钢结构腐蚀与涂层防护

(中建三局集团有限公司工程总承包公司山东分公司，山东 青岛 266033)

钢结构腐蚀与涂层防护

张磊 李子清

(中建三局集团有限公司工程总承包公司山东分公司，山东 青岛 266033)

钢结构处于不稳定状态会发生腐蚀现象，采用防腐蚀涂层是最有效、最经济、应用最普遍的方法，本文介绍了钢结构发生的电化学腐蚀反应现象，目前对涂层防护机理的研究现状及评定涂层防腐性能的方法，指出涂层防护机理的深入研究，对研制性能更优的防腐蚀涂料和涂装技术具有重要指导意义。

钢结构 腐蚀 涂层

0 引言

大型钢结构如桥梁、电视塔、高压线铁塔、大型水库闸、海上采油设施、集装箱等，都是长期处于海洋大气、工业大气腐蚀环境下，钢结构防锈成为钢结构工程中不可缺少的一环。而钢结构涂层对钢结构建筑的防锈防腐，以及维护钢结构的强度和使用起着重要的作用[1]。世界各国防腐蚀实践证明：涂料涂层防腐蚀是最有效、最经济、应用最普遍的方法[2]。目前常用于钢结构防腐防锈的涂层有红丹防锈类漆、环氧富锌类、氟碳类等。这些涂层在使用过程中各有优势和缺陷，我们力图通过研究不同涂层在钢结构使用过程中的锈蚀影响，而找出维护钢结构的有效方法。

1 钢结构的锈蚀机理

根据钢结构建筑周围的环境、空气中的有害成分(如酸、盐等)及水会对钢结构造成锈蚀等情况，钢结构的锈蚀可分为两类：化学锈蚀和电化学锈蚀[3]。

1.1 化学锈蚀

化学锈蚀钢结构表面与周围介质直接起化学反应而产生的锈蚀。如钢在高温中与干燥的O2、NO2、SO2、H2S等气体以及非电解质的液体发生化学反应，在钢结构的表面生成钝化能力很弱的氧化保护薄膜FeO、FeS等，其腐蚀的程度随时间和温度的增加而增加，这种情况在钢结构建筑中一般发生在特殊环境下。

1.2 电化学锈蚀

电化学腐蚀是防腐蚀领域中最重要的研究对象，其是指金属在水溶液中形成电池而引起的腐蚀。根据电化学腐蚀的机理，呈活化态的钢筋表面有水分存在时，有电势差，就发生铁电离的阳极反应和溶液态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行，其反应式如下：

阳极反应2Fe→4e-→2Fe2+

阴极反应O2+2H2O+4e-→4OH-

腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化铁，其反应式为：

2Fe+O2+2H2O-→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3，并进一步生成nFe3O3·mH2O (红锈)，一部分氧化不完全的变成Fe3O4(黑锈)，在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的4倍，黑锈体积可达到原来的2倍。铁锈体积膨胀，对周围产生压力，使保护层开裂或脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀，从而大幅降低钢结构的强度，造成坍塌和事故。钢结构用钢材产生电化学作用锈蚀须具备4个条件：①钢筋表面要有电势差；②阴极和阳极之间要有电介质联系；③在阳极金属表面要处于活化状态；④在阴极，钢筋表面要有足够数量的氧和水分。金属常用的防锈防腐保护基于3个基本原理：①屏障保护，利用涂层膜形成屏障，将钢铁表面和环境中的电解质隔离，在钢铁表面形成一道对空气中的水蒸气和氧气等的保护屏障；②化学抑制，在涂料中添加的有效化学成分，能抑制金属阳极或阴极反应；③电流(阴极)保护，利用涂料中的大量金属(锌、铝等)粒子积聚对钢铁产生电流保护，如同在钢铁表面上形成锌(铝)阳极。钢结构实际使用中防护主要是应用阴极保护和屏障保护。根据钢结构的锈蚀原理和钢结构建筑的使用情况选用不同的防护和维护涂层，还要根据建筑结构所处的环境、使用功能、经济性和耐久性、稳定性等因素来选用合适的防锈防腐涂料，这样就要对不同的涂层作详细的了解。

2 钢结构涂层作用机理

2.1 钢结构涂层简介

用于钢结构防护的涂层主要有有机涂层和金属涂层两种。

(1) 有机涂层

有机涂层是与无机涂层对应的成为，并没有严格的定义，有机涂层是有机涂料涂装于基体上干燥形成的，早期的涂料通常叫做油漆。其主要成膜物质和溶剂等，是以有机材料为主体的。有机涂层的主要构成大体是[4]：

(2)金属涂层

考虑到电化学腐蚀因素，在涂料中加入一些比被保护基体更活泼的金属粉(电极电位比被保护介质高)，如锌粉作填料，当电解质渗入到被防护金属表面发生电化学腐蚀时，涂料中的金属就作为牺牲阳极而被溶解，使得基体金属免遭腐蚀。如在形成电池反应时，Zn为阳极分解成为Zn+，与在阴极处生成的OH-反应生成Zn(OH)2，Zn(OH)2再与CO2反应生成ZnCO3，它们都为碱性，因此可以保护钢铁不再受腐蚀。

2.2 钢结构涂层作用机理

钢结构的涂层防护一般选用防腐、防锈类涂料。该类涂料有以下两方面的作用防护作用原理。

(1)隔离环境的作用

在钢基体表面，涂料形成完整的有机膜层，将环境介质(氧、水、酸、碱、盐等)与钢基体隔离开来，从而消除“腐蚀电池”形成的条件，达到保护钢基体不受腐蚀的目的。这是一种物理作用，其可靠度是有一定限度的。主要是有机膜层不能完全隔离环境，仍有介质(氧、水等)能够渗透到钢表面，渗透能力取决于膜体材料、施工工艺等。另一方面，随着时间，膜层隔离环境的作用会减弱，因此，单靠物理隔离作用，往往不能有效地保护钢基体。

(2)缓蚀钝化作用

加入防腐蚀成分(缓蚀颜料，防锈颜料)这是防腐、防锈类涂料的独有特点。当在成膜物质内加入一定量的被称作“缓蚀剂”的物质时，即使有机膜层不能完全隔离环境、乃至已经有“腐蚀电池”形成，“缓蚀剂”可以有效地阻止、减缓钢基体腐蚀的发生与发展，以达到更好的防护目的。

3 不同建筑钢结构涂层的特点及适用环境

3.1 醇酸涂层

醇酸系列漆有醇酸红丹防锈底漆、醇酸铁红防锈底漆、醇酸云铁防锈底漆或中间漆、醇酸磁漆。

在一般的钢结构工程中，可以选用防锈能力强，有较好的坚韧性、防水性和附着力的油性红丹防锈漆作为防锈底漆，或环氧漆为面漆。红丹防锈漆的原理是采用处于晶格外层的铅离子与腐蚀初始阶段的铁离子产生离子置换生成难溶物质[4]。红丹在水和氧的存在下与油基漆生成铅皂，其裂解的单羟酸铅、二羟酸铅盐具有缓蚀作用。铅离子与许多腐蚀介质生成如硫酸铅等不溶性盐，铅皂的封闭作用随时问生成致密和结实涂层，具有较好的附着力、光泽性、保色性较好，但耐酸碱及耐水性差，只能用于室内，不能用于室外，其使用年限约3～5年。生产红丹漆需要大量的有色金属铅，虽然价格低廉为8～10元/m2、10元/kg，但为保证工人身体健康，许多科研和制造单位正积极研制替代红丹防锈底漆的漆料。

3.2 酚醛涂层

酚醛涂层防腐蚀性、耐磨性、耐水性、绝缘性好，但耐老化差，涂膜硬脆，不适合室外用，建筑上用得较少，主要用于门窗、家具。有酚醛红丹防锈底漆、酚醛锌黄防锈漆、酚醛云铁防锈底漆。

3.3 富锌涂层

钢结构富锌涂层分无机富锌漆和有机富锌漆：有机环氧富锌漆由锌粉、环氧树脂和固化剂配制而成，主要用于钢结构的重防腐涂装体系作长效通用底漆，也可用作镀锌件的防锈漆，其应用的适宜温度为10～35℃，并避免在雨、雾、雪天施工涂刷；无机富锌漆主要以水玻璃为基料，加入锌粉、漂浮剂和固化剂等配制而成，此漆具有与镀锌层相同的阴极保护作用，为可焊漆，其耐候性及耐老化性能良好，可耐450℃的温度，但耐酸碱度差。这种涂料对钢结构表面处理要求较高。一般规定应达到Sa2，5级标准。在低温、高温情况下，该涂料不可施工。它与钢结构表面之间有优异的物理、力学性。漆膜中富含锌，在机械加工及运输和安装过程中漆膜划伤处铁锈不蔓延，在盐水浸渍下划伤，能保持划痕处铁金属的光泽。同时，作为保养底漆，室内或露天均能达到半年以上的防锈效果。切割、焊接加工时烧伤面积小，带漆焊接后，焊接强度不受影响。由于防护效果及可焊性均佳，将其用于钢结构出厂前的防腐底漆涂刷，可保护钢结构在运输过程中不致锈蚀，又不影响工地现场的焊接和安装。富锌涂层价格一般在25～35元/m2、15元/kg，富锌涂层的使用年限约510年。

3.4 环氧涂层

钢结构环氧涂层有环氧红丹漆、环氧富锌漆、环氧铁红漆、环氧磷酸漆、环氧云铁漆等，不耐紫外线，附着力、耐碱、耐盐水、绝缘性、防腐蚀性好。

3.5 氟碳涂层

氟碳漆是由氟碳树脂、颜料、助剂等加工而成，是目前综合性能最优异的涂料之一。由于树脂分子内含有机物中键能最高的C～F键，使得氟碳漆涂料具有许多优异于普通涂料的特殊性能。主要表现在耐候性、耐盐性、耐洗性、不粘附性等方面。其性能指标均数倍优于普通涂料，故氟碳漆有“涂料王”的誉称。氟碳漆科用于各种环境下建筑表面的装饰与保护。氟碳漆特点：高档装饰，超长耐久，不粘尘，有自洁功能；施工温度在5～35℃为宜，相对湿度小于80%。其与传统涂料比较，具有更加出色的耐光、耐侯性；操作更简易，翻新容易，不受建筑物形状的限制。可任由设计者发挥想象力；价格在70～150/m2、150元/kg左右，使用年限20～50年，综合性能优异。

3.6 氯化橡胶涂层

以含氯量达65%的氯化橡胶为主要成膜物质的涂料。通过溶剂挥发干燥成膜，涂膜坚硬、耐候性、保光性和稳定性优

4 评定涂层防腐性能的方法

目前除广泛采用的常规测试方法，如盐雾验、湿热试验、浸渍试验和耐侯试验外，还采用流电化学测试、交流阻抗谱法、电化学噪声法、渗透电流法等[6]。下面分别介绍。

4.1 直流电化学法

涂层钢板防腐蚀性的直流电化学法测试法分电位/时间法、直流电阻法、极化曲线法和极化阻法等。这些方法主要用在实验室研究中，并不宜用来评定涂层钢板的耐蚀等级。其中电位/时法最简单，而Kinsella采用直流电阻法时发现漆并不是均匀的，有D区和I区之分，D区在溶液导率高时电阻越低，这样就容易发生腐蚀；I区溶液电导率高时电阻越高，不容易发生腐蚀，I大多是组成漆膜的基料聚合物的交联点厂。采极化曲线法所测得的结果与实际情况有差别。leidheiser认为I区漆膜无大的缺陷，电解质溶液度高，水透漆膜中的量减少，这样使电阻升高，区膜有毛孔损失，能使电解质溶液通过，这样电质溶液浓度越高，漆膜的电阻越低。

4.2 交流阻抗谱法(EIS)

上述直流电化学法测试法是迫使离子以一种向透过漆膜，这样会引起涂层钢板腐蚀加速，而交流阻抗谱法避免了此缺陷，使用交流阻谱法可以得到涂层在不同交流频率下的阻抗和电值，以及涂层下金属界面的信息。从电容值可以量涂层的吸水量，从电阻值可以衡量涂层的防蚀能，由涂层下面金属电化学腐蚀电荷传递电阻可估算金属腐蚀速度，这样可以对腐蚀发生时涂层面金属界面的变化进行比较直观的研究，目前美Rockwell科学中心按照EIS测量法的测试要求，发出了用于涂层钢板常规分析的测量装置，相应建立了一套快捷的、形象直观的、便于使用的涂阻抗快速解析方法。

4.3 电化学噪声法(ENM)

电化学噪声法是通过测量工作电极和参比电之间或两个相同电极之间产生的自发电流和(或，电压波动来分析、评价涂装金属防腐性能的方法。在研究涂层的性能时，双电极结构的应用最普遍，涂装金属的有效噪声阻抗Rn近似于系统电荷转移阻抗，见下式：

式中V：工作电极相对于参比电极的平均电位Bierwagen等人提出了该式的交变函数，并讨论了该函数的偏差，同时在进行ENM测量过程中，对流动、电极对称性、浸渍电解质溶液成分、温度及统计偏差的影响进行了研究，并应用ENM对管道涂层、船用涂层、航空涂层及电沉积涂层进行了研究。

4.4 氢渗透电流法

氢渗透电流法是由日本大阪府立大学山川宏二教授等人发明，它应用涂层下阴极还原反应产物氢的渗透原理，通过测量氢的渗透量和变化规律，可确定涂层下腐蚀反应过程的难易程度，进而评价涂层耐蚀性和耐剥落性。

大庆油田建设设计研究院与日本涂料公司于1994-1997年进行合作，采用氢渗透电流法对国内外几种典型的钢管内防腐(有机)涂层的性能进行了评价。这是氢渗透电流法在世界上首次用于现场试验，其与其它常规测试方法结果基本吻合。

氢渗透电流法的优点是可在实际工况条件下分析、研究钢管内防腐涂层的防护效果及其影响因素、腐蚀规律以及涂层与金属界面间的电化学行为，进而评价涂层的综合性能。它可用于指导涂层材料的配方研究和施工工艺选择，为经济防腐涂层材料及其结构设计提供依据，并对涂层使用寿命进行预测。国内外近几年开发的电化学噪声法、涂层阻抗快捷解析方法、氢渗透电流法等几种新的方法已初步应用于有机涂层防腐性能的评价，并取得了一定的成效。如将这几种方法结合起来进行研究，必将进一步完善有机涂层防腐性能的评价技术，并为有机涂层使用寿命的预测探索出一条新途径。探讨，有助于我们研制更理想的防腐蚀涂料及涂装技术。

5 结语

随着新型分析仪器和技术的出现，目前除了可以用上述方法进行观察和测量外，近年来也有用EDXA (能散X射线分析)、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)谱等对漆膜下钢结构表面层的变化进行深入的研究。对防腐蚀涂层防腐机理的深入探讨，有助于我们研制更理想的防腐蚀涂料及涂装技术。

[1] 刘勇. 浅析建筑钢结构涂层的应用[J]. 安徽建筑.2008(4).79-81.

[2] 虞兆年. 防腐蚀涂料和涂装[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002,7.

[3] 泰国治.大型钢结构的腐蚀与长效涂层防护[J]. 现代涂料与涂装. 2000(5).

[4] 洪乃丰. 基础设施蚀防护和耐久性问与答[M]. 化学工业出版社. 2003.143-145.

[5] 王泳厚. 实用涂料防腐蚀手册. 北京: 冶金工业出版社.1991.

[6] 黄桂柏, 雷松华, 曲良山. 评价有机涂层防腐性能的几种新方法.管道技术与设备, 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

张磊 (1987－) ，男，山东临沂人，助理工程师，学士，主要研究方向为施工技术及管理。