田宇嘯

（中鐵城建集團第一工程有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

由于沿海地區(qū)周圍環(huán)境中氯離子含量高，沿海建筑中鋼結(jié)構(gòu)受腐蝕介質(zhì)的影響，會出現(xiàn)不同形式的腐蝕破壞問題。對于采用建筑碳素鋼制造的鋼結(jié)構(gòu)，在氯離子作用下會發(fā)生加速銹蝕現(xiàn)象、最終導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的穿孔、開裂等現(xiàn)象[1]。銹蝕對鋼結(jié)構(gòu)的耐久使用造成了極大的影響，縮短了建筑的使用壽命，也存在嚴(yán)重的安全隱患[2]。中鐵城建集團在海南三亞承建了國際游艇薈項目，項目位于臨海區(qū)域，其建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐問題突出。因此，本文主要討論海南沿海高鹽大氣環(huán)境中建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護問題，對于水上建筑鋼結(jié)構(gòu)不在本文討論范圍之內(nèi)。

建筑鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕與環(huán)境密切相關(guān)，根據(jù)環(huán)境溫度和濕度可確定某地區(qū)所處的氣候帶和氣候區(qū)。我國大氣環(huán)境的氣候帶分為熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶。氣候區(qū)可劃分為濕熱區(qū)、亞濕區(qū)、亞干燥區(qū)和干燥區(qū)等。南海沿海地區(qū)存在高溫、高濕、高鹽霧、強輻射、風(fēng)力大等特點[3]，屬于典型的熱帶濕熱區(qū)，相對濕度常年在80%以上。研究表明，按照GB/T 19292.1-2018《金屬和合金的腐蝕》的分類，我國三亞沿海地區(qū)的腐蝕級別可達(dá)C4（高）～C5（很高）級[4]。同時，高濕、強輻射也加速了腐蝕過程，強風(fēng)天氣會造成腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的斷裂破壞。

在海南沿海氣氛中，鋼結(jié)構(gòu)表面在高熱高濕環(huán)境下受氯離子腐蝕時，帶有銹層的鋼結(jié)構(gòu)將加速其自身的腐蝕。因此，我國南海沿海地區(qū)的建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐問題引起了重點關(guān)注。國內(nèi)外的沿海建筑實踐表明，只有從材料組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝、防腐技術(shù)等各環(huán)節(jié)考慮鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，才能保證建筑的安全性和降低維護成本[5]。本論文將就相關(guān)問題進行詳細(xì)分析。

1 沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕形式

建筑結(jié)構(gòu)用鋼材基本采用低碳鋼及低合金鋼（Q235、Q345），此類鋼材耐腐蝕性和耐銹蝕性較差，特別是在海南沿海地區(qū)，由于常年受到海風(fēng)、鹽霧多重侵蝕，建筑物、設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)等表面吸附大量鹽分，在冷暖、陰晴交替下，構(gòu)件腐蝕情況更加嚴(yán)重，危及建筑物及設(shè)備的安全運行。沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)常見的腐蝕形式主要包括：

（1）均勻腐蝕。金屬材料在腐蝕介質(zhì)作用下，發(fā)生均勻減薄的腐蝕現(xiàn)象，也稱為全面腐蝕，這是沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)最常見的一種腐蝕形式。可以采用鹽霧試驗、濕熱試驗及其組合試驗對均勻腐蝕性能進行評價。在西沙永興島的戶外暴露試驗表明，其腐蝕速率可以高達(dá)0.1264mm/a[6]，其腐蝕速率是其它地區(qū)的數(shù)倍；

（2）點蝕。點蝕又稱為孔蝕，是在金屬表面小區(qū)域發(fā)生的選擇性腐蝕，并深入到金屬內(nèi)部，一般用點蝕系數(shù)表示點蝕嚴(yán)重程度。點蝕具有特殊的動力學(xué)過程，除了碳鋼外，不銹鋼也易于發(fā)生點蝕。由于點蝕只在局部區(qū)域發(fā)生，向縱深處發(fā)展成腐蝕小孔，孔內(nèi)溶解速度大，表面不易被發(fā)現(xiàn)，沒有明顯的失重現(xiàn)象。同時，點蝕的萌生到擴展之前孕育期長，長達(dá)幾個月到多年，往往被忽視。因此，點蝕是一種隱患較大的腐蝕形態(tài)，對沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)腐蝕破壞造成較大影響；

（3）縫隙腐蝕。當(dāng)金屬部件之間或者金屬與非金屬之間存在特別小的縫隙時，腐蝕介質(zhì)將滲透并滯留在縫隙中，形成對內(nèi)金屬的加速腐蝕過程，稱之為縫隙腐蝕，是一種嚴(yán)重的局部腐蝕形式。在含氯的介質(zhì)中會發(fā)生明顯縫隙腐蝕，當(dāng)氯離子含量大于0.1%時就會引起縫隙腐蝕。如： 國際游艇薈項目屋頂鋼結(jié)構(gòu)的緊固件縫隙中，由于腐蝕液體沉積，造成金屬離子和腐蝕介質(zhì)在縫隙內(nèi)外液體中濃度不均勻，存在電位差并產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，會形成加速腐蝕過程；

（4）應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是一種在殘余應(yīng)力或者工作應(yīng)力作用下，特定腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力共同作用形成的一種加速腐蝕過程。金屬應(yīng)力腐蝕速度與合金的成分、組織、應(yīng)力狀態(tài)等因素相關(guān)。因此，材料敏感性、特定腐蝕介質(zhì)、應(yīng)力被稱為應(yīng)力腐蝕的三要素，存在應(yīng)力門檻值。應(yīng)力腐蝕是一種加速腐蝕過程，其裂紋從萌生到擴展的速度較快，裂紋擴展速度可達(dá)10-6～10-3mm/min，是均勻腐蝕的100萬倍；其造成的破壞非常大，是一種“災(zāi)難性腐蝕”；

（5）腐蝕疲勞。如果作用于鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力為交變載荷，在腐蝕介質(zhì)的作用下會引起抗疲勞性能的降低，這種在交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下的腐蝕過程稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞也需要應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用才能發(fā)生，這一點與應(yīng)力腐蝕相同。但對應(yīng)力腐蝕敏感或不敏感的材料都可能發(fā)生腐蝕疲勞，腐蝕疲勞最后斷裂階段是純機械性的，與介質(zhì)無關(guān)。

從腐蝕機理上分析，沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。上述腐蝕形式既可能是化學(xué)腐蝕，也可能由電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生?；瘜W(xué)腐蝕是金屬與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是在電解介質(zhì)溶液中發(fā)生的腐蝕，在腐蝕過程中有電流生產(chǎn)，沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的電化學(xué)腐蝕破壞較嚴(yán)重。

2 沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與選材

2.1 沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計

針對沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的加速腐蝕特點，結(jié)合國際游艇薈項目屋頂鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，既要滿足基本的腐蝕設(shè)計規(guī)程，又要針對其特點進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括以下方面：

（1）合理選擇腐蝕裕量

按照《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》的要求[7]，需要根據(jù)環(huán)境腐蝕等級進行必要的腐蝕裕量計算，考慮服役期內(nèi)可能產(chǎn)生的腐蝕損耗，適當(dāng)增加鋼結(jié)構(gòu)的厚度。對于環(huán)境腐蝕性等級大于Ⅳ級且使用期間不能重新涂裝的鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)留有適當(dāng)?shù)母g裕量。但在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)留腐蝕裕量時要慎重，要從使用環(huán)境、服役年限、涂裝條件等各方面綜合考慮；預(yù)留腐蝕余量不僅增加鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和制造成本，而且鋼結(jié)構(gòu)加厚會帶來應(yīng)力集中、焊接缺陷等問題。因此，本項目不額外預(yù)留腐蝕裕量；

（2）改善結(jié)構(gòu)設(shè)計、防止腐蝕液體聚集

沿海地區(qū)多雨潮濕，如果建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會造成高鹽腐蝕液體的局部聚集，加速各種腐蝕過程。例如：為了防止縫隙腐蝕，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)避免產(chǎn)生縫隙而形成液體表面沉積條件。因此，國際游艇薈項目在鋼結(jié)構(gòu)時要考慮以下因素：（a）建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用實腹式、端部封閉的閉口截面，防止雨水聚集；（b）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)宜采用管形桿件、球形節(jié)點，避免采用角鋼桿件、鋼板節(jié)點；（c）設(shè)計排水孔防止腐蝕液體局部聚集；（d）工程中鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合處預(yù)留小坡度，避免腐蝕液體聚集或滲入對鋼材進一步腐蝕；（e）焊接比鉚接或螺栓連接要好，可有效減少縫隙腐蝕；（f）鋼構(gòu)件焊縫的焊趾和焊根處要保證平滑過渡，既減少應(yīng)力又防止焊縫處吸潮和聚集雨水；

（3）減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力

建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕破壞是一種加速破壞形式，在沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要給予重視。有效減少鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可大幅減少應(yīng)力腐蝕的破壞速度。結(jié)合國際游艇薈項目屋頂鋼結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力有工作應(yīng)力和附加應(yīng)力（殘余應(yīng)力）兩種。

（a）由于結(jié)構(gòu)自重、承載引起的應(yīng)力

減少承載應(yīng)力需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行優(yōu)化。如：屋頂結(jié)構(gòu)采用BIM技術(shù)提供鋼結(jié)構(gòu)受力分析的計算模型，對整體鋼結(jié)構(gòu)以及節(jié)點、承載單元進行有限元模擬，分析工作應(yīng)力分布情況；對鋼結(jié)構(gòu)受力危險點進行校核，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少工作應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，提高鋼結(jié)構(gòu)承載能力；

（b）由裝配、焊接帶來的附加應(yīng)力

建筑鋼結(jié)構(gòu)大量采用裝配和焊接工藝，產(chǎn)生變形和尺寸偏差，在裝配過程中引起較大的附加應(yīng)力。因此，要通過提高裝配精度、優(yōu)化焊接工藝來控制附加應(yīng)力。采用的工藝措施主要包括：①嚴(yán)格控制工藝，保證組裝部件的精度，如：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)焊接時要防止焊接變形超差；②不得采用強行裝配形式組裝構(gòu)件；③不得隨意增大構(gòu)件和焊縫的厚度，焊縫數(shù)量要少且不宜集中，避免交叉焊縫；

（4）焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

屋頂鋼結(jié)構(gòu)焊縫連接處往往會先于母材發(fā)生腐蝕，這與焊縫的熱過程有關(guān)，焊縫組織、成形質(zhì)量、缺陷都會對腐蝕破壞造成較大影響。目前，我國主要針對鋼結(jié)構(gòu)在均勻腐蝕情況下的設(shè)計給出了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，而對于焊縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化未做明確規(guī)定。本項目采取的主要措施包括但不局限于：（a）合理選擇焊接參數(shù)，不使用過大焊接線能量；（b）優(yōu)化焊接接頭形式，減少應(yīng)力集中；（c）提高焊接質(zhì)量，防止缺陷產(chǎn)生。

2.2 沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的選材

（1）鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇

為了進一步提高沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐性能，需要選擇抗腐蝕性較強的鋼材，其中耐候鋼是最為常見的抗腐蝕鋼材[8]。耐候鋼通過添加合金元素（P，Cu，Ni，Cr 等）在鋼材表層形成保護膜，有效減少鋼材與外部介質(zhì)反應(yīng)，阻絕外界空氣、水分對鋼材的侵蝕。國際上采用耐大氣腐蝕性指標(biāo)（I）來衡量其耐蝕能力，主要與合金元素含量有關(guān)。

我國的耐候鋼有高耐候鋼和焊接耐候鋼兩大類。耐候鋼在使用周期內(nèi)免涂裝，只有發(fā)生嚴(yán)重腐蝕產(chǎn)生剝離時才需維護，適合沿海鋼結(jié)構(gòu)的制造。實驗表明，在腐蝕環(huán)境較惡劣的海南萬寧站，耐候鋼 09CuPCrNi預(yù)測在50年后的腐蝕深度僅為0.3mm。一些不銹鋼材料也被用于沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的制造，來提高防腐性能，但其防腐性能與介質(zhì)有較大關(guān)系，而且使用成本較高。

除此之外，建筑鋼結(jié)構(gòu)在制造、裝配中使用的焊條、螺栓、墊圈、節(jié)點板等連接部件和材料，也要具有良好的耐蝕性能，一般情況下不應(yīng)低于鋼結(jié)構(gòu)主體材料的耐蝕性能。

在上述鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇中，一定要綜合防腐材料實效性及經(jīng)濟性。在保證材料自身防腐性能的基礎(chǔ)上，選擇價格較低的防腐材料。一般情況下，在建筑的局部重要結(jié)構(gòu)和重腐蝕條件下，可以選擇具有良好耐腐蝕性能的鋼結(jié)構(gòu)材料，注重長效成本，保證建筑工程的經(jīng)濟效益及安全效益最優(yōu)化；

（2）鋼結(jié)構(gòu)防腐材料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)防腐材料的選擇也是非常重要的。國際上通常采用ISO12944《防護漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護》[1]，從腐蝕環(huán)境分類、設(shè)計、金屬表面處理、油漆分類、試驗性能、涂裝等方面為防腐材料的選擇和施工提出指導(dǎo)意見。國內(nèi)也建立了對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，如： GB 50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》、JGJ/T 251-2011《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》等。由于不同防腐涂料的大氣耐候性存在差別，所以沿海鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝材料的選擇至關(guān)重要。通過在涂料里添加鋅粉、鋁粉并增加膜厚，或者采用氟碳漆等新材料，可以明顯提高沿海鋼結(jié)構(gòu)的壽命。

3 沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護技術(shù)

沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境對腐蝕防護技術(shù)提出了較高要求，目前主要的防腐技術(shù)包括：防腐涂裝工藝、陰極保護法、熱噴涂鋁復(fù)合涂層、金屬熱擴滲等。

3.1 防腐涂裝工藝

防腐涂裝工藝主要通過在鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝物理隔離層，防止腐蝕介質(zhì)與鋼結(jié)構(gòu)金屬發(fā)生接觸，起到腐蝕防護作用，涂裝前鋼結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量會影響防腐涂層的使用壽命，可通過手工除銹、動力工具除銹、噴射除銹和化學(xué)除銹等方法提高表面質(zhì)量。目前主要的防腐涂裝材料和工藝包括：

（1）環(huán)氧類防腐涂料。以環(huán)氧樹脂為基，加入各種填充涂料、添加劑、助劑和改性劑等，改良環(huán)氧涂料的性質(zhì)，提高附著力、耐蝕性、耐滲透性，滿足海洋建筑的防腐要求；

（2）石墨烯防腐涂料。主要采用復(fù)合石墨烯涂料，改良純石墨烯的防腐特性，能較好適應(yīng)目前海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕環(huán)境；

（3）玻璃鱗片涂料。以樹脂為成膜材料填充玻璃鱗片，耐蝕性、耐候性、抗?jié)B性好；

（4）富鋅防腐蝕涂料。以環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂為基添加鋅粉作為填充物，耐蝕性、附著力優(yōu)異，廣泛應(yīng)用在橋梁、船舶以及大型的沿海鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備上。

建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝層的厚度應(yīng)根據(jù)防護層使用年限、構(gòu)件所處環(huán)境的腐蝕性等級確定。顯而易見，需要的防護年限越長，防護層就要越厚；所處環(huán)境腐蝕性等級越高，防腐層也要加厚。

3.2 陰極保護法

陰極保護法通過保護陽極材料的優(yōu)先腐蝕，從而有效地防止沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)本體的腐蝕，是一種有效的防腐措施。目前，陰極保護技術(shù)主要用于海水全浸區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防腐，包括鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極等，所以本文不重點介紹。

3.3 熱噴涂鋁復(fù)合涂層

熱噴涂技術(shù)是較成熟的表面防腐技術(shù)。主要通過超音速火焰、電弧、等離子體等熱源將防護金屬（如鋁）融化成細(xì)小的液態(tài)顆粒，高速沉積到鋼結(jié)構(gòu)表面上，形成防腐涂層。鋁基涂層具有良好的耐海水腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐。為了進一步提高防腐涂層的致密性，有機介質(zhì)封孔技術(shù)被聯(lián)合使用來進一步提高涂層的防腐性能。熱噴涂的后期維護主要為定期檢查，通過外觀檢查鋼結(jié)構(gòu)表面的剝落、開裂、裂縫等，如有問題可進行適當(dāng)維護。使用表明，熱噴涂防腐年限可達(dá)30 年以上無需較多保養(yǎng)。

3.4 金屬熱擴滲防腐技術(shù)

針對沿海地區(qū)高腐蝕環(huán)境，對鋼結(jié)構(gòu)件進行金屬熱擴滲處理，可以起到長效防腐。研究表明，熱擴滲方式制備的鋅鎳滲層不僅有優(yōu)良的防腐性能，還不降低材料力學(xué)性能，具有良好的抗沖擊性能，保證與混凝土結(jié)合的握裹強度。與傳統(tǒng)的熱浸鋅技術(shù)相比，多元金屬熱擴滲技術(shù)在沿海地區(qū)實際服役效果表明，多元金屬熱擴滲-鋅鎳滲層有優(yōu)于其他表面防護技術(shù)的防腐性能[9]。

4 結(jié)語

綜上所述，針對海南高濕高熱環(huán)境下沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護問題，本文結(jié)合三亞國際游艇薈項目屋頂鋼結(jié)構(gòu)施工，分析了沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕形式和腐蝕機理，從沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與選材上給出了參考依據(jù)和措施，并進一步對比沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護技術(shù)的優(yōu)劣。相關(guān)內(nèi)容對于技術(shù)人員從事沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)參考；通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理選擇材料、有效使用防護技術(shù)，能顯著提升沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐能力。