谈钢结构的腐蚀和防护

史华伟

1 概述

在21世纪，钢材是最重要的结构材料之一，其应用遍布于国民经济的各个领域。与钢筋混凝土等传统建材相比，钢结构具有力学性能好、承载性能强、制造简易，易于工业化生产、施工安装周期短等优势。另外，钢材的可重复利用，也充分体现了绿色环保、可持续发展的理念。但钢材的腐蚀现象普遍存在，腐蚀使钢材的抗冷脆性能下降、疲劳强度降低，带来的人员和财产损失也十分巨大。因此，对钢材的腐蚀应给予足够的关注。

2 钢材的腐蚀机理

2.1 腐蚀的基本过程

钢材的腐蚀源于热力学性质的不稳定。钢是铁制成的，而铁是在高炉中用碳对赤铁矿(Fe2O3)还原而得到的。这一过程可用一个简单的化学反应式表示如下:

上述反应在极高温度下发生，也需要大量的能量，生成的最终产物和最后的钢是不稳定的。当暴露于潮湿及有氧的环境中时，钢将趋向于恢复成原有的形态:

钢的表面只能形成极弱的保护层，在存在湿气和氧的情况下，就会产生属于电化学性的腐蚀，过程基本上和电解质电池相同。在自然暴露的情况下通常可表示如下:

铁离子和羟基离子反应生成不稳定的氢氧化铁，最终氧化成为铁锈。

2.2 腐蚀环境

在潮湿的库房中放置一块钢板，表面会生锈，但同样的钢板放置到土中，生锈的程度就会更迅速，也严重得多。可见腐蚀的程度和速度依赖于所处的环境。

2.2.1 大气腐蚀

空气中有足够的氧，因此相对湿度和污染物对钢材在大气中腐蚀影响巨大。相对湿度较高而没有SO2等污染物时腐蚀程度较小。

SO2对钢并不产生直接的腐蚀作用，而是生成硫酸亚铁之类的腐蚀盐类，通过复杂的化学反应产生腐蚀，同时还可以在钢材表面上进一步吸收湿气，加剧腐蚀。

2.2.2 水的腐蚀

在无氧条件下一般不会发生水腐蚀。水的pH值通常在中性范围内，但有时会呈酸性，此时对钢的腐蚀性较大。水中溶解的固体会影响水的电导率、硬度和pH值，而硬度决定了在钢材表面形成保护层的能力。水中溶解的气体尤其是氧和二氧化碳与有机物，同样也会对腐蚀的类型和程度产生重要的影响。

2.2.3 土壤腐蚀

土壤中腐蚀的电化学过程也依赖于水分的存在，但过程更为复杂。一般电阻高的土壤腐蚀最轻微。干燥的、沙质的和岩石类的土壤就属于这一类。而电阻低的土壤如黏土、淤积土和所有的盐碱滩，则更具有腐蚀性。

3 防腐措施

对于钢结构构件的防腐，需要先根据GB 50046工业建筑防腐蚀设计规范等确定腐蚀环境的等级，再确定防腐蚀措施的预期寿命(开始使用到第一次大修的时间)，从而确定基材表面处理方法和等级，选择防腐蚀方法和措施。

钢材的防腐蚀方法大致可分为四大类。

3.1 涂层防腐

这是目前钢结构中采用的最普遍、最常用的方法。涂料基本上是由固体颗粒即颜料弥散分布于液体中形成的。当涂料被混合后涂于钢材上时，液体涂料逐渐干燥并把颜料粘结起来成为紧密结合的固化膜，使钢材不能受有害介质的侵蚀。普通涂层可起到将钢材与环境隔离的作用，防锈底漆则可抑制钢材基体被腐蚀，而富锌涂料还可通过电化学作用进行保护。由于不受钢结构尺寸的限制，使用起来较为方便，还具有装饰美化的作用。但是涂层的耐久性较差，经过一定时间需要进行维修。

3.2 镀层防腐

大多数情况下，有色金属比钢材的耐腐蚀性好，但其价格较为昂贵。常用于提高钢结构抗腐蚀性能的是锌和铝，其中锌的使用更为广泛。镀层防腐可使用热浸镀、喷镀、电镀和扩散镀等施工方法，在钢材表面用金属镀层保护。在受大气腐蚀较严重且不易维修的输电塔、通讯塔等以及房屋结构中的压型钢板防腐中经常采用镀层防腐，这种方法耐久年限长，生产工业化程度高，质量也比较稳定。

3.3 自身防腐

钢材本身防腐蚀，即选用耐候钢。耐候钢是一种低合金结构钢，在普通钢中加入磷、铜、铬、镍等耐腐蚀元素而形成，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。

3.4 阴极保护

对于水下和地下钢结构，一般采用阴极保护的方法，有外加电流式(对于裸露的钢构件实施外加电流)和牺牲阳极式(利用比钢材的电位更负的金属和合金制成牺牲性的阳极，从而使钢结构本身免遭腐蚀)两种形式。其中第一种方式需要消耗大量的保护电能，对于整个系统来说并不经济。

4 结语

钢材的腐蚀普遍存在，若钢结构为采取防腐蚀措施或是措施不当，由于氧和水分的电化学作用，将使构件锈蚀，降低钢结构的承载力，缩短使用寿命，影响结构的耐久性，严重的话还会造成很大的资源浪费，给国家带来巨大的经济损失，并威胁到人民的生命财产。因此无论在设计、施工还是使用上，都要综合考虑建筑所处环境条件、结构特点、成本等多种因素，采用最有效的防腐措施以避免钢材锈蚀带来的危害。

［1］ 沈祖炎.房屋钢结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］ 张 霞.认识钢结构的防腐蚀［J］.四川建材，2009(5):123-125.

［3］ 向阳开，曾建民，马艳兵.钢筋及预应力筋锈蚀速率试验研究［J］.山西建筑，2010，36(10):5-6.