钢结构工程中,钢材的防腐防锈工作,是影响钢结构建筑使用年限的关键工作,也是钢结构工程在加工制作、施工安装以及后期维护过程中的难点。
在环境介质(如空气、水、酸、碱等)的化学作用或电化学作用下而发生的逐渐破坏现象,称为锈蚀。锈蚀不仅会使构件有效截面减小,降低承载力,还会形成不同程度的锈坑,导致应力集中,加速构件的破坏,尤其是在冲击荷载或循环荷载作用下,容易发生脆性列段。另外,钢材锈蚀时,体积会随之增大,最严重的可达原体积的六倍。
化学腐蚀是指钢材直接与周围介质发生化学作用而产生的腐蚀,这种腐蚀多数是氧化作用,使钢材表面形成疏松的氧化物。在常温下,未进行防腐处理的钢材表面很容易发生反应,造成腐蚀。在干燥环境下,锈蚀进展缓慢,但随着温度、湿度的增大而加快。
电化学腐蚀是由于金属表面形成了原电池而产生的锈蚀。钢材本身含有铁、碳等多成成分,由于这些成分电极电位不同,形成许多微电池。在潮湿的空气中,钢材表面吸附一层极薄的水膜,通过水膜和微电池,铁被氧化成疏松易剥落的红棕色的铁锈Fe(OH)3。
金属的锈蚀遍及国民经济各个领域,给国民经济带来了巨大的损失。在工业发达的国家中,腐蚀造成的直接经济损失占国民经济总产值的1%-4%,每年腐蚀生锈的钢铁约占产量的20%,约有30%的设备因腐蚀而报废。在我国,由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300亿元以上,约占国民生产总值的4%。
防止钢铁锈蚀的方法有改变冶炼成分、施加保护层两大类。改变钢材冶炼成分,是指冶炼时加入提高抗腐蚀能力的合金元素(如铜、镍、铬等),形成耐候钢或不锈钢,这种方法防腐效果显著,但价格昂贵。施加保护层是在钢材表面覆盖一层防止侵蚀作用的保护层,此法相对经济实用。保护层有金属保护层(如电镀、热镀等)、化学保护层(如磷化、钝化等)和非金属保护层(如涂料、塑料等)三类,其中油漆类涂料保护层是目前钢结构防腐措施中的最经济实用的方法。
油漆类防腐涂料和其他涂料一样,其配方组成主要包括基料、防锈颜料和溶剂。基料是成膜物质,是涂料中的主要成分,它的分子结构决定着涂料的主要性能;防锈颜料是用来辅助隔离腐蚀因素的材料;溶剂分为有机溶剂或水,用来溶解基料树脂,便于成膜。常用油漆类防腐涂料的情况如下:
(1)沥青涂料
沥青是防腐涂料中重要的原材料,主要有天然沥青、石油沥青和煤焦沥青三种。前两种沥青主要应用于埋地管道中,钢结构防腐涂料中使用的主要是煤焦沥青。煤焦沥青耐水性强,有良好的表面润湿性,适用于水下环境,而且价格低廉,但冬脆夏软。
(2)醇酸树脂涂料
醇酸树脂是以是以多元醇和多元酸的酯为主链,以脂肪酸或其他一元酸为侧链组成。用于配置涂料的醇酸树脂主要有纯干性油醇酸树脂、改性的纯干性油醇酸树脂和非干性油醇酸树脂。醇酸树脂涂料与油性漆相比,干性、保色性、耐候性、附着力等均有很大程度的提高,但耐酸性、耐水性差,适宜于干燥环境,不能用于水下结构。
醇酸树脂涂料可以自成体系,常用的涂料品种有:醇酸红丹防锈底漆、醇酸铁红防锈第七、醇酸云铁防锈底漆或中间漆、醇酸磁漆等,在钢结构防腐方面应用非常广泛。醇酸磁漆一般用作面漆,光泽性好,耐候性强。
(3)酚醛树脂涂料
以酚醛树脂为主要成膜物的涂料,干燥性好,耐磨,涂膜坚硬光亮,耐水、耐化学腐蚀性好,有一定的绝缘能力,单组分施工方便,但涂膜硬脆,颜色易泛黄变深,耐候性差。酚醛树脂涂料主要有醇性酚醛树脂、改性酚醛树脂、纯酚醛树脂等几类。酚醛树脂涂料主要用于家具、门窗的涂装。在钢结构中,酚醛树脂涂料主要有酚醛红丹防锈漆、酚醛锌黄防锈漆、酚醛云铁防锈漆,一般用于打底。
(4)环氧树脂涂料
以环氧树脂为主要原料的涂料,附着力非常好,耐碱、油和盐水,绝缘性能优良,但不耐紫外线,在阳光作用下容易失去光泽和粉化。另外对施工温度、重涂间隔时间的要求比较严格。
环氧树脂涂料是现代钢结构中比较常见的防腐涂料,常见品种有:环氧红丹防锈底漆、环氧富锌底漆、环氧磷酸锌防锈底漆、环氧云铁防锈漆或中间漆环氧磁漆、快干型环氧涂料等。
(5)氯磺化聚乙烯涂料
氯磺化聚乙烯涂料是由聚乙烯、氯和二氧化硫在引化剂作用下反应生成的聚合物,其最大特点是耐化工大气老化,主要应用于化工、冶金、石油行业建筑,缺点是成膜难。一般用于底漆和中间漆。
(6)氯化橡胶涂料
氯化橡胶涂料是天然橡胶或合成橡胶经氯化而成。漆膜致密但发脆,常加入氯化石蜡作为增塑剂。常用品种有:氯化橡胶铁红防锈底漆、氯化橡胶云铁防锈底漆以及各色氯化橡胶面漆。氯化橡胶面漆近年来逐渐被丙烯酸面漆代替。
(7)聚氨酯涂料
聚氨酯涂料是以聚氨基甲酸树脂为基料的涂料,具有优良的防腐蚀和力学性能,耐候性好。丙烯酸聚氨酯面漆是目前钢结构工程中应用比较经济和广泛的面漆品种之一。
(8)富锌涂料
富锌涂料时常用的重防腐涂料,涂料中含有大量锌粉作为电化学防锈颜料,不但防腐性能优良,而且与刚才的附着力强,与环氧云铁中间漆和其他高性能面漆也有很好的粘合力,但施工工艺复杂。常用富锌涂料品种有环氧富锌底漆、无机富锌底漆等,寿命可达7-15年。
可以看出,防腐涂料的品种很多,防锈及涂装应与钢结构重要性、侵蚀环境、除锈等级、维护条件及使用寿命相匹配。