建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)與設(shè)計(jì)

建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)與設(shè)計(jì)

0建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐的技術(shù)規(guī)程和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在廣泛使用建筑鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的腐敗問(wèn)題尤其突出（圖1和圖2），其腐敗現(xiàn)象越來(lái)越受到重視。我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)長(zhǎng)期以來(lái)一直延用的《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50046—2008)中的防腐蝕措施,已不完全適應(yīng)目前建筑鋼結(jié)構(gòu)既要防腐蝕又要有良好裝飾性的使用要求,有必要制定一個(gè)能夠指導(dǎo)建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和圍護(hù)的技術(shù)性規(guī)范。按照住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《2009年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂、修訂計(jì)劃》的通知(建標(biāo)88號(hào))的要求,在河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》(DBJ41/T095—2009)的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上,由河南省第一建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司會(huì)同8個(gè)單位共同編制完成了國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T251—2011)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)?！兑?guī)程》自2012年3月1日起實(shí)施?！兑?guī)程》由正文、附錄和條文說(shuō)明三部分組成,共有7章及5個(gè)附錄。正文包括總則、術(shù)語(yǔ)和符號(hào)、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、安全、衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)、維護(hù)管理。1設(shè)計(jì)和使用遵守規(guī)則本文介紹《規(guī)程》有關(guān)的防腐蝕機(jī)理和在建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)中的使用原則、方法和步驟。1.1建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和有蝕《規(guī)程》在1.0.2條規(guī)定“本規(guī)程適用于大氣環(huán)境中的新建建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和維護(hù)?！备g介質(zhì)按存在形態(tài)分為氣態(tài)介質(zhì)、液態(tài)介質(zhì)和固態(tài)介質(zhì),相應(yīng)的腐蝕類型分別為氣態(tài)腐蝕、液態(tài)腐蝕和固態(tài)腐蝕。建筑鋼結(jié)構(gòu)大部分是應(yīng)用于地面上、大氣環(huán)境中的房屋,也有用于水面建筑的水下鋼柱和地面建筑物土中的鋼樁。由于對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)液態(tài)腐蝕、固態(tài)腐蝕的研究還不夠充分,積累的數(shù)據(jù)有限,還不足以支持可靠的、科學(xué)的技術(shù)規(guī)定。因而,《規(guī)程》對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的液態(tài)腐蝕和固態(tài)腐蝕未做詳細(xì)的規(guī)定,只是要求“當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)可能與液態(tài)腐蝕性物質(zhì)或固態(tài)腐蝕性物質(zhì)接觸時(shí),應(yīng)采取隔離措施。”另外,建筑鋼結(jié)構(gòu)一旦建成,其構(gòu)造缺陷就不易改變,比如:加勁肋沒(méi)有按規(guī)定切角、磨光頂緊,雙角鋼組合水平倒T形截面積塵、積水等。所以,《規(guī)程》沒(méi)有規(guī)定適用于建筑鋼結(jié)構(gòu)的改建。1.2一般規(guī)定1.2.1腐蝕環(huán)境判定法建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)中,確定腐蝕性等級(jí)是首要的基礎(chǔ)性工作。腐蝕性等級(jí)決定了受力構(gòu)件的形式、鋼結(jié)構(gòu)單面腐蝕裕量的厚度、防腐蝕保護(hù)層的保護(hù)效率和最小厚度等。《規(guī)程》3.1.2條給出了大氣環(huán)境對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期作用下的腐蝕性等級(jí)判定表(表1)。表1提供了兩種腐蝕性等級(jí)判定法:實(shí)際腐蝕速率判定法和腐蝕環(huán)境判定法。一般情況下使用腐蝕環(huán)境判定法確定腐蝕性等級(jí)。有條件時(shí),可同時(shí)用兩種判定法共同確定腐蝕性等級(jí);當(dāng)兩種判定法有出入時(shí),應(yīng)取腐蝕性等級(jí)較高的結(jié)果作為防腐蝕設(shè)計(jì)的依據(jù)。(1)實(shí)際腐蝕速率判定法表1中的腐蝕速率是指碳鋼在不同大氣環(huán)境下暴露第一年的腐蝕速率。這種方法適用于Ⅴ,Ⅵ級(jí)腐蝕速率的實(shí)際測(cè)定,低于0.20mm/a的腐蝕速率,很難用測(cè)量工具計(jì)量試件的腐蝕厚度,只能通過(guò)試件除銹后的重量損失/(容重×表面積)的商來(lái)確定。實(shí)際腐蝕速率判定法具有針對(duì)性,可信度高。要以當(dāng)?shù)亟陙?lái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),或至少歷時(shí)一年的實(shí)際試驗(yàn)為依據(jù)。(2)腐蝕環(huán)境判定法這種方法理應(yīng)根據(jù)大氣環(huán)境氣體類型、年平均環(huán)境相對(duì)濕度來(lái)劃分腐蝕性等級(jí)。由于大氣環(huán)境氣體類型要依據(jù)大氣中二氧化碳、二氧化硫、氟化氫、硫化氫、氮的氧化物、氯、氯化氫等6種或7種腐蝕性物質(zhì)的含量來(lái)判定,目前環(huán)保部門還不能提供建設(shè)區(qū)域的這些腐蝕性物質(zhì)含量的全部資料,設(shè)計(jì)單位又不具備測(cè)量這些數(shù)據(jù)的設(shè)備,致使按大氣環(huán)境氣體類型精確地做腐蝕環(huán)境判定不夠方便。然而,按大氣環(huán)境對(duì)腐蝕環(huán)境做宏觀判定卻簡(jiǎn)便得多。就腐蝕環(huán)境而言,大氣環(huán)境分為鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣、海洋大氣。建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)中,一旦確定了大氣環(huán)境,再結(jié)合年平均環(huán)境相對(duì)濕度,就可做出腐蝕性等級(jí)判定。在確定大氣環(huán)境時(shí),應(yīng)考慮所在區(qū)域的發(fā)展和特點(diǎn)。目前為鄉(xiāng)村,近期可能變?yōu)槌菂^(qū)的,應(yīng)按城市大氣選取;近期可能變?yōu)楣I(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)的,應(yīng)按工業(yè)大氣選取。處于鄉(xiāng)村的高速公路收費(fèi)站,雖在鄉(xiāng)村,但通過(guò)的汽車數(shù)量大,并且發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài),汽車尾氣產(chǎn)生的二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、氮的氧化物濃度高,應(yīng)按城市大氣選取。遠(yuǎn)郊的機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓,同樣由于汽車數(shù)量大,加上飛機(jī)的尾氣,二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、氮的氧化物濃度高,也應(yīng)按城市大氣選取。年平均環(huán)境相對(duì)濕度的取值分室內(nèi)和室外。室內(nèi),按實(shí)際工況(例如:立體倉(cāng)庫(kù)、冷庫(kù)、游泳館、溫室、紡織車間、肉類加工廠等)取年平均相對(duì)濕度;室外,取《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB50178—93)附表2.1-3全國(guó)主要城鎮(zhèn)氣候參數(shù)表(三)最熱月相對(duì)濕度與最冷月相對(duì)濕度的平均值。1.2.2雙角鋼結(jié)構(gòu)的截面腐蝕裕量(1)腐蝕裕量的概念與計(jì)算《規(guī)程》所述的腐蝕裕量是指設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí),考慮使用期內(nèi)可能產(chǎn)生的腐蝕損耗而增加的相應(yīng)厚度。《規(guī)程》3.1.5條規(guī)定“設(shè)計(jì)使用年限不小于25年、環(huán)境腐蝕性等級(jí)大于Ⅳ級(jí)且使用期間不能重新涂裝的鋼結(jié)構(gòu)部位,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)母g裕量?！睉?yīng)注意,不是所有的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都要預(yù)留腐蝕裕量,只是那些設(shè)計(jì)使用年限不小于25年、處于中腐蝕環(huán)境以上、使用期間不能重新涂裝的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。并且,腐蝕裕量要適當(dāng),不宜過(guò)厚。一般單面腐蝕裕量不應(yīng)大于構(gòu)件結(jié)構(gòu)計(jì)算厚度的1/4。鋼結(jié)構(gòu)的單面腐蝕裕量可按下式計(jì)算:式中:Δδ為鋼結(jié)構(gòu)單面腐蝕裕量/mm;K為鋼結(jié)構(gòu)單面平均腐蝕速率/mm/a,碳鋼單面平均腐蝕速率可按表1取值,也可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定;P為保護(hù)效率/%,在防腐蝕保護(hù)層的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi),保護(hù)效率可按表2取值;tl為防腐蝕保護(hù)層的設(shè)計(jì)使用年限/a;t為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限/a。以概率的觀點(diǎn),P代表保護(hù)概率,則1-P代表失效概率。因而,式(1)的物理意義是防腐蝕保護(hù)層失效時(shí)間與防腐蝕保護(hù)層設(shè)計(jì)使用年限低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的時(shí)間之和,這期間鋼結(jié)構(gòu)的單面腐蝕量。式(1)經(jīng)簡(jiǎn)化整理后得出下式:式(2)的物理意義是防腐蝕保護(hù)層有效設(shè)計(jì)使用年限低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限期間鋼結(jié)構(gòu)的單面腐蝕量。顯然,在計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量時(shí),式(2)更簡(jiǎn)便。(2)與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的關(guān)系《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)第8.9.1條規(guī)定“除有特殊需要外,設(shè)計(jì)中一般不應(yīng)考慮銹蝕而加大鋼材截面的厚度?！钡珱](méi)有完全禁止因防銹而加大鋼材截面的厚度。其第8.9.2條“設(shè)計(jì)使用年限大于或等于25年的建筑物,對(duì)使用期間不能重新油漆的結(jié)構(gòu)部位應(yīng)采取特殊的防銹措施?！奔让鞔_了8.9.1條“特殊需要”的部分內(nèi)容,又允許“采取特殊的防銹措施?！睆钠?.9.2條的條文說(shuō)明“所謂采取特殊的防銹措施是指:在作防銹考慮時(shí),應(yīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式,減少零部件的數(shù)量,選用抗銹能力強(qiáng)的截面,即截面面積與周長(zhǎng)之比值較大的形式,如用封閉截面等,避免采用雙角鋼組成的T形截面,此外,亦可選擇抗銹能力強(qiáng)的鋼材或針對(duì)侵蝕性介質(zhì)的性質(zhì)選用相應(yīng)的質(zhì)量高的油漆或其他有效涂料,必要時(shí)也可適當(dāng)加厚截面的厚度?！笨梢?jiàn),加大構(gòu)件的截面厚度,是鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕不得已時(shí)采取的措施。1.2.3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)面為鋼板組合、混凝土網(wǎng)架面,保證基礎(chǔ)頂面在大氣腐蝕環(huán)境下,建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取必要的防腐蝕構(gòu)造措施。防腐蝕構(gòu)造措施的基本原則是:有利于提高結(jié)構(gòu)自身的抗腐蝕能力,能有效避免腐蝕介質(zhì)在構(gòu)件表面的積聚,方便防護(hù)層施工和使用過(guò)程中的維護(hù)、檢查。為提高結(jié)構(gòu)自身的抗腐蝕能力,建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用實(shí)腹式、端部封閉的閉口截面。在腐蝕性等級(jí)Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ級(jí)的環(huán)境中,柱、主梁、桁架等重要的受力構(gòu)件不應(yīng)采用格構(gòu)式構(gòu)件和冷彎薄壁型鋼,桿件截面不應(yīng)采用由雙角鋼組成的T形截面和由雙槽鋼組成的工字形截面。構(gòu)件截面應(yīng)滿足最小厚度限值要求:鋼板組合截面不小于6mm,角鋼截面不小于5mm,閉口截面不小于4mm。盡量采用成品型鋼;采用鋼板組合或型鋼組合截面時(shí),應(yīng)采用雙面連續(xù)焊縫,使焊縫的正反面完全密閉。角焊縫的焊角尺寸不應(yīng)小于8mm;當(dāng)桿件厚度小于8mm時(shí),焊角尺寸不應(yīng)小于桿件厚度。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)宜采用管形桿件、球形節(jié)點(diǎn),避免采用角鋼桿件、鋼板節(jié)點(diǎn);在腐蝕性等級(jí)Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ級(jí)的環(huán)境中,應(yīng)采用焊接空心球節(jié)點(diǎn),避免采用螺栓球節(jié)點(diǎn)。焊條、螺栓、墊圈、節(jié)點(diǎn)板等連接零部件的耐腐蝕性能,不應(yīng)低于主體材料。螺栓直徑不應(yīng)小于12mm。為避免縫隙腐蝕,不應(yīng)采用彈簧墊圈,而應(yīng)采用雙螺帽防松緊定。不同金屬材料接觸部位,應(yīng)采取絕緣隔離措施,避免電化學(xué)腐蝕?？紤]到摩擦傳力是高強(qiáng)螺栓連接傳力的重要組成部分,構(gòu)件高強(qiáng)螺栓連接處的接觸面除銹等級(jí)不應(yīng)低于Sa21/2,此時(shí)Q235鋼構(gòu)件對(duì)應(yīng)的摩擦面抗滑移系數(shù)μ=0.45;當(dāng)不計(jì)較摩擦傳力時(shí),可在接觸面除銹后涂無(wú)機(jī)富鋅涂料,則μ=0.35。在腐蝕性等級(jí)Ⅵ級(jí)的環(huán)境中,重要的構(gòu)件宜選用耐大氣腐蝕的耐候鋼。為避免腐蝕介質(zhì)在構(gòu)件表面的積聚,鋼構(gòu)件不宜采用倒T形、開(kāi)口向上的槽形截面。加勁肋應(yīng)切角,避免形成集塵積水的死角。鋼柱腳應(yīng)置于混凝土基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)頂面宜高出地面300mm。為方便防護(hù)層施工和使用過(guò)程中的維護(hù)、檢查,構(gòu)件之間、構(gòu)件與連接件間要有適當(dāng)?shù)膬艟?以適應(yīng)除銹、涂裝、熱噴涂工具的作業(yè)空間需要。現(xiàn)場(chǎng)連接螺栓,宜設(shè)在構(gòu)件的側(cè)面,避免設(shè)在頂面、底面。屋面、外墻面應(yīng)預(yù)留拉環(huán)、吊鉤,以便檢修設(shè)備的臨時(shí)固定,確保維護(hù)人員的人身安全。1.3降低防腐涂層的種類表面處理是鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝重要的基礎(chǔ)性工作。表面處理得當(dāng),防腐保護(hù)層才能長(zhǎng)久、牢固地附著于構(gòu)件表面;否則,防腐保護(hù)層僅能短暫地虛浮在構(gòu)件表面,很快會(huì)脫落,喪失防腐功能。因此,防腐蝕設(shè)計(jì)文件應(yīng)提出表面處理的質(zhì)量要求,應(yīng)對(duì)表面除銹等級(jí)做出明確規(guī)定。1.3.1除銹方法分類除銹等級(jí)是表示涂裝前鋼材表面銹層等附著物清除程度的分級(jí)。其表示方法由代表除銹方法的英文字母和代表清除程度的阿拉伯?dāng)?shù)字組合構(gòu)成(無(wú)數(shù)字表示清除程度不分級(jí))。除銹有3種方法,分7個(gè)除銹等級(jí)。除銹方法為:火焰除銹(FI)、噴射或拋射除銹(Sa)、手工和動(dòng)力工具除銹(St)。就表面除銹的效果而言,火焰除銹最佳,噴射或拋射除銹徹底,手工和動(dòng)力工具除銹一般。除銹等級(jí)分為:FI火焰除銹、Sa1輕度的噴射或拋射除銹、Sa2徹底的噴射或拋射除銹、Sa21/2非常徹底的噴射或拋射除銹、Sa3使鋼材表面潔凈的噴射或拋射除銹、St2徹底的手工和動(dòng)力工具除銹、St3非常徹底的手工和動(dòng)力工具除銹。1.3.2不同底涂料堅(jiān)持長(zhǎng)期視野和粗糙度對(duì)其固定外壓力的影響涂層與基體金屬的結(jié)合力主要依靠涂料極性基團(tuán)與金屬表面極性分子之間的相互吸引。因而對(duì)于不同的底涂料、所需的使用年限,應(yīng)有針對(duì)性地選用合適的除銹等級(jí)。圖3列出了幾種底涂料耐用年限與除銹等級(jí)的關(guān)系曲線。不同涂料表面最低除銹等級(jí)見(jiàn)《規(guī)程》表3.2.4。對(duì)于新建工程中重要構(gòu)件的除銹等級(jí)不應(yīng)低于Sa2ue6e6ue6f1。鋼材表面的粗糙度對(duì)涂層的附著力有比較重要的影響。粗糙度增加,可顯著加大金屬的表面積,從而提高涂膜的附著力。一定的粗糙度也有利于提高金屬熱噴涂層與鋼材的機(jī)械結(jié)合力。但粗糙度過(guò)大也有不利影響,當(dāng)涂料層厚度不足時(shí),輪廓峰頂常會(huì)成為早期腐蝕的起點(diǎn)。因此,一般情況下表面粗糙度不宜超過(guò)涂裝系統(tǒng)總干膜厚度的1/3。1.4涂層防護(hù)1.4.1中間層涂料、混凝土材料的配合使用涂層一般由油性漆、樹(shù)脂漆形成的漆膜,粉末、顆粒形成的微粒膜構(gòu)成,其主要功能是防護(hù)、裝飾,特殊的具有防腐蝕、絕熱、防潮、電絕緣、防輻射等功能。在鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕中,主要關(guān)注的是涂層的防腐蝕性能,即涂層通過(guò)漆膜和微粒膜隔絕、阻止空氣中的腐蝕介質(zhì)與鋼材表面接觸并且發(fā)揮中和腐蝕介質(zhì)的效能。成膜物質(zhì)的性質(zhì)、配比不同,決定了涂層的適用環(huán)境、適用基材和防腐蝕壽命,決定了涂層在涂裝系統(tǒng)中適合做底層、中間層還是面層的用途。因此,涂層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循下列原則:(1)按照涂層配套進(jìn)行設(shè)計(jì)。不同的底層涂料只適用于特定的一些中間層涂料和面層涂料,這是涂料的相容性決定的配套使用要求。涂裝系統(tǒng)一般都應(yīng)有底層和面層,是否有中間層與采用的涂料品種、施工工藝有關(guān)。底層的主要作用是與基材的結(jié)合,面層主要側(cè)重裝飾和特殊功能,中間層的功能是底層和面層性能的平滑過(guò)渡。一般面層的價(jià)格較高,在同樣使用年限里,有中間層的涂裝系統(tǒng)比沒(méi)有中間層的涂裝系統(tǒng)要經(jīng)濟(jì)。涂層設(shè)計(jì)要按照涂裝材料的相容性,標(biāo)明底層、中間層、面層,合理配套。(2)滿足腐蝕環(huán)境、工況條件和防腐蝕年限的要求。每種涂裝材料都有其特性,適用于黑色金屬的不一定適用于有色金屬;防潮的不一定耐高溫;材料、厚度一樣的涂裝系統(tǒng),在甲環(huán)境中可使用10年,在乙環(huán)境中只能使用2年。故而,涂層設(shè)計(jì)要因地制宜,選用合適的品種,滿足使用要求。(3)綜合考慮底涂層與基材的適應(yīng)性,涂料各層之間的相容性和適應(yīng)性,涂料品種與施工方法的適應(yīng)性。同為酚醛底漆,鐵紅純酚醛底漆只適用于黑色金屬,鋅黃純酚醛底漆只能用于鋁鎂合金等輕金屬,而鍶鈣黃純酚醛底漆既可以用于黑色金屬、又可以用于輕金屬,這是底涂層顏料的化學(xué)和物理性質(zhì)決定的適應(yīng)性。一般面涂層與底涂層宜采用同一品種成膜物質(zhì)的涂料,例如醇酸磁漆的配套品種是醇酸底漆、醇酸膩?zhàn)?、油性膩?zhàn)?底漆和面漆相容,不會(huì)產(chǎn)生咬底現(xiàn)象;再如氯磺化聚乙烯防腐涂料為芳烴類強(qiáng)溶劑涂料,對(duì)多種涂料的涂膜有溶解、溶脹作用,在與其他種類涂料配套使用時(shí),若沒(méi)有工程配套使用的成功經(jīng)驗(yàn),應(yīng)做相容性試驗(yàn)。但烘干的鐵紅醇酸底漆也可作為硝基漆的底漆,二者之間相互適應(yīng)。施工時(shí)醇酸磁漆噴涂、刷涂均可;而醇酸無(wú)光磁漆,只能噴涂,不能刷涂。在不具備噴涂條件的場(chǎng)合,除非能夠容忍刷涂形成的明顯刷痕,否則不應(yīng)選用醇酸無(wú)光磁漆作面漆。1.4.2結(jié)構(gòu)防腐保護(hù)厚度建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)層的厚度應(yīng)根據(jù)防護(hù)層使用年限、構(gòu)件所處環(huán)境的腐蝕性等級(jí)確定。顯而易見(jiàn),需要防護(hù)年限越長(zhǎng),防護(hù)層就要越厚;所處環(huán)境腐蝕性等級(jí)越高,防腐層也越厚。室外工程的涂裝厚度應(yīng)大于室內(nèi)。建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)層的厚度應(yīng)滿足表3的最小厚度要求。從表3可以看出,一次防腐涂裝的總厚度適當(dāng)大一些比較合理。以設(shè)計(jì)使用年限30年、在腐蝕性等級(jí)Ⅳ級(jí)的中等腐蝕環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)為例,按防護(hù)層使用年限10年,防腐保護(hù)層最小厚度200μm,30年內(nèi)要涂裝3次,累計(jì)涂裝厚度600μm;按防護(hù)層使用年限15年,防腐保護(hù)層最小厚度240μm,30年內(nèi)要涂裝2次,累計(jì)涂裝厚度480μm。前者比后者累計(jì)涂裝厚度大120μm,還多1次腳手架搭拆等施工費(fèi)用、多1次對(duì)正常使用的干擾。從經(jīng)濟(jì)上、管理上、使用上,一次防腐涂裝的總厚度適當(dāng)大一些顯然合理。1.4.3防腐材料的選擇涂層配套是指在涂裝系統(tǒng)中,底層、中間層、面層各用什么材料,每層做幾遍。配套使用是涂裝系統(tǒng)的基本技術(shù)要求。涂裝材料品種繁多,每種材料各有特性,這種特性決定了相對(duì)應(yīng)的使用條件。例如各種樹(shù)脂涂料所用的溶劑各不相同,與其他樹(shù)脂涂料的混溶性有嚴(yán)格的選擇。因此,不同類型的涂裝材料不能隨意混合使用,只有配套使用才能發(fā)揮涂裝的防護(hù)、裝飾作用。否則,性能降低,質(zhì)量無(wú)法保證,甚至損傷基材。規(guī)定涂裝中每層材料做幾遍,實(shí)質(zhì)是控制每遍的成膜厚度。一遍做得厚了,液體涂層會(huì)起皺、立面流墜,粉末、顆粒涂層會(huì)脫落。防腐涂裝同一配套中的底層、中間層和面層材料應(yīng)該有良好的相容性。由于各層涂裝材料的作用不同,各個(gè)廠家同類產(chǎn)品的成分配比也有所差別。如果一個(gè)涂裝系統(tǒng)采用不同廠家的產(chǎn)品,配套性能難以保證。因此,防腐涂裝系統(tǒng)宜選用同一廠家的產(chǎn)品。涂裝配套不僅是涂裝材料物理、化學(xué)性能的分析試驗(yàn)結(jié)果,也是長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在選用新產(chǎn)品時(shí),不僅要參考廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù),還應(yīng)進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)和小范圍工程試用。建筑鋼結(jié)構(gòu)常用防腐蝕保護(hù)層配套,可以按《規(guī)程》附錄B選用。1.5金屬涂層的制備金屬熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂固體金屬加熱至溶化或半溶化狀態(tài),借助高速氣流的霧化作用使其形成微細(xì)熔粒,并且以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面形成金屬涂層的方法。金屬熱噴涂按熱噴材料的不同,分為噴鋅、噴鋁、噴銅、噴青銅、噴不銹鋼、噴鋁鎂合金、噴鋅鋁合金、噴鎳、噴鉬等;按熱噴工藝的不同,分為燃燒法的火焰噴涂、爆炸噴涂和電加熱法的電弧噴涂、等離子噴涂、激光噴涂、線爆噴涂。在建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐中,金屬熱噴涂主要使用的是噴鋁和噴鋅,使用的熱噴工藝主要是線材火焰噴涂和線材電弧噴涂。1.5.1金屬熱噴涂技術(shù)金屬熱噴涂技術(shù),自1910年由瑞士工學(xué)博士M.U.Schoop發(fā)明以來(lái),在世界范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)、冶金、能源、水工、船舶、石化、機(jī)械、生物、國(guó)防、交通運(yùn)輸、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用。1952年,對(duì)淮南電廠從田家庵到蚌埠的246座35kVA輸電鐵塔進(jìn)行噴鋅防護(hù),涂層至今(2006年)完好,這是國(guó)內(nèi)熱噴涂長(zhǎng)效防護(hù)工程最典型的應(yīng)用實(shí)例。盡管金屬熱噴涂層使用壽命長(zhǎng),長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益好,但金屬熱噴涂作業(yè)速度慢,施工標(biāo)準(zhǔn)高,初投資相對(duì)較高,因而并不普遍適用于所有環(huán)境和工程。只有處在中腐蝕以上環(huán)境中的重要工程才有必要采用金屬熱噴涂。所以《規(guī)程》3.4.1條規(guī)定“在腐蝕性等級(jí)為Ⅳ,Ⅴ或Ⅵ級(jí)腐蝕環(huán)境類型中的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕宜采用金屬熱噴涂。”如果工程很重要,為了有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命,并且經(jīng)費(fèi)允許,腐蝕性等級(jí)Ⅲ級(jí)以下環(huán)境,鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕也可采用金屬熱噴涂。1.5.2鋁和鋅的復(fù)合涂層為了滿足防腐蝕年限要求,并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)科學(xué)合理地選擇熱噴金屬。金屬熱噴涂層與被保護(hù)的鋼材之間會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),只有對(duì)鐵呈現(xiàn)陽(yáng)極性的金屬才能用于鋼材的防腐蝕。熱噴青銅、銅、不銹鋼只有在弱腐蝕環(huán)境下才能作為美觀的裝飾層使用。在陽(yáng)極性金屬鉻、鋅、鋁中,鉻的價(jià)格是鋁的5倍,成本太高,并有毒,所以只有鋅和鋁是理想的工程結(jié)構(gòu)熱噴金屬。鋅作為一種傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層,在大氣中具有良好的防腐蝕性能,但比起鋁來(lái)稍有遜色(表4)。鋁的抗腐蝕性很強(qiáng),尤其是對(duì)氧的親和力極強(qiáng),在大氣中常溫下易與氧反應(yīng)形成致密堅(jiān)固的氧化膜(Al2O3)。這層氧化膜阻止鋁的繼續(xù)氧化,而且氧化膜的穩(wěn)定性較高,可以一直延伸到pH值為2.5處,即使在SO2污染的城市和工業(yè)大氣中,氧化膜也具有保護(hù)作用。另外,鋁的電極電位-1.660V比鋅電極電位-0.762V更低,因此鋁涂層對(duì)鋼鐵具有比鋅更好的陰極保護(hù)作用。從鋅和鋁在不同環(huán)境介質(zhì)下的腐蝕速率來(lái)講,鋁的年腐蝕率低于鋅。從價(jià)格成本講,由于鋁比鋅輕,雖然鋁材(17000元/t)比鋅材(15000元/t)貴15%左右,但就單位面積相同厚度的兩種涂層而言,它們價(jià)格的差別很小?？偠灾?如果沒(méi)有特殊要求,金屬熱噴選用鋁應(yīng)當(dāng)是最理想、科學(xué)、合理的選擇。1.5.3金屬熱噴涂復(fù)合系統(tǒng)封閉處理是使用滲透性強(qiáng)、不加顏料的液態(tài)有機(jī)封閉劑,涂刷在金屬熱噴涂層表面上,使封閉劑滲入金屬顆粒之間,最大限度地排除熱噴涂層內(nèi)部氣孔中的氣體,并使熱噴涂層表面的氣孔封閉。封閉處理是金屬熱噴涂后續(xù)的重要防腐工序。金屬熱噴涂層是由高速碰撞沉積的扁平金屬顆粒堆積而成的多孔層狀結(jié)構(gòu),其中含有少量的氧化物和氣孔(圖4),孔隙率10%~15%(表5)。熱噴涂層的氣孔有些是封閉孔,有些是貫通孔。貫通孔會(huì)吸附大氣中的水蒸氣(H2O)、氧(O2)和二氧化碳(CO2)等腐蝕介質(zhì)。水是一種弱電解質(zhì),極易與基材金屬形成化學(xué)電池,產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕;水中的氧還會(huì)與金屬發(fā)生輕微的氧化腐蝕?？諝庵械难醭趸饔猛?還能明顯加速局部的陰極反應(yīng),源源不斷的氧氣供應(yīng)使極化作用持續(xù)進(jìn)行,致使陰極型腐蝕不斷延續(xù)。腐蝕介質(zhì)更是金屬腐蝕的主力。可見(jiàn),金屬熱噴涂層表面若不封閉處理,勢(shì)必降低涂層的防腐效率。對(duì)金屬熱噴涂層來(lái)說(shuō),封閉處理很必要,可使熱噴涂層的防腐壽命顯著提高。荷蘭進(jìn)行的研究表明,復(fù)合系統(tǒng)的耐久性比單獨(dú)的熱噴涂層、封閉層的耐久性的總和高出50%~130%。這種效應(yīng)稱之為“最佳協(xié)同作用(Synergy-effect)”。用涂料封閉金屬熱噴涂層,增加成本不多,卻大幅降低金屬涂層的腐蝕,明顯提高它的保護(hù)壽命。1.5.4金屬熱噴涂技術(shù)金屬熱噴涂層的工藝是否得當(dāng),決定了其本身質(zhì)量的優(yōu)劣和保護(hù)年限的長(zhǎng)短。金屬熱噴涂層與基材鋼鐵的結(jié)合力由機(jī)械結(jié)合力、物理結(jié)合力、冶金-化學(xué)結(jié)合力三部分組成,其中以機(jī)械結(jié)合力為主。機(jī)械結(jié)合力是熱噴涂金屬顆粒撞擊基材表面產(chǎn)生變形、鑲嵌、填補(bǔ)、咬合在基材表面上,與基材形成的機(jī)械錨固作用力。機(jī)械結(jié)合力要求基材表面有一定的粗糙度。物理結(jié)合力、冶金-化學(xué)結(jié)合力要求基材表面潔凈,電極電位值小,能夠滿足分子、原子間結(jié)合、元素相互擴(kuò)散的條件。表面預(yù)處理,可使基材具有必要的粗糙度、金屬外露、電極電位值降低、電化性能增強(qiáng)、表面活性加大,有利于提高熱噴涂層與基材的結(jié)合力。封閉劑的主要功能是封閉金屬熱噴涂層的孔隙,但它本身卻不耐久,需要用耐腐蝕、硬度高、耐摩擦、耐紫外線等功能的面涂層加以覆蓋。綜上所述,推薦的金屬熱噴涂做法為:1)表面噴砂預(yù)處理,除銹等級(jí)達(dá)到Sa3以上為好;2)金屬熱噴涂層;3)封閉層;4)表面功能性涂裝層。1.6建筑結(jié)構(gòu)形式《規(guī)程》中建議的建筑鋼結(jié)構(gòu)主要防腐蝕技術(shù)有涂層防護(hù)、金屬熱噴涂、預(yù)留腐蝕裕量三種,這遠(yuǎn)不是建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)的全部。當(dāng)腐蝕性等級(jí)為Ⅵ級(jí)時(shí),重要的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以選用耐候鋼。建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展到今天,可供選擇的結(jié)構(gòu)形式眾多。一些腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境,鋼結(jié)構(gòu)并不具有全面優(yōu)勢(shì),明智的設(shè)計(jì)者會(huì)選擇成熟的鋼管混凝土結(jié)構(gòu),探討使用鋁合金結(jié)構(gòu)、碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼結(jié)構(gòu)。1.7防火層的設(shè)計(jì)易腐蝕、不耐火是鋼結(jié)構(gòu)的兩大缺陷。對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu),腐蝕是時(shí)刻都在緩慢發(fā)生的常態(tài)事件,火災(zāi)卻是隨時(shí)可能發(fā)生的偶然事件。盡管防腐蝕和防火同樣重要,但在構(gòu)件的防護(hù)做法上,通常是先做防腐層,再做防火層。在設(shè)計(jì)專業(yè)分工上,建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕由結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé),防火由建筑專業(yè)負(fù)責(zé)。注意到防腐涂層與防火涂層之間必須相容,結(jié)構(gòu)、建筑專業(yè)之間要認(rèn)真協(xié)商涂層配套問(wèn)題。在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)構(gòu)工程師不僅要考慮防火涂料的重量,還要了解防火涂料是膨脹型還是非膨脹型、是溶劑型還是乳液型或是水溶液型。特別要注意溶劑型防火涂料,避免與防腐涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成溶蝕“咬起”。要關(guān)注膨脹型防火涂料是否為松散填料,是否會(huì)聚集空氣中的水蒸氣,從而溶解環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)形成酸、堿液體,加速腐蝕鋼材。不相容的涂層,應(yīng)避免使用。使用會(huì)富集水分的防火涂料時(shí),防腐涂層要防潮、防滲。2示例2.1示例1鄭州新鄭機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓,設(shè)計(jì)使用壽命50年,鋼結(jié)構(gòu)采用B604膨脹型乳液防火涂料。要求按可靠、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)。2.1.1預(yù)防構(gòu)造材料配套(1)確定腐蝕性等級(jí)新鄭機(jī)場(chǎng)距鄭州50km。查《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB50178—93)附錄二附表2.1-3,鄭州的相對(duì)濕度最熱月76%,最冷月60%,年平均相對(duì)濕度=(76%+60%)/2=68%。取新鄭機(jī)場(chǎng)的年平均相對(duì)濕度為68%。新鄭機(jī)場(chǎng)四周鄉(xiāng)村環(huán)繞,但汽車流量大,大氣環(huán)境按城市大氣考慮。按年平均相對(duì)濕度68%、城市大氣,查《規(guī)程》表3.1.2,腐蝕性等級(jí)為Ⅲ級(jí)、輕腐蝕。(2)確定防腐蝕保護(hù)層最小厚度dmin按腐蝕性等級(jí)Ⅲ級(jí)、保護(hù)層使用年限15年,查《規(guī)程》表3.3.5,防腐蝕保護(hù)層最小厚度:室內(nèi)dimin=220μm,室外demin=250μm。(3)選擇防腐蝕保護(hù)層配套按輕腐蝕、使用年限>15年,涂層總厚度≥220μm,查《規(guī)程》附錄B表B,室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)層配套選:除銹等級(jí)為St3;底涂層為鐵紅環(huán)氧2道,干膜厚度60μm;中間涂層為環(huán)氧云鐵1道,干膜厚度80μm;面涂層為丙烯酸環(huán)氧3道,干膜厚度100μm。涂層總厚度240μm>dimin。按輕腐蝕、使用年限>15年,涂層總厚度≥250μm,查《規(guī)程》附錄B表B,室外鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)層配套選:除銹等級(jí)為St3;底涂層為鐵紅環(huán)氧2道,干膜厚度60μm;中間涂層為環(huán)氧云鐵2道,干膜厚度120μm;面涂層為丙烯酸環(huán)氧3道,干膜厚度100μm。涂層總厚度280μm>demin。2.1.2室外防腐涂層(1)本工程腐蝕性等級(jí)為Ⅲ級(jí),防腐層設(shè)計(jì)使用年限15年。(2)除銹等級(jí)St3。(3)室內(nèi)防腐涂層:H06-2鐵紅環(huán)氧底漆2道,干膜厚度60μm;H04-80淺灰色環(huán)氧云鐵磁漆1道,干膜厚度80μm;B04-80淺灰色丙烯酸環(huán)氧磁漆3道,干膜厚度100μm。(4)室外防腐涂層:H06-2鐵紅環(huán)氧底漆2道,干膜厚度60μm;H04-80淺灰色環(huán)氧云鐵磁漆2道,干膜厚度120μm;B04-80淺灰色丙烯酸環(huán)氧磁漆3道,干膜厚度100μm。(5)面層以上B604膨脹型乳液防火涂料的厚度、顏色詳見(jiàn)建施圖紙。2