浅析建筑钢结构涂层的应用

随着我国钢结构技术的发展，钢结构在建筑上的应用亦日益广泛。但钢结构容易锈蚀，所以，钢结构防锈成为钢结构工程中不可缺少的重要一环。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。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。

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

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，黑锈体积可大到原来的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　不同建筑钢结构涂层的特点及适用环境

2.1　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，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间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、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。

2.2　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。

2.3　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5～10年。

2.4　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。

2.5　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。

2.6　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、保光性和稳定性优良。一般用25%～70%酯类增塑剂、植物油、树脂、氯化石蜡等进行增塑。特点是常温快干，一天内可涂3～4次，膜厚可达200～300μm，可在-10℃～45℃宽范围下施工。耐腐蚀性、耐海洋大气性、抗水蒸气渗透性好。氯化橡胶漆价格15～20元/m²、15元/kg。

表1　常用钢结构涂层的特点及适用环境

氯化橡胶漆常用于特殊的化学防腐场合，日常民用建筑较少或不用。特别是因其含有放射性元素污染环境，对人体有害，而渐被淘汰。

2.7　防火涂层

钢结构防火涂料分膨胀型和非膨胀型，有薄型、超薄型、厚型，由新型阻燃树脂及多种高效阻燃隔热材料、发泡剂、助剂等组成。性能特点外观平整，与基材结合力强，耐冲击、抗震性好。

可配制多种颜色、装饰效果好等特点。涂料刷在钢结构表面时可起到防火、防腐、装饰作用，遇火时涂层表面迅速膨胀，形成均匀致密的防火隔热层，从而达到钢结构防火保护作用。大跨度重型钢结构建筑的承重钢结构件的防火涂覆保护。该涂层低密度、低导热率、高机械强度，可抗长达3h以上的强热气流剪切。价格7～10/m²、15元/kg左右，使用年限10～15年。

2.8　有机硅涂层

有机硅涂层的主链为-Si-O-，无双键存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解。有机硅具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力。有机硅中自然环境下的使用寿命可达几十年，有优异的耐候性；其化学键高低温下不断裂、不分解，不但可耐高温，而且也耐低温，可在一个很宽的温度范围内使用。另外，有机硅涂层还具有良好的电绝缘性能、疏水性，在湿态条件下使用具有高可靠性的保障。

3　钢结构涂层施工工艺

3.1　除锈

钢结构在涂刷防锈蚀涂料前，必须彻底除锈，将构件表面的毛刺、铁锈、油污及附着物清除干净，否则将严重影响涂料的附着力，并使漆膜下的金属表面继续生锈扩展，使涂层破坏失效，达不到预期的防护效果。目前钢结构常用的除锈方法在工厂中多为人工除锈喷砂、喷丸，随着国家标准及相关行业标准的陆续制定，钢结构表面除锈的质量控制已有相应的规定，如《钢结构工程施工及验收规范》(GB50205-1995)对喷射、抛射或手工、动力工具等划分了相应的等级。手工除锈，尽管其工效低，劳动条件差，除锈不彻底，但因其人工除锈费用低，仅为喷砂除锈的16%～19%，在漆种对钢结构表面处理要求不高的情况下，此种方式仍可采用。但在除锈质量要求较高的情况下，就要采用喷砂除锈。喷砂除锈是一种较为先进的除锈方法，对于同一种油漆，同样条件下，喷射除锈较手工除锈的漆膜寿命可延长3～5倍。它不仅除锈较彻底，而且工效高，操作简便，目前已广泛采用。酸洗除锈及酸洗磷化处理虽然除锈彻底，工效高，但仅适用于形状复杂及小型和薄壁型钢结构件。因酸洗槽设备的限制，目前大型构件尚应用不多。

凡漆层寿命要求在5年以上，必须采用喷砂或抛丸除锈，除锈等级达到Sa2.5级。

3.2　　施工工艺流程

基层检查→基层处理→除锈→防锈底漆施工→中层漆施工→面层漆施工→验收。

3.3　常用建筑钢结构除锈等级及涂层厚度(见表2)

表2　常用钢结构涂层的特点及涂层厚度

4　建筑钢结构涂层性能及采用标准

钢结构涂层使用寿命可用公式表示：T=L₂/6D。使用寿命T与涂层厚度L的平方成正比。增加涂层厚度能加强涂层的隔离能力，是提高涂层寿命、保护钢铁的有效手段。但厚度根据涂料品种的不同而不同。涂层太厚，容易引起开裂、剥落，反而降低防腐防锈效果。交工前要用涂层测厚仪和电火花检漏仪检查。

钢结构红丹醇酸防锈漆执行标准为HG3346-1999；富锌底漆为HG/T3668-2000；钢结构防火涂料标准为GB14907-2002；应用技术规范为GB/T5464-1999；环氧防腐涂层执行标准为HG/T2884-1997；氟碳漆喷涂型材建筑防水材料技术标准为GB/T9780-2005或HG/T3793-2005、钢结构施工质量验收规范GB50205-2001。常用钢结构涂层使用年限和价格见表3。

表3　常用钢结构涂层性价比

5　钢结构涂层使用和维护

常规设计中，钢结构在50年内出现因荷载过大而破坏的概率极小。国外大型的钢结构建筑使用年限有的超过100年。但是，由于钢结构一旦锈蚀，结构的力学性能将很难保证，《钢结构设计规范》中对使用超过25年的钢结构要求有较好的防腐措施，钢结构的厂房、板材等构件，供应商的质量保证一般都为10年左右。因此钢结构涂层使用年限已从1～2年、4～5年、6～8年延长到25年，从醇酸漆、丙稀酸漆、聚氨酯漆发展到高性能的氟碳漆。超过10年的钢结构建筑应定期维护和保养。

国家体育场鸟巢钢结构防腐工程展开面积约为284000m²，招标材料被指定为钢结构防腐氟碳漆，包括底漆、封闭漆、中间漆、面漆、色漆、罩面漆，其设计使用年限超过100年。

6　结论

钢结构建筑的使用越来越广泛，钢结构的安全和维护越来越重要，根据设计和使用的要求选用合适的涂层至关重要，钢结构对涂层的质量要求和维护要求正日益完善。