碱性环境下钢结构防腐及加固的研究

GXF360 2017-06-16

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碱性环境下钢结构防腐及加固的研究

原胜利　杨　蕊

(新乡学院土木工程与建筑系, 河南新乡　453000)

摘　要：主要介绍了碱性(NaOH)环境下，空气中的O2、CO2、SO2、Cl2对钢结构腐蚀的机理。钢结构发生腐蚀会降低结构的承载力，根据承载力降低的程度对结构采用不同的加固方法。工程实践证明：选用合适的加固和防腐方法可以提高钢结构的承载力，延长使用寿命，取得较好的经济效益。

关键词：碱性环境；钢结构；防腐蚀；加固

碱性环境的形成大多发生在工业区，工业废液中的碱液、工业废气中碱性气体等是建筑结构碱腐蚀的主要原因，钢结构是现代大型工业厂房的主要结构形式之一。这些工业厂房一般为单层或多层排架结构，基础部分可能存在钢桩，采用钢柱及钢屋架，需要采光或排气时屋面配置钢天窗架，屋面板采用钢板，吊车梁采用钢吊车梁，工业厂房内部有大量的钢结构工作平台、储料池或罐、工业设备基础等[1]。这些厂房的钢构件都在碱性环境下工作，受到碱性环境下的腐蚀影响。

1　碱性环境下钢结构的腐蚀

1.1　碱性环境下钢结构腐蚀的原因

铁锈的成分非常复杂，是铁的各种化合物的混合物，表面观察有各种颜色：橙黄、深棕、红、黑、绿以及白锈，含有FeO、Fe2O3、FeCl3、FeSO4、FeO(OH)、NaHFeO2、Fe(OH)3等多种复杂成分及其结晶水的混合物。橙黄色的锈说明是含有FeO(OH)的铁锈。

1.1.1　NaOH对铁的腐蚀

NaOH对铁的腐蚀是指游离氢氧化钠对金属铁的腐蚀。金属铁表面经常会被氧化成FeO，氧化后形成的FeO在铁表面变成了一层氧化膜(FeO)，金属铁表面的氧化膜起到一定的保护作用，能够防止内部钢铁继续被氧化、被腐蚀。但是随着外界温度、压力和氢氧化钠浓度的改变，NaOH能使钢铁表面的氧化膜(FeO)溶解。氧化膜(FeO)一旦被溶解，金属表面失去保护作用，从而使腐蚀过程连续发生。反应式为：FeO+NaOH→NaHFeO2。

由于NaHFeO2 易溶于水，因此该反应一旦发生，速度较快。这样，钢铁表面的氧化膜(FeO)被NaOH溶解，破坏了氧化膜，使氧化膜溶于水，铁的新表面又重新被氧化，形成新的氧化膜，新的氧化膜又重新被NaOH溶解。如此反复，形成恶性循环，使得NaOH对铁的腐蚀特别快、特别严重。

1.1.2　空气中的氧气对钢材的腐蚀

在碱性环境下，空气对钢材的腐蚀也是最基本的腐蚀方式之一。空气中的氧对钢材的腐蚀是较严重的腐蚀。当大气与大气中的雨水充分接触后，水中的溶解氧基本上处于饱和状态，因此在与大气和水接触的钢铁表面会发生氧腐蚀。明显的腐蚀仅在空气相对湿度超过约65%时才开始。在干燥清洁的空气及水的冰点以下，没有腐蚀的危险。实际上铁锈是一种电化学过程。因为电化学势的局部不同，而且存在电解质(例如水雾、露水、雨滴、自来水、盐溶液)，这样产生的电动势可达几百微伏。在电子学上，电动势能使带电粒子(电子及离子)移动，成为电和物质两者的运动。铁的金属结构物质被分解，与水和氧作用形成水化氧化铁，这种反应产物沉积在生锈的地方，反应继续进行时成为一层铁锈。锈层是无数单个腐蚀电池反应的总和，铁与水中溶解氧发生化学反应，对铁造成的腐蚀是一种电化学腐蚀。这种电化学腐蚀中铁和氧形成两个电极，组成腐蚀电池。电化学腐蚀的反应式为：

阳极反应　Fe=Fe2++2e-

阴极反应　O2+2H2O+4e-=4OH-

总反应　2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2

在电化学腐蚀中形成了新的化合物Fe(OH)2，这种化合物在水中会以离子形态出现，即游离的Fe2+ 和OH-。因水中含有溶解氧，所以Fe(OH)2将进一步被氧化为Fe(OH)3。随着外界温度、PH值、溶解氧含量变化，可得到更为复杂的腐蚀产物，例如铁的锈瘤即为mFe(OH)2·nFe(OH)3·pH2O或mFeO·nFe2O3·pH2O。在铁的电化学腐蚀中，最终氧腐蚀的产物是铁的氧化物。铁的氧化物由黄褐色到砖红色不等、次层为黑色粉末状。

1.1.3　空气中的CO2、SO2、Cl2等气体对铁的腐蚀

空气的成分相当复杂，尤其在工业空气中会含有多种气体，有些气体具有较强的腐蚀性，例如CO2、SO2、Cl2等酸性气体。由于空气的流动性很强，加上季节的变化等原因，在工业厂房的上空或室内，CO2、SO2、Cl2等酸性气体仍可能存在，腐蚀工业厂房的结构。在碱性环境的厂房内，碱性气体与建筑结构接触的时间会较长，但酸性气体对结构的短期接触而产生的腐蚀亦不能忽视。

高温或湿度较大的厂房内，空气中的CO2、SO2、Cl2等会溶解在空气中的水份、雨露或者高温空气遇冷空气形成的凝结水中，形成碳酸、硫酸、盐酸。只要溶解少量的CO2、SO2、Cl2，就能使这种水的pH值明显降低[2]。所以在建筑物高处很容易受到酸腐蚀，尤其是含有溶解氧时，这两种腐蚀相互促进，对钢结构金属腐蚀就将更加严重。即使在酸的浓度很低的情况下都会发生腐蚀，形成了很复杂的腐蚀过程。例如SO2在有适当触媒剂时，氧化作用使二氧化硫形成硫酸：2SO2+O2+2H2O=2H2SO4；H2SO4与铁和氧反应生成硫酸亚铁和水：2Fe+2H2SO4+O2=2FeSO4+2H2O；然后硫酸亚铁被氧化成硫酸铁。硫酸铁水解产生铁锈和硫酸：4FeSO4+O2+6H2O=4FeO(OH)+4H2SO4。

1.2　钢结构的腐蚀对承载力的影响

钢结构的腐蚀从钢材的表面开始，在腐蚀介质的影响下，首先在钢材表面生成一层铁锈，然后慢慢向内部和深处发展，铁锈的厚度越来越大，而钢构件的截面面积越来越小。钢结构未被腐蚀的材料，其材料性能与新材料相比基本上没有差别，其抗拉强度、抗压强度、弹性模量等指标基本上没有变化。钢结构构件受到腐蚀后，减少了钢结构构件的有效受力面积[3]，导致钢结构构件的承载力不足，降低了结构(或构件)的承载能力，降低了安全储备，有效受力面积的减小降低了结构(或构件)的刚度，增大了变形，影响了正常使用。

1.3　钢结构腐蚀后的评定

钢结构的腐蚀对建筑结构的承载力有所损害，结构的安全性、可靠性需要进行评定，以判定钢结构是否可以继续正常使用、是否需要谨慎使用、是否需要进行结构加固、还是必须进行加固。

评定钢结构腐蚀的重要指标是钢结构被腐蚀的面积，对空心或薄壳结构来说面积主要依赖于钢材的厚度。另外对钢结构的评定还有其他一些次要指标。现以钢板和钢桩为例说明钢结构腐蚀的评定标准。

钢板和钢桩钢构件腐蚀的严重性等级和可靠性评定按下列标准评定等级：1)钢板、钢桩没有或有轻微表面腐蚀，评定为a级，可以继续使用，不需要加固；2)钢板、钢桩腐蚀厚度小于原有壁厚的10%，评定为b级，应当谨慎使用，暂不需要加固；3)钢板、钢桩腐蚀厚度为原有壁厚的10%～20%，评定为c级，不宜继续使用，宜进行加固；4)钢板、钢桩腐蚀厚度大于原有壁厚的20%，评定为d级，不应继续使用，必须进行加固。

2　碱性环境下钢结构的加固措施

2.1　钢结构常用的加固方法

钢结构加固的主要方法有：减轻荷载、加大原结构构件截面和连接强度、改变结构受力途径、阻止裂纹扩展等。

2.2　钢结构加固的计算

被腐蚀的钢结构构件，当构件截面积在腐蚀中减少量大于原截面面积的25%，或腐蚀后的构件厚度小于5 mm 时，其材料强度设计值应根据腐蚀程度乘以相应的降低系数。如：Ⅳ类(弱腐蚀)降低系数为0.900,Ⅴ类(中等腐蚀)降低系数为0.850,Ⅵ类(强腐蚀)降低系数为0.800。被加固的构件还应该按工作条件对构件进行加固设计。如使用条件为繁重动力荷载作用下的焊接结构、直接承受动力荷载的结构、直接承受振动荷载的结构、间接承受动力荷载作用的结构，与仅承受静力荷载并允许按塑性设计的结构在设计时应区别对待。对于特殊环境中腐蚀钢结构的加固应专门研究确定。

完全卸载时，构件承载能力按加固后的截面进行计算，其计算方法与新结构相同。在负载状态下的加固，应按下列两种情况进行计算[4-5]。

1)承受静荷载且整体和局部稳定有可靠保证的钢结构构件，加固后的承载力计算。加固后的承载力计算，对承受静荷载且整体和局部稳定有可靠保证的情况，可按原有构件和加固零件之间塑性内力重分布的原则进行计算[6]，其表达式为：

(1)

式中：S为考虑荷载系数后的荷载效应；0.8为加固折减系数；Φ为广义构件稳定系数，当进行强度计算时取1；f为广义强度。

2)承受动荷载的钢结构构件，加固后的承载力计算。承受动荷载，或不符合上述条件的构件，应按弹性阶段进行计算，其表达式为：

(2)

式中：s1为加固前、卸除了一部分荷载后，考虑荷载系数的荷载效应；a为加固后构件截面的几何特性；a1为加固前原有构件截面的几何特性；Δs为加固后增加的荷载效应，该荷载效应应考虑荷载系数。

角焊缝补强宜采用增加焊缝长度(包括增加端焊缝)的方法，不宜采用增加焊缝厚度的方法。当采用增加焊缝厚度的方法加固时，应使原有焊缝在补强时的应力不大于焊缝设计强度的80%。

3　工程应用

3.1　工程实例

河南某化工公司蒸发厂房共3层，依次为4.000 m标高处的钢平台，13.900 m标高处的钢平台和28.500 m标高处的钢屋架。厂房柱距6.0 m,长度 66 m,宽度33.0 m。

至2011年，蒸发厂房已使用了33年，赤泥车间使用了42年。此时蒸发车间及新蒸发车间钢平台锈蚀面积占总面积的83%，其中位置较高的地方锈蚀严重；赤泥车间悬挂吊车梁钢轨道锈蚀严重，表面铁锈呈粉末状，棕黑色，钢屋架支撑锈蚀面积达100%，支撑与屋架的连接板严重锈蚀，杆件几乎脱落。4.000 m标高处的钢平台加固之前的样貌见图1，钢平台局部锈蚀严重部位见图2。

图1　4.000 m标高处钢平台加固之前

图2　4.000 m标高处钢平台局部锈蚀严重部位

3.2　防腐蚀及加固措施

1)4.000 m标高钢平台钢板锈蚀严重，将钢板拆除，同时换同等级的新钢板并刷防腐防锈油漆，见图3。平台上梁、柱等其他小型钢构件锈蚀轻微，不做加固处理，仅做除锈并刷70-H环氧铁红防腐涂料、H06-3环氧云铁防锈漆处理[7]。13.900 m标高钢筋混凝土平台梁抗弯能力不足，抗剪能力不足，裂缝较大。加固处理如下：梁底贴200 g碳纤维布两层，宽度与梁底宽相同，梁两端支座处贴200 g、100 mm宽、间距300 mm碳纤维布两层，梁缝灌胶。梁表面刷RP-W系列防腐砂浆。13.900 m标高处梁底加固见图4。

图3　换钢板、刷防腐防锈油漆后的面貌

图4　13.900 m标高处梁底加固

2)屋面钢支撑加固施工。由于28.500 m的标高，在施工中属于高空施工，施工难度较大。因此在施工中先将1榀钢支撑拆除、然后在地面上进行修补加固施焊。轻度腐蚀者刷70-H环氧铁红防腐涂料防腐、重度防腐者更换新的构件、刷H06-3环氧云铁防腐、吊装安装完毕，然后进行下一榀支撑的加固施工。

该厂房加固5年后，对加固工程做了调查回访和结构检查。检查结果如下：

1)钢平台、钢支撑结构使用正常，结构稳定，结构变形及挠度符合设计控制要求。

2)平台梁防腐层表面稳定，没有脱落、起皮等现象，说明防腐层作用明显，正在发挥着积极作用，混凝土及钢筋没有锈蚀。

3)构件表面无裂缝、无剥落，构件变形也没有发展，说明加固措施得当、效果良好，受力和变形两项指标都得到了控制，构件的刚度和强度都满足设计的要求。

4　结束语

实践证明在实际工程中做好碱性环境下钢结构的防腐与加固工作，可以保护钢结构免受腐蚀或者降低结构构件被腐蚀的速度。减少因腐蚀造成的经济损失，延长建筑物的使用寿命，节约资金，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]　范夕森.李树明.工业建筑的防腐加固[J]. 四川建筑科学研究，2004(3): 69-71．

[2]　GB 50046—95　工业建筑防腐蚀设计规范[S].

[3]　GB 50224—95　建筑防腐蚀工程质量检验评定标准[S].

[4]　Tachibana Yoshihiro，Maeda Kenichi．Mechanical Behavior of RC Damaged by Corrosion of Reinforcement[C]//Corrosion of Reinforcement in Concrete．London：Society of Chemical，1990：178-187．

[5]　GB 50661—2011　钢结构焊接规范[S].

[6]　古松，苏有文.既有钢筋混凝土结构构件承载力估算方法 [J].浙江工业大学学报,2009(8):459-463．

[7]　吴荫顺.腐蚀实验方法与防腐蚀检测技术[M].北京：化学工业出版社,1996.

STUDY OF ANTI-CORROSION AND STRENGTHENING OF STEEL STRUCTURES IN ALKALINE ENVIRONMENT

Yuan Shengli　Yang Rui

(Department of Civil Engineering and Architecture, Xinxiang College, Xinxiang 453000， China)

ABSTRACT：This paper introduced the corrosion mechanism of steel structure under the influence of O2, CO2, SO2, Cl2 in the air of alkaline environment. The corrosion could reduce the bearing capacity of steel structure, so according to the degree of reduction of bearing capacity, different strengthening methods were applied to the steel structure. Through an engineering example, it was proved that the bearing capacity could be improved by using the appropriate reinforcement and anti-corrosion methods, as well as its service life and economic benefits.