要的表面涂层涵盖众多内容，可能包括电镀、浸镀、化学转化层等金属层，而更广泛使用的是有机、无机类涂覆层和金属浸、喷层。涂层。在腐蚀防护的整体领域内，采用涂层防护是最重要和量面广的技术。用Uhlig防法统计腐蚀成本，在国际、国内的计算中，表面工程与涂层两项可占到总成本的80%以上，而建筑业是涂料应用的第一大户，目前的钢结构，90%以上的防腐蚀策略，是选用涂层防护。在此方面，技术的新发展和创新性突破都是具有重大意义的。发展趋势和主要关键，是在“高效能”和“无（低）公害”方面，同时也要求能源、资源和价格等方面相适应性。
用于钢结构的涂层、涂料在国内外已经形成庞大的行业、产业，品种不下数百种。然而，时代发展，呼唤“高性能”品种。其中“耐久性”和“环境友好”成为主要期望和要求。以我国的桥梁防护为例，我国公路桥梁已达33万座，要求百年寿命的跨江、跨海特大型桥已有数百座。这些钢结构桥梁，涂层防护都是最重要的技术选择；以北京奥运场馆，其中大多为钢结构，这是国家重要标志性建筑，在环保和耐久性方面的要求都是很高的。
面对我国钢结构建筑的快速发展，提高结构的耐久性成为焦点。就涂层而言，能够自身具有30-50年寿命、环境友好的涂层，将是研究者、涂层业界人士努力探求的目标。此外，防火、防腐涂料的有效整合、共促共进，实现“一体化”的目标，也是世人的愿望和探求的方向。
其实，涂层不能或不完全起到隔绝外界腐蚀环境与介质的作用，涂层向“复合体”发展。
除力图隔绝环境外，它还应具有改变微观环境（如缓蚀剂）、阴极保护等总合功能，在此基础上还要考虑的颜色、美感等。
作为环保要求，钢结构涂料的发展，应该最大限度地减少、消除挥发性物质（如有机溶剂等），杜绝使用有害物质（如铬、铅等）。因此，粉末涂层、无溶剂涂层、水剂涂层等得到迅速发展与应用。
作为耐久性要求，是与结构功能、种类、使用环境等紧密相关的。国内外设计规范已经有相关设计、使用年限的规定。对于50年以上要求的钢结构，涂层自身寿命就成为关键性技术指标。
较为长效的钢结构涂层防护体系，最主要的有两大类：
——浸、喷金属层（锌、铝、合金、不锈钢等）
钢表面热浸锌是最广泛应用，钢结构用板材、线材和小型构建，都可以采用此方法。而喷金属（火焰、电弧等）则可用于现场，不仅可以喷单一金属，而且可以喷合金、乃至不锈钢等。随着热喷材料和工艺的进展，热喷涂技术得到更迅速的发展与使用。现在已经发展到可以进行叠加喷涂，比如，先喷一层锌作为底层，再喷锌铝合金，或者先喷锌铝合金，再喷不锈钢作为面层等。
为提高涂层防护效能，在浸、喷金属层的表面，有时还需要涂覆有机涂层（环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯等）。良好的热喷材料与工艺技术，可达到30年或更长的保护效果。
——以富锌类为基底的复合涂层系
国外资料报道，无机富锌涂料对环境影响小，其耐蚀、耐久性均优于环氧富锌涂料，因此得到更快的发展。据美国家航空-航天总署（NASA）报告，在各类富锌涂料中，耐腐蚀性能最佳的为无机富锌涂料，它在海洋大气条件下的使用寿命至少为25年。按美国公路联合会（AASHTO）的试验标准，无机富锌涂料可以通过5000小时以上的盐雾试验检验。当然，环氧富锌涂料也有较好的性能和仍在广泛使用。
与富锌涂料相匹配的中层、面层涂料，有环氧树脂类、聚氨酯类、氟碳类等，这对发挥富锌涂料的功能及其耐久性，也是很重要的因素。在良好匹配、精心施工的情况下，富锌涂料体系也可望达到30年的使用寿命。
新型涂层不断出现，不如，一种具有金属特征（有自由电子）的非金属物质，可以作为钢结构底层涂料，能更有效地提高耐久性。
涂层的施工工艺（包括表面处理），是十分重要的。涂装技术的创新、突破，也是钢结构防护发展的重要方面（本暂不详述）。
3.3电化学防护技术——阴极保护
大气环境下的钢结构使用阴极保护技术者不多，而处于地下、水中的钢结构部分（如钢桩、海洋平台等），经常采用或必须采用阴极保护技术（大多与涂层相结合）。按照电化学腐蚀原理，处于腐蚀电池的“阳极”是受腐蚀者，而“阴极”则不腐蚀。如果使钢结构处于阴极状态，则可实现不腐蚀（被保护）的目的。可用“外加电流”或“牺牲阳极”两种方法，使被保护的钢结构处于阴极状态。阴极保护技术已经是一项常规性应用技术，其新的发展主要是阳极材料、辅助电极的创新和检测评价技术的创新等方面。
4．腐蚀检测、防护技术有效性评估与全寿命经济分析
钢结构的腐蚀与防护技术的应用与发展，需要科学方法的创新。一方面需要试验室技术、设备、仪器、方法的创新，另一方面更需要现场实测技术、设备、仪器、方法的创新。在此基础上的腐蚀评估、寿命预测，已经成为当今世界的热点，也是我国迫切需要赶超世界先进水平的重要方面。
对于钢结构及其环境实施腐蚀检测、评估、寿命预测，其重要性是不言而喻的。对新建筑的设计者，是关键的参数依据，而对已经建成、使用的结构，则是保证寿命、安全和及时实施维护措施的依据。特别是重要建筑、百年工程，必须做到“安全长寿”，依靠的就是检测、评估、寿命预测的可靠性；重要基础设施（如跨海桥），如何保证百年寿命，也必须在设计阶段、建设过程中、使用维护中，随时进行腐蚀检测与评估，在此基础上选择有效防护措施或补救措施。只有对钢结构本体和防护措施的有效性，实施有效的预测和监控，才可能达到耐久性和安全使用的目的。
检测与评估技术我国与先进国家有明显差距，也是国际发展的热点之一，一方面取得了可喜进展，另一方面，此领域内，还存在许多难点。特别是新建结构的寿命预测与已有结构的有效监控方面目，其检测方法、评估方法、寿命预测方法（模型），正成为研究的焦点问题。 “方法”、“模型”的核心价值在于其可靠性、实用性。国内外以往的经验表明，这方面的创新必须最大限度地结合实际、以大量数据为基础。仅仅依靠“假设”或很少的数据制定的“方法”或“模型”，是没有多大实用价值的，甚至是有害的。
钢结构的腐蚀与防护技术有其系统性、完整性、整体性（关于防腐蚀施工部分本文暂未涉及），实际中的腐蚀防护问题可能是复杂的、多因素、综合性的，并由不同部门、各类人员共同完成。包括腐蚀环境评估、设计、选材、施工、管理、维护等众多环节，需要整体性系统控制。通过系统控制的创新（也包括法规、技术规范等），提高整体水平和防腐蚀能力，这可能与管理科学有关，确是十分重要的。
钢结构的防护不仅仅是技术问题，还有一个重要方面就是经济因素。“不惜工本”的做法固然不可取，而为节省初建投资而减少防护费用、降低防护等级的做法，可能是更不经济和带来更大后患。
以基础工程为目标的“全寿命经济分析法”，首先在美国创立与推行，世界已经有20多个国家执行，在钢结构寿命保障和防腐蚀措施的选择方面也已采用。它既是一项法律，又是一个方法，其核心是“在保证寿命的前提下，总花费最少”。而工程项目的总花费包括初建费和寿命期内的进一步费用（维护、修复等）。
比如，一项处于腐蚀环境中的钢结构工程，要求使用寿命70年。以保证寿命为前提可能有许多防护策略的选择：全部采用不锈钢、选用耐蚀钢加涂层、选用常规用钢加高等级涂层等。从技术上也许以上选择都能满足要求，然而怎样实现经济合理、在整个寿命期内花钱最少？这也是核心问题。只求“初建省钱”是“短期行为”的表现，应该由“在保证寿命的前提下，总花费最少”的思想和策略所取代。初期未能采取适当防护措施或措施不当，后期可能花费更大、麻烦更多，这在国内外已经有不少经验教训了。
前期采取合理的防护措施，就可以省掉后期的大量花费（维护、修复、重建等），总花费是节省的。因此，采用“全寿命经济分析法”，对国家的长远利益是意义重大的。当然“全寿命经济分析法”中许多技术问题需要解决与创新。况且，国家不同、条件不同，不便于“生搬硬套”。在此方法，一些国家都有创新性发展，我国也在努力开拓之中。
我国国务院已经颁布政府令，要求对重大工程保证其使用寿命（钢结构也不例外）。这就需要从技术和经济两个方面，以可操作的系统控制，对设计、施工、维护、管理等全过程进行监控，以达到保证寿命的目的。腐蚀控制、寿命与经济分析的结合，对我国基础设施建设、钢结构的发展，具有特别重要的意义。
参考文献
1. Environmentally Acceptable Materials for Corrosion Protection of Steel Bridges, Publication No. FHWA-RD-91-060, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
2．Evaluation of Volatile-Organic-Compound (VOC)-Compatible High Solids Coating Systems for Steel Bridges, Publication No. FHWA-RD-91-054, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
3． BS 7543: Guide to durability of buildings and building elements, products and components
4． Performance of Alternative Coatings in the Environment (PACE), Vol. I (Publication No. FHWA-RD-89-127) Federal Highway Administration, Washington, D.C.
5． Effect of Surface Contaminants on Coating Life, Publication No. FHWA-RD-91-011, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
6．李金桂 《腐蚀控制设计手册》 化学工业出版社 2006.3
7．洪乃丰 《基础设施腐蚀防护和耐久性 问与答》 化学工业出版社 2003.8
8．刘 新 《钢结构防腐蚀和防火涂装》 化学工业出版社 2004.11
9．初世宪 《工程防腐蚀指南》 化学工业出版社 2005.11
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