鋼結構腐蝕與涂層防護

(中建三局集團有限公司工程總承包公司山東分公司，山東 青島 266033)

鋼結構腐蝕與涂層防護

張磊 李子清

(中建三局集團有限公司工程總承包公司山東分公司，山東 青島 266033)

鋼結構處于不穩定狀態會發生腐蝕現象，采用防腐蝕涂層是最有效、最經濟、應用最普遍的方法，本文介紹了鋼結構發生的電化學腐蝕反應現象，目前對涂層防護機理的研究現狀及評定涂層防腐性能的方法，指出涂層防護機理的深入研究，對研制性能更優的防腐蝕涂料和涂裝技術具有重要指導意義。

鋼結構 腐蝕 涂層

0 引言

大型鋼結構如橋梁、電視塔、高壓線鐵塔、大型水庫閘、海上采油設施、集裝箱等，都是長期處于海洋大氣、工業大氣腐蝕環境下，鋼結構防銹成為鋼結構工程中不可缺少的一環。而鋼結構涂層對鋼結構建筑的防銹防腐，以及維護鋼結構的強度和使用起著重要的作用[1]。世界各國防腐蝕實踐證明：涂料涂層防腐蝕是最有效、最經濟、應用最普遍的方法[2]。目前常用于鋼結構防腐防銹的涂層有紅丹防銹類漆、環氧富鋅類、氟碳類等。這些涂層在使用過程中各有優勢和缺陷，我們力圖通過研究不同涂層在鋼結構使用過程中的銹蝕影響，而找出維護鋼結構的有效方法。

1 鋼結構的銹蝕機理

根據鋼結構建筑周圍的環境、空氣中的有害成分(如酸、鹽等)及水會對鋼結構造成銹蝕等情況，鋼結構的銹蝕可分為兩類：化學銹蝕和電化學銹蝕[3]。

1.1 化學銹蝕

化學銹蝕鋼結構表面與周圍介質直接起化學反應而產生的銹蝕。如鋼在高溫中與干燥的O2、NO2、SO2、H2S等氣體以及非電解質的液體發生化學反應，在鋼結構的表面生成鈍化能力很弱的氧化保護薄膜FeO、FeS等，其腐蝕的程度隨時間和溫度的增加而增加，這種情況在鋼結構建筑中一般發生在特殊環境下。

1.2 電化學銹蝕

電化學腐蝕是防腐蝕領域中最重要的研究對象，其是指金屬在水溶液中形成電池而引起的腐蝕。根據電化學腐蝕的機理，呈活化態的鋼筋表面有水分存在時，有電勢差，就發生鐵電離的陽極反應和溶液態氧還原的陰極反應，相互以等速度進行，其反應式如下：

陽極反應2Fe→4e-→2Fe2+

陰極反應O2+2H2O+4e-→4OH-

腐蝕過程的全反應是陽極反應和陰極反應的組合，在鋼筋表面析出氫氧化鐵，其反應式為：

2Fe+O2+2H2O-→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)3，并進一步生成nFe3O3·mH2O (紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe3O4(黑銹)，在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的4倍，黑銹體積可達到原來的2倍。鐵銹體積膨脹，對周圍產生壓力，使保護層開裂或脫落，而裂縫及保護層的剝落又進一步導致鋼筋更劇烈的腐蝕，從而大幅降低鋼結構的強度，造成坍塌和事故。鋼結構用鋼材產生電化學作用銹蝕須具備4個條件：①鋼筋表面要有電勢差；②陰極和陽極之間要有電介質聯系；③在陽極金屬表面要處于活化狀態；④在陰極，鋼筋表面要有足夠數量的氧和水分。金屬常用的防銹防腐保護基于3個基本原理：①屏障保護，利用涂層膜形成屏障，將鋼鐵表面和環境中的電解質隔離，在鋼鐵表面形成一道對空氣中的水蒸氣和氧氣等的保護屏障；②化學抑制，在涂料中添加的有效化學成分，能抑制金屬陽極或陰極反應；③電流(陰極)保護，利用涂料中的大量金屬(鋅、鋁等)粒子積聚對鋼鐵產生電流保護，如同在鋼鐵表面上形成鋅(鋁)陽極。鋼結構實際使用中防護主要是應用陰極保護和屏障保護。根據鋼結構的銹蝕原理和鋼結構建筑的使用情況選用不同的防護和維護涂層，還要根據建筑結構所處的環境、使用功能、經濟性和耐久性、穩定性等因素來選用合適的防銹防腐涂料，這樣就要對不同的涂層作詳細的了解。

2 鋼結構涂層作用機理

2.1 鋼結構涂層簡介

用于鋼結構防護的涂層主要有有機涂層和金屬涂層兩種。

(1) 有機涂層

有機涂層是與無機涂層對應的成為，并沒有嚴格的定義，有機涂層是有機涂料涂裝于基體上干燥形成的，早期的涂料通常叫做油漆。其主要成膜物質和溶劑等，是以有機材料為主體的。有機涂層的主要構成大體是[4]：

(2)金屬涂層

考慮到電化學腐蝕因素，在涂料中加入一些比被保護基體更活潑的金屬粉(電極電位比被保護介質高)，如鋅粉作填料，當電解質滲入到被防護金屬表面發生電化學腐蝕時，涂料中的金屬就作為犧牲陽極而被溶解，使得基體金屬免遭腐蝕。如在形成電池反應時，Zn為陽極分解成為Zn+，與在陰極處生成的OH-反應生成Zn(OH)2，Zn(OH)2再與CO2反應生成ZnCO3，它們都為堿性，因此可以保護鋼鐵不再受腐蝕。

2.2 鋼結構涂層作用機理

鋼結構的涂層防護一般選用防腐、防銹類涂料。該類涂料有以下兩方面的作用防護作用原理。

(1)隔離環境的作用

在鋼基體表面，涂料形成完整的有機膜層，將環境介質(氧、水、酸、堿、鹽等)與鋼基體隔離開來，從而消除“腐蝕電池”形成的條件，達到保護鋼基體不受腐蝕的目的。這是一種物理作用，其可靠度是有一定限度的。主要是有機膜層不能完全隔離環境，仍有介質(氧、水等)能夠滲透到鋼表面，滲透能力取決于膜體材料、施工工藝等。另一方面，隨著時間，膜層隔離環境的作用會減弱，因此，單靠物理隔離作用，往往不能有效地保護鋼基體。

(2)緩蝕鈍化作用

加入防腐蝕成分(緩蝕顏料，防銹顏料)這是防腐、防銹類涂料的獨有特點。當在成膜物質內加入一定量的被稱作“緩蝕劑”的物質時，即使有機膜層不能完全隔離環境、乃至已經有“腐蝕電池”形成，“緩蝕劑”可以有效地阻止、減緩鋼基體腐蝕的發生與發展，以達到更好的防護目的。

3 不同建筑鋼結構涂層的特點及適用環境

3.1 醇酸涂層

醇酸系列漆有醇酸紅丹防銹底漆、醇酸鐵紅防銹底漆、醇酸云鐵防銹底漆或中間漆、醇酸磁漆。

在一般的鋼結構工程中，可以選用防銹能力強，有較好的堅韌性、防水性和附著力的油性紅丹防銹漆作為防銹底漆，或環氧漆為面漆。紅丹防銹漆的原理是采用處于晶格外層的鉛離子與腐蝕初始階段的鐵離子產生離子置換生成難溶物質[4]。紅丹在水和氧的存在下與油基漆生成鉛皂，其裂解的單羥酸鉛、二羥酸鉛鹽具有緩蝕作用。鉛離子與許多腐蝕介質生成如硫酸鉛等不溶性鹽，鉛皂的封閉作用隨時問生成致密和結實涂層，具有較好的附著力、光澤性、保色性較好，但耐酸堿及耐水性差，只能用于室內，不能用于室外，其使用年限約3～5年。生產紅丹漆需要大量的有色金屬鉛，雖然價格低廉為8～10元/m2、10元/kg，但為保證工人身體健康，許多科研和制造單位正積極研制替代紅丹防銹底漆的漆料。

3.2 酚醛涂層

酚醛涂層防腐蝕性、耐磨性、耐水性、絕緣性好，但耐老化差，涂膜硬脆，不適合室外用，建筑上用得較少，主要用于門窗、家具。有酚醛紅丹防銹底漆、酚醛鋅黃防銹漆、酚醛云鐵防銹底漆。

3.3 富鋅涂層

鋼結構富鋅涂層分無機富鋅漆和有機富鋅漆：有機環氧富鋅漆由鋅粉、環氧樹脂和固化劑配制而成，主要用于鋼結構的重防腐涂裝體系作長效通用底漆，也可用作鍍鋅件的防銹漆，其應用的適宜溫度為10～35℃，并避免在雨、霧、雪天施工涂刷；無機富鋅漆主要以水玻璃為基料，加入鋅粉、漂浮劑和固化劑等配制而成，此漆具有與鍍鋅層相同的陰極保護作用，為可焊漆，其耐候性及耐老化性能良好，可耐450℃的溫度，但耐酸堿度差。這種涂料對鋼結構表面處理要求較高。一般規定應達到Sa2，5級標準。在低溫、高溫情況下，該涂料不可施工。它與鋼結構表面之間有優異的物理、力學性。漆膜中富含鋅，在機械加工及運輸和安裝過程中漆膜劃傷處鐵銹不蔓延，在鹽水浸漬下劃傷，能保持劃痕處鐵金屬的光澤。同時，作為保養底漆，室內或露天均能達到半年以上的防銹效果。切割、焊接加工時燒傷面積小，帶漆焊接后，焊接強度不受影響。由于防護效果及可焊性均佳，將其用于鋼結構出廠前的防腐底漆涂刷，可保護鋼結構在運輸過程中不致銹蝕，又不影響工地現場的焊接和安裝。富鋅涂層價格一般在25～35元/m2、15元/kg，富鋅涂層的使用年限約510年。

3.4 環氧涂層

鋼結構環氧涂層有環氧紅丹漆、環氧富鋅漆、環氧鐵紅漆、環氧磷酸漆、環氧云鐵漆等，不耐紫外線，附著力、耐堿、耐鹽水、絕緣性、防腐蝕性好。

3.5 氟碳涂層

氟碳漆是由氟碳樹脂、顏料、助劑等加工而成，是目前綜合性能最優異的涂料之一。由于樹脂分子內含有機物中鍵能最高的C～F鍵，使得氟碳漆涂料具有許多優異于普通涂料的特殊性能。主要表現在耐候性、耐鹽性、耐洗性、不粘附性等方面。其性能指標均數倍優于普通涂料，故氟碳漆有“涂料王”的譽稱。氟碳漆科用于各種環境下建筑表面的裝飾與保護。氟碳漆特點：高檔裝飾，超長耐久，不粘塵，有自潔功能；施工溫度在5～35℃為宜，相對濕度小于80%。其與傳統涂料比較，具有更加出色的耐光、耐侯性；操作更簡易，翻新容易，不受建筑物形狀的限制。可任由設計者發揮想象力；價格在70～150/m2、150元/kg左右，使用年限20～50年，綜合性能優異。

3.6 氯化橡膠涂層

以含氯量達65%的氯化橡膠為主要成膜物質的涂料。通過溶劑揮發干燥成膜，涂膜堅硬、耐候性、保光性和穩定性優

4 評定涂層防腐性能的方法

目前除廣泛采用的常規測試方法，如鹽霧驗、濕熱試驗、浸漬試驗和耐侯試驗外，還采用流電化學測試、交流阻抗譜法、電化學噪聲法、滲透電流法等[6]。下面分別介紹。

4.1 直流電化學法

涂層鋼板防腐蝕性的直流電化學法測試法分電位/時間法、直流電阻法、極化曲線法和極化阻法等。這些方法主要用在實驗室研究中，并不宜用來評定涂層鋼板的耐蝕等級。其中電位/時法最簡單，而Kinsella采用直流電阻法時發現漆并不是均勻的，有D區和I區之分，D區在溶液導率高時電阻越低，這樣就容易發生腐蝕；I區溶液電導率高時電阻越高，不容易發生腐蝕，I大多是組成漆膜的基料聚合物的交聯點廠。采極化曲線法所測得的結果與實際情況有差別。leidheiser認為I區漆膜無大的缺陷，電解質溶液度高，水透漆膜中的量減少，這樣使電阻升高，區膜有毛孔損失，能使電解質溶液通過，這樣電質溶液濃度越高，漆膜的電阻越低。

4.2 交流阻抗譜法(EIS)

上述直流電化學法測試法是迫使離子以一種向透過漆膜，這樣會引起涂層鋼板腐蝕加速，而交流阻抗譜法避免了此缺陷，使用交流阻譜法可以得到涂層在不同交流頻率下的阻抗和電值，以及涂層下金屬界面的信息。從電容值可以量涂層的吸水量，從電阻值可以衡量涂層的防蝕能，由涂層下面金屬電化學腐蝕電荷傳遞電阻可估算金屬腐蝕速度，這樣可以對腐蝕發生時涂層面金屬界面的變化進行比較直觀的研究，目前美Rockwell科學中心按照EIS測量法的測試要求，發出了用于涂層鋼板常規分析的測量裝置，相應建立了一套快捷的、形象直觀的、便于使用的涂阻抗快速解析方法。

4.3 電化學噪聲法(ENM)

電化學噪聲法是通過測量工作電極和參比電之間或兩個相同電極之間產生的自發電流和(或，電壓波動來分析、評價涂裝金屬防腐性能的方法。在研究涂層的性能時，雙電極結構的應用最普遍，涂裝金屬的有效噪聲阻抗Rn近似于系統電荷轉移阻抗，見下式：

式中V：工作電極相對于參比電極的平均電位Bierwagen等人提出了該式的交變函數，并討論了該函數的偏差，同時在進行ENM測量過程中，對流動、電極對稱性、浸漬電解質溶液成分、溫度及統計偏差的影響進行了研究，并應用ENM對管道涂層、船用涂層、航空涂層及電沉積涂層進行了研究。

4.4 氫滲透電流法

氫滲透電流法是由日本大阪府立大學山川宏二教授等人發明，它應用涂層下陰極還原反應產物氫的滲透原理，通過測量氫的滲透量和變化規律，可確定涂層下腐蝕反應過程的難易程度，進而評價涂層耐蝕性和耐剝落性。

大慶油田建設設計研究院與日本涂料公司于1994-1997年進行合作，采用氫滲透電流法對國內外幾種典型的鋼管內防腐(有機)涂層的性能進行了評價。這是氫滲透電流法在世界上首次用于現場試驗，其與其它常規測試方法結果基本吻合。

氫滲透電流法的優點是可在實際工況條件下分析、研究鋼管內防腐涂層的防護效果及其影響因素、腐蝕規律以及涂層與金屬界面間的電化學行為，進而評價涂層的綜合性能。它可用于指導涂層材料的配方研究和施工工藝選擇，為經濟防腐涂層材料及其結構設計提供依據，并對涂層使用壽命進行預測。國內外近幾年開發的電化學噪聲法、涂層阻抗快捷解析方法、氫滲透電流法等幾種新的方法已初步應用于有機涂層防腐性能的評價，并取得了一定的成效。如將這幾種方法結合起來進行研究，必將進一步完善有機涂層防腐性能的評價技術，并為有機涂層使用壽命的預測探索出一條新途徑。探討，有助于我們研制更理想的防腐蝕涂料及涂裝技術。

5 結語

隨著新型分析儀器和技術的出現，目前除了可以用上述方法進行觀察和測量外，近年來也有用EDXA (能散X射線分析)、掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)譜等對漆膜下鋼結構表面層的變化進行深入的研究。對防腐蝕涂層防腐機理的深入探討，有助于我們研制更理想的防腐蝕涂料及涂裝技術。

[1] 劉勇. 淺析建筑鋼結構涂層的應用[J]. 安徽建筑.2008(4).79-81.

[2] 虞兆年. 防腐蝕涂料和涂裝[M]. 北京: 化學工業出版社, 2002,7.

[3] 泰國治.大型鋼結構的腐蝕與長效涂層防護[J]. 現代涂料與涂裝. 2000(5).

[4] 洪乃豐. 基礎設施蝕防護和耐久性問與答[M]. 化學工業出版社. 2003.143-145.

[5] 王泳厚. 實用涂料防腐蝕手冊. 北京: 冶金工業出版社.1991.

[6] 黃桂柏, 雷松華, 曲良山. 評價有機涂層防腐性能的幾種新方法.管道技術與設備, 1999, (1): l2-l4.

Corrosion and Coating Protection of Steel Structure

ZHANG Lei, LI Zi-qing
(General Construction Company of CCTRB Group Co., Ltd, Qingdao 266033 China)

The steel structure would corrosion while in the unstable status, the anticorrosion coatings is the most effective, economic and popular method. This work introduced the electrochemical corrosion phenomenon of the steel structure, and the research status of the coatings protection mechanism, as well as the evaluation method of the coatings anticorrosion property, pointed out that the research of the coatings protection mechanism has the most important guiding significance to developing the advanced anticorrosion coatings and the technology.

steel structure; corrosion; coating

TG174.46

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.025.04

張磊 (1987－) ，男，山東臨沂人，助理工程師，學士，主要研究方向為施工技術及管理。