丁志全，陳紅兵，劉觀(guān)發(fā)，廖振宇，潘長(zhǎng)卿

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，具備良好的塑性變形能力以及沖擊韌性，易于裝配式施工和回收，是一種環(huán)境友好和應(yīng)用廣泛的建筑材料。但長(zhǎng)期以來(lái)鋼材存在腐蝕問(wèn)題，易于在空氣和潮濕環(huán)境下腐蝕，尤其在海洋大氣環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)截面削弱等不利影響，給結(jié)構(gòu)安全埋下重大隱患。鋼材腐蝕嚴(yán)重威脅到了建筑安全，在設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)能提高鋼結(jié)構(gòu)的耐久性。為了滿(mǎn)足沿海地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)要求，本文以欽州大欖坪某集裝箱自動(dòng)化碼頭改造項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)為例，對(duì)港區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目概況

欽州大欖坪某集裝箱自動(dòng)化碼頭改造項(xiàng)目是廣西打造的“千萬(wàn)標(biāo)箱”港口，也是國(guó)際陸海貿(mào)易新通道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要組成部分。該項(xiàng)目位于我國(guó)南方沿海地區(qū)的欽州灣內(nèi)，地處亞洲東南部季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)海洋氣候。該地區(qū)夏季空氣濕潤(rùn)，冬季空氣干燥，并且夏季時(shí)間較長(zhǎng)，冬季氣溫也較高，降雨量豐富。該項(xiàng)目處于中等含鹽量的海邊地區(qū)室外環(huán)境，腐蝕環(huán)境分類(lèi)為C3或C4[1]。項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)單體包括燈塔、冷藏箱架、廠(chǎng)房、通訊塔和閘口等建構(gòu)筑物，材質(zhì)均為普通鋼，主要鋼結(jié)構(gòu)防腐處理表面積約為1.0萬(wàn)m2，見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)建構(gòu)筑物情況

2 鋼結(jié)構(gòu)防腐方法

2.1 耐候鋼

耐候鋼是在普通鋼中添加少量微量元素，在鋼材表面形成一道致密的保護(hù)膜，該保護(hù)膜與鋼結(jié)構(gòu)表面黏附性好，可以阻止大氣中氧氣和水滲入鋼材基體，阻礙銹蝕向內(nèi)擴(kuò)散和發(fā)展，減緩腐蝕速度，使鋼材的耐腐蝕性能大大提高。WANG等[2]采用失重法測(cè)定了海洋環(huán)境中含不同添加微量元素低合金鋼的腐蝕速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加不同微量元素的合金鋼腐蝕速率不同，對(duì)鋼材的耐腐蝕性能有顯著改善。耐候鋼主要用于長(zhǎng)期暴露在腐蝕環(huán)境中的工業(yè)項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)，其性能優(yōu)越、應(yīng)用廣泛，但由于造價(jià)高和施工維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)，對(duì)大面積鋼結(jié)構(gòu)防腐工程而言具有一定局限性。

2.2 熱鍍鋅

熱鍍鋅防腐原理是讓鋼構(gòu)件與鋅液接觸溶解，在鋼材表面形成鐵鋅合金鍍層，起到防腐作用。在熱鍍鋅防腐時(shí)，鍍層中的金屬間化合物鍍層的性能可以通過(guò)在鋅浴中添加不同的合金元素來(lái)改變[3]。熱鍍鋅具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，熱鍍鋅厚度較厚，鋅層厚度約為電鍍鋅的4倍[4]；其次，熱鍍鋅附著能力強(qiáng)，容易覆蓋全部鋼構(gòu)件表面；再次，熱鍍鋅液具有較好的流動(dòng)性，對(duì)于難以處理的防腐死角，熱鍍鋅基本可以全面覆蓋；最后，熱鍍鋅具有較好的耐碰撞性能，即使受到外力碰撞脫落，由于鋅的腐蝕電位低于鋼材，可以犧牲破壞區(qū)域的鋅層來(lái)抵擋腐蝕，從而達(dá)到鋼材防腐目的。但熱鍍鋅也存在一定缺點(diǎn)：有一定的污染性，造價(jià)相對(duì)較高，后續(xù)維護(hù)困難等。

2.3 涂料防腐

目前，防腐涂料產(chǎn)品總的發(fā)展趨勢(shì)需要遵循無(wú)公害、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)高效和節(jié)約能源的原則，其中包括常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料，可應(yīng)用于不同的腐蝕環(huán)境[5]。相比于耐候鋼和熱鍍鋅，油漆防腐具有造價(jià)低、易修復(fù)和施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前在工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)中大量采用。油漆防腐主要內(nèi)容包括防腐涂料不同層組分和防腐涂料防腐期。

2.3.1防腐涂料不同層組分

根據(jù)涂層的不同位置，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層可以分為底漆、中間漆和面漆。其中，底漆要具有耐腐蝕性和屏蔽性，且在基層上附著性較好，常見(jiàn)的底漆有環(huán)氧富鋅漆、聚氨酯漆和醇酸漆等；中間漆應(yīng)具有填充性和修復(fù)底漆作用，其位于底漆與面漆之間，常見(jiàn)的中間漆種類(lèi)有環(huán)氧云鐵中間漆和聚氨酯中間漆等；面漆與外界直接接觸，具有抵抗外界腐蝕和增加建筑美觀(guān)的效果，常見(jiàn)的面漆種類(lèi)有氟碳面漆和丙烯酸聚氨酯面漆等，防腐涂料不同層組分見(jiàn)表2。

表2 防腐涂料不同層組分

2.3.2防腐涂料防腐期

根據(jù)ISO12944，低碳鋼的質(zhì)量和厚度在不同腐蝕環(huán)境下的損失見(jiàn)表3。由表可知，在沒(méi)有防腐措施情況下，鋼材隨著腐蝕環(huán)境變化，厚度損失嚴(yán)重。王承偉等[6]指出針對(duì)海洋腐蝕環(huán)境C3、C4，涂料的預(yù)期使用壽命受涂料體系、鋼材表面處理等級(jí)、涂層厚度、涂裝質(zhì)量和腐蝕環(huán)境等因素影響，見(jiàn)表4。

表3 低碳鋼的質(zhì)量和厚度損失

表4 不同環(huán)境下不同防腐涂層使用壽命

由表4可知：在C3和C4環(huán)境類(lèi)別下，雖然涂料種類(lèi)、涂層厚度相同，但鋼結(jié)構(gòu)表面處理等級(jí)不同，使得涂層具有不同的使用壽命期限；同時(shí)，防腐使用壽命期限的長(zhǎng)短主要受涂層厚度的影響。

2.4 防腐方案選擇

如前文所述，耐候鋼具有造價(jià)高和施工維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)，對(duì)大體量鋼結(jié)構(gòu)防腐工程具有一定局限性。熱鍍鋅主要缺點(diǎn)為有一定的污染性、造價(jià)相對(duì)較高、后續(xù)維護(hù)困難等。涂料防腐能適應(yīng)各類(lèi)腐蝕環(huán)境，具有造價(jià)低、易修復(fù)和施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因此，根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)大面積鋼結(jié)構(gòu)選取涂料防腐方法。

3 涂料防腐設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)流程

涂料防腐設(shè)計(jì)流程的確定，首先應(yīng)根據(jù)構(gòu)件重要程度和腐蝕環(huán)境類(lèi)別確定構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命和設(shè)計(jì)要求等因素；然后選擇防腐涂料涂層工藝、涂層體系和涂層厚度；最后確定防護(hù)方法，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，選出最佳防護(hù)方法。具體涂料防腐設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 涂料防腐設(shè)計(jì)流程

3.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選

不同涂層材料的性能和市場(chǎng)參考價(jià)格見(jiàn)表5；3種不同體系(常規(guī)體系、高性能體系和超高性能體系)對(duì)應(yīng)的涂裝方案見(jiàn)表6；3種方案的防腐施工費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表7，根據(jù)相關(guān)研究[7]，方案1的材料損耗系數(shù)取1.2，方案2、3取1.5；本工程鋼材約有1.0萬(wàn)m2施工面積，計(jì)算節(jié)約的工程費(fèi)用見(jiàn)表8。

表5 涂料性能對(duì)比

表6 涂裝方案

表7 3種方案防腐施工費(fèi)用對(duì)比元/m2

表8 3種方案工程費(fèi)用對(duì)比

本工程主要承重構(gòu)件防腐涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用年限為10 a，以表中各方案10 a的使用壽命對(duì)比，方案2的施工工程費(fèi)最低，相比于方案1節(jié)約工程費(fèi)52.132萬(wàn)元，相比于方案3節(jié)約工程費(fèi)8.437萬(wàn)元；從工程費(fèi)用、防腐效果、施工方便程度以及環(huán)境保護(hù)等方面綜合考慮，本工程最終采用高性能體系方案2。

3.3 防腐涂層方案

本工程主要鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂層設(shè)計(jì)使用年限為10 a。根據(jù)GB/T 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]對(duì)方案2的涂層厚度進(jìn)行細(xì)化，采用了3種不同的涂裝方案，分別為2A、2B和2C，見(jiàn)表9。

表9 防腐涂層方案

在保證達(dá)到防腐年限的前提下，根據(jù)不同構(gòu)件的重要等級(jí)程度選取不同的防腐方案，具有施工簡(jiǎn)單、造價(jià)優(yōu)化和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)港區(qū)工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件部位的重要程度，采用相匹配的防腐方案，見(jiàn)表10。

表10 構(gòu)件防腐方案選用

3.4 防腐涂層施工和維護(hù)

鋼結(jié)構(gòu)表面采用噴砂除銹處理，該處理方法可以將鋼結(jié)構(gòu)表面的銹層和污垢清除，而且可以增加防腐涂料底漆與鋼結(jié)構(gòu)表面的黏聚力，避免防腐涂層因外界物理作用脫落，延長(zhǎng)防腐涂層的使用壽命；然后依次進(jìn)行底漆、中間漆和面漆施工，每一道工序施工結(jié)束后需要進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，驗(yàn)收不合格的不允許進(jìn)行下一道工序；施工結(jié)束后應(yīng)對(duì)完成涂裝的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，特別是近海港區(qū)迎風(fēng)部位，要防止鋼結(jié)構(gòu)涂層表面形成鹽液和結(jié)露；對(duì)后續(xù)施工造成的防腐涂層破壞要及時(shí)修補(bǔ)。通過(guò)后續(xù)施工質(zhì)量檢測(cè)，防腐涂層施工質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從項(xiàng)目完工使用情況來(lái)看，防腐效果良好。

4 結(jié)論

1)相比耐候鋼和熱鍍鋅防腐，油漆防腐具有造價(jià)低、易修復(fù)和施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在港區(qū)工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)大面積防腐中應(yīng)用廣泛。

2)針對(duì)近海港區(qū)環(huán)境，通過(guò)不同防腐涂層工程費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，確定了高性能防腐體系方案，該方案既能保證防腐效果，又能節(jié)約防腐費(fèi)用。

3)針對(duì)港區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件重要程度，選取對(duì)應(yīng)的除銹等級(jí)和涂裝方案，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

4)通過(guò)施工質(zhì)量控制和施工保護(hù)措施能有效地提高防腐涂層施工質(zhì)量，保證涂層設(shè)計(jì)使用壽命和防腐效果。