? 几种钢结构材料的耐久性研究*刘 昕 江社明 佟 方 张启富 (中国钢研科技集团有限公司先进金属材料涂镀国家工程实验室， 新冶高科技集团有限公司， 北京 100081) 摘 要：通过中性盐雾试验检测Q235、耐候钢、镀锌钢、镀铝锌硅钢、镀锌铝镁钢的耐蚀性，利用扫描电镜及能谱仪观察和分析腐蚀前后表面形貌及成分。结果表明，海洋性环境镀锌层耐蚀性是裸钢的3～5倍，镀铝锌和镀锌铝镁耐蚀性是镀锌层的6倍以上。建议在耐蚀性要求较高或使用寿命要求较长时选择镀铝锌钢或镀锌铝镁钢。 关键词：钢结构； 耐蚀性； 中性盐雾试验； 镀层钢； 镀锌钢 1 概 述钢结构以其施工速度快、可施工跨度大、造型多变、综合造价低等优点得到了广泛应用。但是由于钢结构易腐蚀，而使其在工程应用中受到了限制，如果钢结构腐蚀危及到运行安全则后果十分严重。现代钢结构的防腐不仅根据应用环境的不同来选择不同的漆层种类和厚度，而且不同应用环境下钢结构本身材质的选择更加重要。只有采取钢结构材质耐蚀性和涂镀层耐蚀性均较好的防腐措施[1-5]，才能保证钢结构在恶劣的应用环境下长期安全使用，才能真正保护生命财产安全、节约资源利用。 本文对几种材质及镀层的钢结构进行实验室耐蚀性研究，对其耐蚀性进行对比，并观察了镀层钢腐蚀前后表面形貌并进行了能谱分析。 2 试验材料及分析方法试样材料为祼钢Q235和耐候钢(09CuPCrNi)，镀层钢包括镀锌硅钢、镀铝锌硅钢、镀锌铝镁钢，镀层单面厚度分别为7,7,20 μm。 耐久性试验为连续中性盐雾试验，试验标准按照GB/T 10125—2012 《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》执行。每种试样均分别在200,300,500,1 000 h时取出一组试样，将腐蚀产物清除掉，测腐蚀前、后失重，从而计算腐蚀速率。 采用FEI Quanta650场发射扫描电子显微镜(SEM)，并结合EDAX公司Pegasus Apex 4型EDS能谱仪对镀层钢板试样腐蚀前、后的表面微观形貌等进行观察研究和能谱分析。 3 结果与分析3.1 连续中性盐雾结果 图1是裸钢及镀层钢在连续中性盐雾1 000 h后照片，从图1中可知：裸钢表面被厚且疏松的氧化皮覆盖，镀锌层消耗完已布满红锈，镀铝锌和镀锌铝镁钢表面覆盖白锈，表面相对致密平整。  a—Q235钢;b—耐候钢;c—镀锌硅钢;d—镀铝锌硅钢;e—镀锌铝镁钢。 图2为不同钢结构基板在经过连续中性盐雾试验后得到的腐蚀失重曲线，通过中性盐雾试验结果可知，对于上述5种基材，镀锌铝镁板耐蚀性最好，其次为镀铝锌硅板，而没有镀层保护的Q235和耐候钢在中性盐雾环境下的腐蚀速率相对于镀层钢板要大3～5倍。1 000 h中性盐雾试验镀锌板失重率(约204.5 g/m2)是镀铝锌硅板腐蚀失重率(32.1 g/m2)的6倍，是锌铝镁镀层钢板腐蚀失重率(7.3 g/m2)的28倍。因此，镀层耐蚀性镀铝锌硅钢和镀锌铝镁钢的耐蚀性要优于镀锌钢许多，但是成本会有所增加，可根据实际情况选择镀层种类，满足钢结构建筑使用寿命要求。  图2 中性盐雾失重率 在环境相对恶劣的场所最好选用耐蚀性相对较好的镀铝锌硅板或是镀锌铝镁板。其中值得关注的是连续中性盐雾试验结果中1 000 h后耐候钢的失重率高于Q235钢的失重率，这一结果有待更深入的研究。 3.2 镀层钢板腐蚀前后表面形貌及能谱分析 在经过连续中性盐雾腐蚀后，由于Q235钢和耐候钢表面出现片状腐蚀产物且成块脱落，显微照片已经不能正确反映其表面形貌。因此，此处仅对镀层试样连续中性盐雾前后表面形貌进行观察和分析。 各种镀层试样的表面微观形貌以及微区成分分析见图3及表1。连续中性盐雾(48 h)后镀层表面形貌见图4，EDS成分分析见表2。 从图3、表1和图4、表2可以看出，用SEM显微镜观察试样的外观，在盐雾试验前，3种试样的表面相对均匀平整，在经过一段时间的中性盐雾试验后，试样表面被一层白色的腐蚀产物所覆盖。从图4中看出，纯锌镀层钢板在中性盐雾试验后表面腐蚀产物疏松存在孔洞，腐蚀产物疏松易脱落(图4a)。铝锌硅镀层表面腐蚀产物层也较为疏松，但与纯锌镀层表面腐蚀产物相比分布紧密些(图4b)，与镀锌铝镁钢试样(图4c)表面腐蚀产物相比，图4a和图4b试样表面腐蚀产物颗粒较大，更粗糙，分布不均匀。腐蚀之前，试样表面的Al、Zn、Mg、Si等元素经过480 h的中性盐雾腐蚀试验后，均具有不同程度的减少，O、C、Cl等元素含量均有不同程度的增加。O含量增加的多，说明腐蚀产物中氧化物的含量增多，但是暂时不能确定腐蚀产物的成分。  a—镀锌硅钢;b—镀铝锌硅钢;c—镀锌铝镁钢。 表1 EDS能谱仪成分分析  位置镀锌硅钢Wt/%镀铝锌硅钢Wt/%镀锌铝镁钢Wt/%AlFeZnAlSiFeZnMgAlFeZnA2.832.0895.0942.060.233.1553.3711.412.011.9584.64B1.931.7696.3164.610.802.5132.088.386.211.9883.44C2.151.7296.1357.421.148.8632.5818.293.081.7776.87 注：Wt为质量百分比。  a—镀锌硅钢;b—镀铝锌硅钢;c—镀锌铝镁钢。 表2 连续中性盐雾48 h后EDS能谱仪成分分析  位置镀锌硅钢Wt/%镀铝锌硅钢Wt/%镀锌铝碳钢Wt/%OFeAlZnClCOZnSiAlClCOZnMgAlClA26.631.530.4165.827.5578.468.046.9920.896.5123.0123.4550.310.450.52.28B26.08——69.654.2713.2459.153.8720.892.8518.0227.0651.910.090.012.22C32.54——62.544.92 根据文献[5-8]，镀锌硅层、铝锌硅镀层和锌铝镁镀层在中性盐雾后表面形成的腐蚀产物主要是由氧化锌(ZnO)、碱式碳酸锌(Zn5(CO3)2 (OH)·6H2O)和碱式氯化锌(Zn5(OH)8Cl2·H2O)组成。碱式氯化锌是不溶性物质，它的存在有效隔断了镀层与外界物质的传输，增强了锌合金镀层的耐蚀性。但是铝锌硅镀层和锌铝镁镀层中的铝和镁能够使碱性碳酸锌变得稳定，不易形成疏松的氧化锌而表现出更高的耐蚀性。 4 结 论1)在海洋性气候中，Q235、耐候钢、镀锌硅钢、镀铝锌硅钢和镀锌铝镁钢的耐蚀性为：Q235和耐候钢耐蚀性要差于镀锌层钢耐蚀性3～5倍，铝锌硅镀层和锌铝镁镀层耐蚀性在镀锌板耐蚀性6倍以上。 2)碱式氯化锌的存在使镀层钢板耐蚀性较裸钢显著提高，其中铝和镁更能使镀层的耐蚀性大幅提高。
3)在腐蚀环境较为苛刻的海洋气候环境或是其他要求较长使用寿命的环境，钢结构建筑可选择耐蚀性更好的镀层钢做为基材。 参考文献 [1] 鲁开英. 钢结构腐蚀及其防腐保护[J]. 河南建材, 2008 (6): 28-29. [2] 李锐, 翟志斐. 海边高腐蚀环境下的防腐控制[J]. 科技传播, 2011(16): 121. [3] 左华. 钢结构建筑防腐保护工程的质量控制[J]. 浙江建筑, 2011, 28(6): 67-69. [4] 李伟. 酸性烟气环境下的钢结构防腐[J]. 铜业工程, 2015 (2): 22-24. [5] 张小全, 王显旺, 周茂臣, 等. 钢结构超厚锌层热浸镀锌技术[C]//2014 年全国建筑物鉴定与病害处理学术交流会论文集.2014. [6] 林源. 热浸镀锌铝镁镀层组织结构与耐蚀机理研究[D]. 昆明：昆明理工大学, 2014. [7] 李锋, 吕家舜, 杨洪刚, 等. 锌铝镁镀层在 NaCl 体系中的腐蚀行为[J]. 中国表面工程, 2011, 24(4): 25-29. [8] 吕家舜, 李锋, 杨洪刚, 等. 热浸镀锌铝镁钢板镀层组织及腐蚀性能研究[J]. 材料工程, 2012 (10): 89-93. RESEARCH ON THE DURABILITY OF SEVERAL STEEL STRUCTURE MATERIALSLiu Xin Jiang Sheming Tong Fang Zhang Qifu (National Engineering Lab of Advanced Coating Technology for Metals，China Iron & Steel Research Institute Group, New Metallurgy Hi-Tech Group Co. Ltd， Beijing 100081, China) ABSTRACT：The anti-corrosion resistance of Q235 steel, weathering resistant steel, galvanized steel, galvanized steel and Zn-Al-Mg coated steel were tested by neutral salt spray test(NSST), and the surface morphology and composition were observed and analyzed by scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive spectroscopy(EDS). The results showed that the corrosion resistance of galvanized steel was 3 to 5 times of the bare steel’s corrosion resistance, and the galvanized steel and Zn-Al-Mg coated steel had more than 6 times corrosion resistance than the galvanized steel. It was recommended that galvanized steel or Zn-Al-Mg coated steel should be chosen when the longer service life was needed or under poor environmental condition. KEY WORDS：steel structure; corrosion resistance; neutral salt spray test; coated steel; galvanized steel DOI:10.13206/j.gjg201602023 收稿日期：2015-08-25 *“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B03)。 第一作者：刘昕，男，1985年出生，博士，工程师。 Email：lxv20032003@163.com |
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