沿海區域建筑鋼結構金屬熱擴滲防腐技術研究

陳維謀

（福建兆佳建設有限公司，福建 晉江 362200）

1 引言

鋼鐵是建筑建設的重要建材，但是建筑鋼結構容易出現腐蝕的問題，每年全球鋼鐵腐蝕問題導致的直接經濟損失近萬億美元，嚴重影響建設安全和穩定[1]。而沿海區域由于氣候潮濕，是鋼鐵腐蝕問題最為嚴重的區域，多數沿海區域的大氣腐蝕等級偏高。而金屬熱擴滲技術能借助原子擴散效應，使可滲金屬原子進入基體表面，從而在基體表面形成冶金結合的金屬滲層，達到提升基體表面性能的效果[2]。金屬熱擴滲利用金屬原子的熱擴滲實現基體表面強化，能通過滲層金屬材料的引入提升基體的耐磨、抗腐蝕、抗氧化等多方面性能。因此，本文結合金屬熱擴滲技術進行建筑鋼結構防腐處理，提出了一種鋅鎳金屬熱擴滲技術，利用鋅鎳滲層提升鋼結構的抗腐蝕性能，期望為沿海區域建筑鋼結構防腐提供新的思路。

2 沿海建筑鋼結構金屬熱擴滲防腐技術

2.1 金屬熱擴滲鋅鎳滲層防腐處理流程

研究以晉江市永和鎮西堡新苑施工為研究對象，該工程施工過程中，應用了大量的金屬管道，受到當地氣候和地理位置的影響，金屬管道極易出現腐蝕問題，為此需要進行防腐處理。

鋅鎳滲層防腐利用低溫化學置換的方式，在一定的溫度條件下，結合活化劑使得滲層金屬的鋅離子在建筑鋼結構的表面發生吸附和擴散反應，使建筑鋼結構的表面形成合金沉積層[3]，并且滲層金屬與鋼結構基體的鐵離子之間會產生互換反應，滲層金屬中的鋅離子會向鋼結構基體中不斷擴散。滲層金屬與建筑鋼結構在飽和固溶鋅基體金屬表面通過吸收和擴散反應形成合金沉積層，滲層金屬的鎳則吸附在鋼結構表面，以提升鋼結構構件的表面抗腐蝕性。鋅鎳滲層金屬防腐技術反應示意圖如圖1 所示。

圖1 鋅鎳滲層金屬防腐技術反應示意圖

2.2 除油去銹處理

鋅鎳滲層金屬鋼結構防腐技術需要經過除油除銹、滲層制備等多個工藝流程，完成建筑鋼結構防腐層的制備。在滲層金屬制備前，首先要對鋼結構構件進行除油處理，除油處理一般采用堿洗和熱處理兩種除油方式。堿洗除油處理利用堿性脫脂劑和表面活性劑的組合作用實現油脂皂化效果，去除鋼結構構件表面的動植物油脂，堿洗除油脫脂一般在80 ℃環境下進行，一般情況下處理10 min 即可達到理想的出油效果。而熱處理除油則是通過加溫的方式進行油脂碳化處理，使建筑鋼結構構件表面的油脂碳化，一般熱處理除油溫度在50 ℃以下，在除油處理過程中需要對溫度進行嚴格控制。

對金屬鋼結構構件表面進行除銹處理，通常采用拋丸處理技術，結合鋼結構構件的形狀特點，采用不同的拋光設備進行鋼結構表面除銹。拋丸設備主要可以分為通過式、吊鉤式和履帶式3 種模式，不同形狀特點的鋼結構構件可以選擇不同的拋丸除銹設備，并且在鋼丸中可以添加一定切丸，增強除銹效果。拋丸除銹通過鋼丸與鋼結構構件之間的撞擊實現除銹效果，要求鋼丸與構件之間的覆蓋率約為200%，以實現Sa2.5及以上的除銹效果，因此，在除銹過程中，需要嚴格控制除銹拋丸的時間和除銹構件數量，以保證拋丸除銹的最終效果。對于具有外螺紋的特殊鋼結構構件，需要進行分段除銹處理。以螺栓為例，螺栓需要對頭部和螺紋處進行分別處理，采用不同的拋丸方式和時間，保證對螺栓各個部分表面的完全處理。

2.3 滲層制備

鋅鎳滲層金屬鋼結構防腐技術通過多元金屬熱擴滲涂層達到防腐效果，熱擴滲涂層的制備需要添加多種填充劑、活化劑等元素，并且考慮粉末的粒徑和各元素的混合質量比，形成優質配比下的熱擴滲滲劑配方。研究所采用的金屬熱擴滲配方含有25%的Zn 粉、3.5%的Ni 粉、8%的Al 粉、4%的稀土以及3%的氯化銨，并摻入三氧化二鋁粉料，完成多元金屬熱擴滲涂層的制備。在涂層制備過程中，若需做防腐處理的鋼結構構件整體體積較大，則需要特殊調節升溫速率。在對體積較大的鋼結構構件進行處理時，要求降低升溫速率，延長升溫時間，以提升涂層和鋼結構構件受熱的均勻性。

2.4 除灰、鈍化、封閉

在完成金屬熱擴滲涂層制備后，需要對鋼結構構件表面進行除灰、鈍化和封閉處理。除灰的主要目的在于通過去除鋼結構構件表面的粉末滲劑，以達到減小構件表面色差的效果。對構件進行除灰處理主要采用振動處理方式，通過振動處理的方式去除鋼結構構件表面附著的滲劑。振動除灰處理通?？梢匀コ?0%以上的表面滲劑，進一步的除灰處理則可以通過超聲波清洗或高壓水沖洗的方式進行。在面對具有外螺紋的特殊鋼結構構件時，為了避免對金屬熱擴滲涂層造成損傷，采用超聲波清洗為優。

對鋼結構構件進行鈍化處理，以降低金屬熱擴滲滲層中合金層的活性，使得鋼結構構件表面成膜，以提升熱擴滲涂層的防腐能力。目前，滲鍍鈍化的首選方式是三價鉻鈍化，但是在社會環保要求不斷提升的背景下，考慮到環境和環保因素，無鉻鈍化技術成為金屬鈍化的重要方向。出于鈍化膜孔隙等原因，硅酸鹽鈍化、稀土鈍化等新型鈍化方式的鈍化效果不佳。研究采用硅基鈍化液進行金屬熱擴滲鋅鎳滲層鈍化，以提升熱擴滲層的抗鹽霧腐蝕能力。硅基材料在滲層鈍化中具有良好的鈍化效果，適用于鹽霧環境下沿海地區鋼結構構件的滲層防腐。通常情況下，鈍化處理后需要對鋼結構構件表面進行封閉處理，以填充所形成鈍化膜上的孔隙，保證金屬熱擴滲涂層的抗腐蝕效果。而考慮到硅基材料鈍化效果較好，所形成的硅基材料鈍化膜具有較高的致密程度，因此，不進行封閉處理。

3 金屬熱擴滲防腐性能分析

3.1 抗腐蝕性能分析

熱擴滲防腐處理后，首先對滲層厚度進行測試，不同類型的鋼結構構件滲層平均厚度在80 μm，滲層厚度均超過60 μm。通過鹽霧試驗對熱擴滲處理的抗腐蝕性能進行驗證，利用人造鹽霧環境模擬沿海地區的鹽霧腐蝕，并將模擬鹽霧濃度調整為實際環境的多倍進行加速試驗，進行快速抗腐蝕評價。測試樣件選取時，選擇U 形螺栓、錨固螺栓、螺母、鋼板4 種常用類型鋼結構構件作為測試構件。按照GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行2 400 h 的中性鹽霧試驗，經過2 400 h 的模擬腐蝕后，U 形螺栓的紅銹面積為0.10%，錨固螺栓紅銹面積為0.11%，螺母紅銹面積為0.23%，鋼板紅銹面積為0.09%，證明熱擴滲防腐處理能有效提升鋼結構構件的抗腐蝕性能，鋅鎳滲層能有效增強鋼結構構件對鹽霧腐蝕的防腐能力。

3.2 力學性能分析

為了驗證金屬熱擴滲防腐技術對鋼結構構件機械性能的影響，研究選取Q345 材料鋼結構構件進行性能測試。隨機選取4 組Q3455 材料鋼結構構件進行重復試驗，測試鋼結構構件在滲層前后的力學性能，所選取測試材料為錨固螺栓。通過抗拉強度、屈服強度、延伸率和面縮率4 個指標，測試鋼結構構件的力學性能，構件力學性能在滲層前后的對比結果如圖2 所示。

圖2 構件力學性能在滲層前后的對比結果

從圖2（a）可知，在進行金屬熱擴滲滲層防腐處理后，接受測試的Q345 錨固螺栓在抗拉強度和屈服強度指標上的前后變化較小，防腐處理前4 組測試構件的平均抗拉強度和屈服強度分別為546 MPa 和358 MPa，經過熱擴滲處理后測試構件的平均抗拉強度和屈服強度分別為540 MPa 和359 MPa。熱擴滲防腐處理后，鋼結構構件抗拉強度和屈服強度較處理前變化不明顯，證明金屬熱擴滲處理對抗變形能力影響較小，不會影響構件的力學機械性能。而從圖2（b）可知，測試構件的延伸率和面縮率在熱擴滲處理前后的變化較小，構件處理前后的平均延伸率分別為27.9%和29.1%，平均面縮率分別為65%和66%，證明金屬熱擴滲防腐處理不會對鋼結構構件的力學性能造成負面影響，在提升鋼結構構件防腐蝕性能的同時，保證了構件的原始力學性能。

3.3 硬度分析

研究采用金屬熱擴滲處理進行鋼結構構件防腐，利用鋅鎳滲層實現防腐處理，而鋅鎳滲層實現硬度高于鋼的合金層。因此，為了驗證金屬熱擴滲處理前后鋼結構構件的表面硬度情況，研究對不同鋼種的鋼結構構件的表面硬度進行對比分析，對比結果如圖3 所示。測試構件的鋼種分為Q235、QT-400-15 以及45 號鋼3 種，每個鋼種選取5 組測試構件進行測試。

圖3 鋼結構構件表面硬度的對比結果

對不同鋼種的鋼結構測試構件的基體硬度和熱擴滲處理后的滲層硬度進行對比，Q235 鋼結構構件基體和滲層的平均維氏硬度分別為194 HV 和306 HV，QT-400-15 構件基體和處理后的平均維氏硬度分別為235 HV 和325 HV，45 號鋼構件基體和滲層的平均維氏硬度分別為272 HV 和357 HV。Q235、QT-400-15 以及45 號鋼構件在熱擴滲處理前后的表面維氏硬度差值分別為112 HV、90 HV、85 HV，證明鋅鎳滲層相較于鋼結構構件基體具有更高的硬度，熱擴滲處理滲層的耐磨性優于基體。熱擴滲防腐處理不僅能提升鋼結構構件的抗腐蝕性能，還能提升構件的表面硬度和耐磨性。

4 結論

鋼鐵是建筑及基礎設施建設中的常用材料，但是鋼鐵腐蝕問題始終困擾著鋼結構建設。針對沿海區域的鋼結構鹽霧腐蝕問題，研究提出了基于鋅鎳滲層的金屬熱擴滲防腐處理技術，以提升建筑鋼結構的抗腐蝕性能。利用鹽霧試驗驗證熱擴滲防腐技術的抗腐蝕性能，結果顯示，不同類型鋼結構構件的紅銹面積均小于0.25%。并且熱擴滲處理后，測試構件的抗拉強度、屈服強度、延伸率和面縮率基本不變，處理前后測試構件的表面維氏硬度差值最小為85 HV，最大為112 HV，證明熱擴滲防腐處理能有效提升建筑鋼結構的抗腐蝕能力，在保證力學機械性能不變的同時提升鋼結構的表面硬度和耐磨性，對提升沿海區域建筑鋼結構性能具有重要價值。