高速公路配套公建裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防腐關(guān)鍵技術(shù)研究

孫碩科，付素娟，劉國瑋，郭軍鋒

[1.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北省裝配式住宅工程研究中心（籌），河北 石家莊 050227；3.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050227；4.河北省高速公路京雄籌建處，河北 保定 071700]

0 引言

高速公路配套房建工程是高速公路的重要組成部分，提供加油、餐飲、住宿、休閑、汽車修理等全方位服務(wù)[1]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有施工周期短、自重輕、抗震性能優(yōu)、構(gòu)件可回收利用、產(chǎn)業(yè)綜合效益高的特點[2]，符合高速公路配套房建工程的建造要求。目前，已有越來越多的高速公路配套房建工程的結(jié)構(gòu)形式采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行設(shè)計和建造。但裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑若遭到腐蝕，則鋼結(jié)構(gòu)的剛度和承載力會受到不利影響，嚴(yán)重的可導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力消失，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌等安全事故。因此，有必要對鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防腐設(shè)計[3]。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑裝配化程度高，結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件和圍護(hù)構(gòu)件均為工廠加工好的成品構(gòu)件，充分體現(xiàn)了裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化以及多樣化[4]；通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口，采用管線分離的建造理念，部品與部件的產(chǎn)業(yè)化和集成化是裝配式建筑設(shè)計的核心[5]；不同的建造理念導(dǎo)致了其施工上存在些許差異。

目前的鋼結(jié)構(gòu)防腐主要針對傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的建造理念進(jìn)行防腐設(shè)計的研究較少。本文基于現(xiàn)有常用的鋼結(jié)構(gòu)防腐方法，結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建造理念，對節(jié)點螺栓孔處、首層柱腳、外墻節(jié)點連接部位的防腐提出了可行性建議。并結(jié)合較為前沿的防腐技術(shù)，提出了有待工程進(jìn)一步驗證適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的防腐新方法，可提升鋼材防腐性能，對實際裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防腐工程施工提供一定的參考。

1 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕類型

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕類型主要有大氣腐蝕、應(yīng)力腐蝕和局部腐蝕3 種[6]。

1.1 大氣腐蝕

鋼材在潮濕環(huán)境中受到水、氧氣和污染物質(zhì)的影響，發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕作用而引起鋼材銹蝕屬于大氣腐蝕。大氣腐蝕受環(huán)境溫度和濕度的影響較大，通常情況下，高溫高濕的環(huán)境會使得鋼鐵大氣腐蝕速率加快，將嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。大氣腐蝕是最常見的鋼材腐蝕形式，具有覆蓋面廣、破壞性大的特點。

1.2 應(yīng)力腐蝕

拉力作用下，鋼材在腐蝕介質(zhì)中遭到的破壞屬于應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕需要在特殊的腐蝕介質(zhì)中，存在一定的應(yīng)力作用才能發(fā)生，應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，發(fā)生應(yīng)力腐蝕時，鋼材表面的氧化膜遭到破壞，和未發(fā)生破壞的氧化膜會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加速鋼材表面銹蝕。長期處于應(yīng)力腐蝕下的鋼結(jié)構(gòu)，其對于結(jié)構(gòu)的破壞往往具有突發(fā)性和不可預(yù)測性，一旦發(fā)生，后果嚴(yán)重。

1.3 局部腐蝕

鋼結(jié)構(gòu)表面或多或少存在一定的縫隙，例如鋼結(jié)構(gòu)焊縫處、螺栓連接處等位置，該處在雨雪天氣環(huán)境中容易積水而導(dǎo)致發(fā)生鋼材銹蝕稱為局部腐蝕，鋼材中的雜質(zhì)是誘發(fā)局部腐蝕的主要原因。局部腐蝕的區(qū)域會隨著時間的推移，逐漸增大，由點狀像四周擴(kuò)散。

2 鋼結(jié)構(gòu)防腐方法

鋼結(jié)構(gòu)建筑如果未進(jìn)行有效的防腐措施，則使用壽命會大大縮短，因此通常都會對鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防腐設(shè)計。目前鋼結(jié)構(gòu)常用的防腐方法主要包括：熱浸鋅防腐、熱噴鋅鋁復(fù)合涂層防腐、刷油漆防腐及使用耐候鋼材。

2.1 熱浸鋅防腐方法

熱浸鋅防腐方法即在高溫450～600 ℃融化的鋅液中浸泡經(jīng)過無銹處理的鋼材，隨著鋼材表面溫度的上升，其表面會附著一層不同鋅鐵比例的合金層，該合金層表面會形成致密的氧化膜，從而保護(hù)鋼材不易發(fā)生腐蝕。當(dāng)經(jīng)過熱浸鋅防腐方法處理的鋼材表面由于某些原因出現(xiàn)劃痕時，其鋼材表面致密氧化膜遭到破壞，裸露在外的鋼鐵會與空氣接觸，但由于鋅的化學(xué)性質(zhì)活潑，還原性較強，會提供陽離子以抑制鋼鐵的腐蝕，即犧牲陽極的陰極保護(hù)法。

熱浸鋅防腐方法是鋼材防腐較為常用的技術(shù)，防腐效果好，室外鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為普遍，在一般的大氣環(huán)境中，防腐期可以達(dá)到10 年左右。但熱浸鋅防腐工藝受到鍍鋅槽容積的限制，槽內(nèi)所浸鋼材尺寸有限，只適用于尺寸小的鋼構(gòu)件以及輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防腐。

2.2 熱噴鋅、鋁復(fù)合涂層防腐方法

熱噴鋅、鋁復(fù)合涂層防腐方法即鋼材在經(jīng)過打磨等無銹處理方式清潔處理后，將霧化的鋅粒子和鋁粒子噴射在鋼材表面進(jìn)行沉積，然后在其表面噴涂環(huán)氧樹脂來填充噴射粒子之間的毛細(xì)孔，進(jìn)而形成具有防腐效果的復(fù)合保護(hù)涂層。

熱噴鋅、鋁復(fù)合涂層防腐方法不受鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸大小的影響，噴涂方便快捷，復(fù)合防腐涂層通常不會發(fā)生熱變形，且綠色環(huán)保無污染，防腐時間比較長，可用于鋼結(jié)構(gòu)防腐。

2.3 刷油漆防腐方法

刷油漆防腐方法即在經(jīng)過除銹后的鋼材表面使用輥筒或刷子等工具涂刷防腐油漆的技術(shù)，該技術(shù)比熱噴涂技術(shù)成本低，應(yīng)用較為廣泛，隨著涂裝工藝的發(fā)展，重防腐涂裝已漸漸成為主流涂裝工藝，涂刷的油漆涂層可以有效屏蔽外界腐蝕性物質(zhì)的侵染，提高鋼結(jié)構(gòu)的耐久性能，延長其使用壽命。

油漆通常有3 層構(gòu)成：面漆、中間漆和底漆。面漆除了防腐以外，還具有一定的裝飾作用，常用的面漆有丙烯酸磁面漆、丙烯酸聚氨酯面漆以及氟碳面漆；中間漆位于面漆與底漆之間，可以增強面漆與底漆的粘結(jié)力，增加漆膜厚度來增加屏蔽作用，提高其抗腐蝕能力；底漆直接與鋼材表面接觸，漆中可摻加鋅粉，對鋼鐵形成陰極保護(hù)，避免鋼材發(fā)生腐蝕。

2.4 耐候鋼材的選用

普通鋼材在未做防腐處理時，易受腐蝕，而耐候鋼材是在普通鋼材的基礎(chǔ)上加入了磷、銅、鎳等微量元素，其本身具有抵抗腐蝕能力，表面具有致密和附著性強的保護(hù)膜，可以有效阻止腐蝕向鋼材內(nèi)部滲透，減緩鋼材腐蝕的速率，是屬于普通鋼與不銹鋼之間的低合金高強鋼系列，耐候性能是普通鋼的2～8 倍。耐候鋼材的力學(xué)性能基本上與優(yōu)質(zhì)碳素鋼或優(yōu)質(zhì)低合金鋼接近。雖然耐候鋼材價格較普通鋼材要高，但耐候鋼材的選用可有效降低實際鋼結(jié)構(gòu)工程的后期維護(hù)成本。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)防腐

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑相較于普通的鋼結(jié)構(gòu)建筑，裝配程度高，施工現(xiàn)場節(jié)點多采用螺栓進(jìn)行連接，焊接工藝少，現(xiàn)場施工組裝的部分越少，裝配程度就越高。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的墻體一般采用工廠制作或加工好的整體板材，而不使用具有濕作業(yè)的砌筑砌塊建造方式；采用預(yù)制樓板進(jìn)行建造，而不采用現(xiàn)澆方式。

針對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑裝配化程度高的特點，借鑒現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)建筑防腐方法以及現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)建筑易腐蝕的部位，對適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的防腐方法選用給出可行性的合理化建議。

3.1 梁柱節(jié)點部位

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁柱節(jié)點大都采用螺栓進(jìn)行連接，圖1 為梁柱節(jié)點的施工現(xiàn)場照片，梁、柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安裝前已進(jìn)行了防腐處理，但由于螺栓連接部位栓桿處屬于隱蔽部位，存在縫隙，容易發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)局部腐蝕。實際工程中，多因為施工不便等原因，噴涂防腐涂層或防腐漆時，只能對結(jié)構(gòu)表面噴涂，無法對螺栓孔內(nèi)部進(jìn)行防腐處理，雖然外部噴涂防腐材料后，可以保證栓孔內(nèi)部與外界隔絕，對栓孔內(nèi)部有一定的防腐作用，但裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在后續(xù)使用過程中不可避免的會受到荷載的影響，且螺栓連接縫隙處外表面所噴的防腐涂層隨時間老化易產(chǎn)生裂紋，久而久之，該隱蔽部位易發(fā)生不易觀察到的局部腐蝕，從而降低結(jié)構(gòu)的耐久性能，縮短裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命。

因此，對于螺栓孔處，因為待處理面積小，可采用熱鍍鋅防腐方法進(jìn)行局部處理；若裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑采用耐候鋼材進(jìn)行建造，此栓孔處可不必進(jìn)行防腐處理。

螺栓及墊片在出廠前大都進(jìn)行過防腐處理，在施工時，直接使用即可，無需進(jìn)行二次防腐。

梁柱節(jié)點處螺栓連接的防腐處理方法對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑其他螺栓連接部位亦適用。

3.2 柱腳部位

鋼結(jié)構(gòu)柱腳部位由于所處位置與地面接觸部分四周易聚集水分或塵土等雜物，導(dǎo)致該部位極易發(fā)生銹蝕，出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，圖2 為鋼結(jié)構(gòu)柱腳發(fā)生腐蝕的情況。

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)柱腳防腐常規(guī)做法是在鋼柱腳下部包裹強度較低的混凝土，如圖3（a）所示，混凝土高出地面大于150 mm，包裹厚度大于50 mm。該做法需要綁扎鋼筋、支模板、澆筑混凝土，施工較復(fù)雜，濕作業(yè)多；室內(nèi)設(shè)備或管線等不能貼著柱子進(jìn)行設(shè)置，影響室內(nèi)美觀效果，不符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建造特點。

由于柱腳部位易發(fā)生腐蝕，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)柱腳防腐方法又不太適合裝配式鋼結(jié)構(gòu)，因此，需要對傳統(tǒng)柱腳防腐方法進(jìn)行改進(jìn)。

針對鋼構(gòu)件的首層柱的柱腳部位易腐蝕問題，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)防腐方法及塑料保護(hù)膜[7]、防腐結(jié)構(gòu)膠[8]方法，可采用如下有待工程進(jìn)一步驗證的方法對圖3（b）虛線框區(qū)域進(jìn)行加強防腐處理：鋼柱按設(shè)計要求在下部錨固位置鉆孔后，在工廠中采用熱浸鋅防腐方法對虛線框部位進(jìn)行鍍鋅、刷油漆，再涂刷可剝液體型塑料保護(hù)膜或防腐結(jié)構(gòu)膠等方法進(jìn)行處理。

3.3 外墻板連接部位

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻體多采用干連接方法，可以較好地體現(xiàn)建筑外立面整體效果。預(yù)制墻板間的拼縫處多采用插塞PE 棒、涂膠抹縫方式進(jìn)行處理，但由于外墻與室外大氣環(huán)境相接觸，長期風(fēng)吹日曬，密封材料容易氧化，導(dǎo)致氣密性不佳。水汽有可能會通過墻板拼縫進(jìn)入墻板連接件處，導(dǎo)致墻板連接節(jié)點發(fā)生腐蝕。墻板節(jié)點若不能做到長期有效防腐，則在后續(xù)使用過程中，墻板可能由于節(jié)點銹蝕嚴(yán)重而錨固不牢。

圖4 列舉了2 種常用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻板的連接形式，包括鉤頭螺栓連接、搖擺工法連接。鉤頭螺栓室外側(cè)的預(yù)留孔可通過抹灰等方式進(jìn)行封堵，該處由于有封堵物質(zhì)的保護(hù)，鉤頭螺栓室外側(cè)帶螺母一頭一般不易發(fā)生腐蝕，水汽通過墻板拼縫進(jìn)入后，最先侵蝕的是與室內(nèi)側(cè)墻面相接處的角鋼及鉤頭螺栓；搖擺連接件預(yù)埋進(jìn)墻板內(nèi)部的螺栓部分不易發(fā)生腐蝕，發(fā)生腐蝕部位與鉤頭螺栓部位相同，都是墻板室內(nèi)側(cè)連接件相交處易發(fā)生腐蝕。

墻板連接件鉤頭螺栓等連接件是標(biāo)準(zhǔn)件，在出廠前一般會做相應(yīng)的防腐處理，而角鋼焊縫部位則是此處防腐最為薄弱處，需要對其采取有效的防腐措施，確保焊縫防腐做到長期有效防腐。

根據(jù)不同鋼結(jié)構(gòu)防腐方法的適用性，可采用熱噴鋅、鋁復(fù)合涂層防腐方法對此處焊縫進(jìn)行防腐噴涂處理，在噴涂防腐前，需要檢查焊縫的焊接質(zhì)量，是否存在氣孔、夾渣以及裂紋等缺陷，確保焊接質(zhì)量無問題后，再對焊縫處的毛刺進(jìn)行打磨處理，并清除油污等雜質(zhì)，然后進(jìn)行熱噴鋅、鋁復(fù)合涂層防腐。

4 提高防腐年限新方法

4.1 可剝液體型塑料保護(hù)膜

可剝液體型塑料保護(hù)膜是一種液體形式的涂料，將其噴于基材表面，待溶劑自然揮發(fā)后凝固成一層牢固的貼體透明的塑料保護(hù)膜，可有效阻斷鋼體基材與大氣的接觸。姜玉挺等[7]將可剝液體型塑料保護(hù)膜應(yīng)用于大學(xué)游泳館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架防腐中，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，該膜不宜直接涂刷在鋼結(jié)構(gòu)表面[圖5（a）]，而應(yīng)作為一種額外保護(hù)，涂刷在面漆之外[圖5（b）]，可提高鋼結(jié)構(gòu)的防腐壽命。

4.2 FHW 耐高溫防腐結(jié)構(gòu)膠

FHW 系列耐高溫防腐結(jié)構(gòu)膠主要由進(jìn)口氟樹脂、改性樹脂、特種強化樹脂共聚物、偶聯(lián)劑和部分納米材料組成，采用IPN 原理化合制成，其特點是集粘接與防腐于一身，從而使防腐層形成高度致密的交聯(lián)立體結(jié)構(gòu)，屬厚漿型雙組分重防腐材料。目前，F(xiàn)HW 耐高溫防腐結(jié)構(gòu)膠已在天然氣凈化廠的高溫液硫池內(nèi)襯防腐中得到了應(yīng)用，代替了傳統(tǒng)水玻璃膠泥砌筑耐火磚的方法，較好地解決了在強腐蝕環(huán)境下的液硫池內(nèi)襯防腐問題[8]。鋼結(jié)構(gòu)建筑基礎(chǔ)埋于地下，腐蝕環(huán)境較地上部分惡劣，此部位需要加強防腐處理，可將防腐結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑基礎(chǔ)中，增強基礎(chǔ)的防腐保護(hù)能力。

4.3 非晶態(tài)合金后化學(xué)鍍層

非晶態(tài)合金后化學(xué)鍍層目前主要用于解決重要的精密鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕問題，防護(hù)效果明顯。該技術(shù)通過控制磷含量得到非晶態(tài)鍍層致密、空隙少，耐腐性能要優(yōu)于電鍍層，在相同的腐蝕環(huán)境中，非晶態(tài)鍍層的腐蝕速率遠(yuǎn)低于不銹鋼的腐蝕速率。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑要求構(gòu)件具有一定的精度，且精度越高，安裝越容易，非晶態(tài)合金后化學(xué)鍍層符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)的精度要求，因此，可以在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用非晶態(tài)合金后化學(xué)鍍層進(jìn)行防腐設(shè)計。

4.4 納米固體薄膜防腐

納米固體薄膜防腐的原理是將固態(tài)化學(xué)物質(zhì)鍍于2 種物質(zhì)摩擦界面上，起到阻斷作用，從而起到防止結(jié)構(gòu)被腐蝕的作用。該物質(zhì)可用于解決有摩擦現(xiàn)象的潤滑難題，納米固體潤滑膜已在兩棲裝甲車輛的部件上進(jìn)行了應(yīng)用，同時也在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)吊車梁軌道的潤滑等進(jìn)行了應(yīng)用。

對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中所使用的鋼樓梯，為增強表面的耐磨性能，可應(yīng)用納米固體薄膜進(jìn)行防腐設(shè)計。

5 結(jié)論

（1）梁柱節(jié)點等部位的螺栓孔可通過局部熱鍍鋅防腐的防腐方法進(jìn)行防腐處理。

（2）傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)柱腳包裹混凝土防腐方法不適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)，可采用可剝液體型塑料保護(hù)膜或防腐結(jié)構(gòu)膠的方法對該部位進(jìn)行防腐加強處理。

（3）裝配式鋼結(jié)構(gòu)外墻板連接處的焊縫處需要在確保焊縫焊接質(zhì)量的前提下，可應(yīng)用熱噴鋅、鋁復(fù)合涂層防腐方法進(jìn)行防腐處理。

（4）應(yīng)用可剝液體型塑料保護(hù)膜、FHW 防腐結(jié)構(gòu)膠、非晶態(tài)合金后化學(xué)鍍層和納米固體薄膜防腐的方法對裝配式鋼結(jié)構(gòu)易腐蝕部位進(jìn)行防腐改進(jìn)優(yōu)化處理，原則上可增加裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命，但有待工程進(jìn)一步驗證。