浅析建筑工程中的钢材选用与防护问题

王浩　蒋恩科　何乾

摘要：本文在大量收集资料，查阅建筑工程书籍的基础上，对当前建筑工程的钢材选用和防护问题做出了简要分析，内容涵盖了建筑钢材力学、工艺、耐久性三大性能，最后在选用钢材后，分析了钢材的耐久性提升方法。

关键词：建筑工程；钢材；应用

引言

建筑工程中所用到的各类钢材统称为建筑钢材，是一种在严格技术质量条件下生产的材料，具有材质均匀密实，强度硬度高，塑性韧性佳，能进行切割、焊接、栓接、铆接，可承受较大冲击荷载和振动荷载等诸多优点。由于钢材的这些优点，使得钢材不仅适用于一般的建筑工程，更广泛适用于大跨度结构和高层建筑中。钢材料发展至今，种类繁多，各种钢材的技术性能（拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性、硬度、可焊性以及耐锈蚀和防火性能等等）有很大差异，对应不同的建筑结构，合理选用适合的钢材，是一门技术问题。所以，我们要了解各种钢材的性能特征，做到在结构设计和施工中对症下药，恰当地应用钢材，增加建筑结构的稳定性和耐久性。

1钢材的发展

钢材经过多年的发展，目前种类十分繁多，钢技术也是目前发展成熟的技术，钢材已经成为我们社会生产的必备材料。按化学成分不同，钢材分为碳素钢（含碳量0.02%～2.06%）和合金钢。合金钢是指在碳素钢中加入一定含量的合金元素而制成的钢，按合金元素的含量不同，合金钢又可以分为低合金钢（合金元素总含量小于5%）、中合金钢（合金元素总含量在5%到10%）和高合金钢（合金元素总含量大于10%）。按钢材冶炼方式不同，分为氧气转炉钢、平炉钢和电炉钢。按脱氧程度不同，分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。按钢材内部杂质含量不同，分为普通钢、优质钢和高级优质钢。按用途分，还可以分为结构钢、工具钢、专用钢和特殊性能钢。按外形不同，亦可分为圆钢、角钢、板钢、工字钢、钢管、槽钢、H型钢、钢筋、钢丝和钢绞线等。

2技术性能及选用

钢材的性能主要有力学性能（拉伸性能、冲击韧性、硬度）、工艺性能（耐疲劳性、可焊性、弯曲性能）和耐久性（抗锈蚀、防火）。

2.1拉伸性能

钢材的拉伸性能是建筑钢材最常用也最重要的技术指标，通过拉伸试验，可以得到钢材的弹性模量E。弹性模量E的大小反映钢材抗变形的能力，弹性模量越大，钢材产生相同变形时所需要的应力值也就越大。拉伸试验中最重要的几个技术指标是屈服强度、抗拉强度、屈强比和伸长率。屈强比是屈服强度与抗拉强度的比值，它能反映钢材利用率和结构安全可靠度，在工程中，需要在不浪费钢材的情况下适当减小构件的屈强比，增大结构的安全储备，提高结构的安全可靠度。合理的屈强比一般是在0.6到0.75之间。伸长率是衡量钢材塑性大小的指标，建筑中选用伸长率大的钢材，当钢材要发生破坏时可以明显感觉到钢材的塑性变形，起到危险提醒的作用，给人员和财产撤离提供了时间。

2.2冲击韧性和硬度

冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力，对于承受冲击荷载的钢材，规范规定必须满足冲击韧性指标要求。试验中用冲击功来表示试件钢材所吸收的功，冲击功越大，钢材的冲击韧性越好。需要特别指出的是，温度对于冲击韧性的影响很大，钢材的冲击韧性会随着温度的降低而降低，钢材在0摄氏度以下时，其冲击韧性下降明显，钢材会由塑性转为脆性，这就是俗称的冷脆。所以，当钢材运用于高寒环境时，需要注意钢材的冷脆性能，避免钢材发生冷脆破坏。硬度也是表示钢材性能的一个重要指标，测试钢材硬度我们常使用布氏硬度法（HB）、洛氏硬度法（HRC）和维氏硬度法（HV）。

2.3冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受变形而不断裂的能力，钢材的冷弯性能以弯曲角度α、弯心直径d与钢材厚度（直径）a的比值 来表示，α角越大， 越小，表示钢材的冷弯性能越佳。试验发现，伸长率较大的钢材，其冷弯性能也是很好的。但是不可将伸长率指标替代冷弯性能指标，因为冷弯性能是一项利用更加严格的检验方法得出的指标，它能暴露出钢材内部存在的缺陷（气泡、杂质、裂纹等），同时冷弯性能也可以反映钢材的焊接性缺陷，可见，冷弯性能对于钢材选用的重要性。

2.4耐疲劳和可焊性

钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。我们习惯用疲劳强度来表示钢材的疲劳破坏指标。疲劳强度越高，说明该钢材接受交变力作用时抗破坏性能越强。在设计修建经常受到交变力（风荷载、浪压力、机械振动等）作用的建筑物时，就需要特别考虑到钢材的抗疲劳能力，选择疲劳强度高的钢材，可以完美地保证建筑物的抗疲劳要求。

钢材在使用过程中不可避免地需要进行焊接以满足不同构件的尺寸形状要求，所以在设计需要焊接的构件时，还要考虑到钢材的可焊性是否满足要求。可焊性好，那么鋼材在焊接部位才不会产生裂缝和应力集中，保证焊接部位的力学性能。可焊性受到化学成分和含量的影响，特别是碳、硫含量的多少，对可焊性起到重要影响。当涉及到大量焊接时，选择含碳量低的非合金钢能保证良好的可焊性。

2.5耐久性

钢材在使用过程中由于环境因素（暴露于空气、水中或者温度变化）变化，会发生一定程度的锈蚀。钢材表面与周围介质发生化学反应或者电化学反应，使得钢材有效截面变小，应力集中，钢材与混凝土的粘结力和承载力减小，加速结构的破坏。所以，暴露在潮湿环境下的钢材需要特别注意钢筋的防锈蚀问题，选用抗锈蚀能力强的钢材能延长结构的使用寿命，除此之外，采用电化学电池抗锈蚀也是很好的办法。

钢材在遇到高温时其强度也会显著下降，变形急剧增加，这说明钢材结构在火灾中会出现结构失稳。试验表明：钢材在300摄氏度时，其弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度开始出现明显下降；当温度持续升高到600摄氏度时，钢材以及基本失去了承载能力。由此可知，当钢材运用于易发生火灾或者环境高温地区的结构时，应当注意提高钢材的防火性，比如给钢材表面进行防火层处理。

3钢材防护

上文已经提到钢材的耐久性所面临的问题，主要是防锈蚀和防火。防锈蚀主要针对钢结构和混凝土中钢材两方面，应用于钢结构中，那么可以有如下方法进行防锈蚀处理。其一，在钢材中掺入合金元素，制成抗锈蚀能力较强的合金钢，适用于大构件；其二，采用电镀的方法，将其他耐锈蚀的金属覆盖在钢材表面，即为所谓的“金包银”，这种方法适用于小部件；其三，采用油漆涂层进行钢材覆盖，这种办法是用最为广泛，其缺点是耐久性不佳，需要时常补漆。应用于混凝土结构中的钢材防锈蚀与钢结构不同，混凝土本身在钢材表面生成的钝化膜对钢材有很好的保护作用，为防止在钝化膜失效的情况下钢筋被腐蚀，我们需要通过限制混凝土中氯离子含量和氯盐外加剂掺量的方法来保护混凝土中钢材。除此之外，增加混凝土保护层厚度和密实度，采用带保护层的钢材也是科学可行的办法。

另外一个问题是钢材的防火处理，防火处理的原理是采用绝热材料，阻隔火焰和热量，延长钢结构的升温时间。目前钢结构的防火处理手段主要是以包覆法为主，主要使用材料是防火涂料和阻燃性板材。

4结语

钢材是建筑工程中运用十分广泛的优秀建筑材料，它较之于胶凝材料、砂石材料、混凝土、建筑砂浆有许多优秀性能（例如自重轻、承载力大、可抗拉压、可塑性强等），但是其不耐锈蚀，防火性能差等缺点使得它在某些领域难以大展拳脚，使用中，我们需要结合构件的用途、使用环境、形状合理使用各种钢材，注意提高钢材的耐锈蚀性能和防火性能，补充钢材的短板，使得钢材可以运用到更多的领域中来。

参考文献：

[1]赵志曼.土木工程材料[M].北京：机械工程出版社，2006

[2]苏达根，李萃斌，张慧珍.土木工程材料疑难释义[M].北京：中国建筑工业出版社，2010

[3]吝杰，郑仁贵.建筑材料[M].南京：南京大学出版社，2011