防腐、防火的建筑钢材

2023-10-10 理论教育版权反馈

【摘要】：钢材是不燃材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。同时钢材本身的组织成分对锈蚀影响也很大。所以重要的预应力承重结构，除禁止掺用氯盐外，应对原材料进行严格检验。钢结构的防火保护措施主要有以下几种。

【任务背景】　钢材虽然有许多优点，但生锈腐蚀是一个致命的缺点，国内外因锈蚀导致的钢筋混凝土结构及钢结构事故时有发生。生锈腐蚀将会引起构件截面减小，承载力下降，尤其是腐蚀产生的“锈坑”将使钢结构脆性破坏的可能性增大。在影响安全性的同时，也将严重影响钢结构的耐久性，使得维护费用高。有关资料统计，世界钢结构产量约1/10因腐蚀而报废；混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。因此，为保证钢材在工作过程中不被腐蚀，必须采取防护腐蚀措施。

钢材是不燃材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。因为耐火试验和火灾案例调查表明，温度在200℃以内，可认为钢材的性能基本不变；当温度超过300℃后，弹性模量、屈服强度和极限强度均显著下降，应变急剧增大；达到600℃时，已失去承载能力。所以，钢材必须进行防火处理。

1.钢材的防腐

1）钢材的锈蚀

钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到破坏的过程，根据锈蚀的作用机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种。

（1）化学锈蚀

化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀，这种锈蚀大多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。在常温下，钢材表面能形成一薄层钝化能力很弱的氧化保护膜，它疏松、易破裂，有害介质可进一步渗入而继续发生反应，造成锈蚀。因而在干燥环境下，钢材锈蚀进展缓慢，但在温度和湿度较高的环境中，化学锈蚀进展加快。

（2）电化学锈蚀

电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。它是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。钢材含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极电位不同，形成许多微电池。在潮湿环境中的钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，在阳极区铁被氧化成Fe2+离子进入水膜，因为水中溶有来自空气中的氧，故在阴极区氧将被还原为OH-离子，两者结合成不溶于水的Fe（OH）2，并进一步氧化成疏松易剥落的红棕色铁锈Fe（OH）3，电化学锈蚀是钢材最主要的锈蚀形式。

影响钢材锈蚀的主要因素是水、氧及介质中所含的酸、碱、盐等。同时钢材本身的组织成分对锈蚀影响也很大。埋于混凝土中的钢筋，由于普通混凝土的pH值为12左右，处于碱性环境，使其表面形成一层碱性保护膜，具有较强的阻止锈蚀继续发展的能力，故混凝土中的钢筋一般不易锈蚀。

2）防止钢材锈蚀的措施

（1）提高产品本身防锈蚀的能力

钢材的组织及化学成分是引起锈蚀的内因，通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效提高钢材的抗腐蚀能力，例如，在钢中加入一定量的合金元素铬、镍、钛等制成不锈钢，可提高耐锈蚀能力。

（2）在使用过程中增加保护层

常用方法是在表面施加保护层，使钢材与周围介质隔离，保护层可分为金属保护层和非金属保护层两类。

金属保护层是用耐蚀性较好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，如镀锌、镀锡、镀铬等。薄壁钢材可采用热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层等措施。

非金属保护层常用的是在钢材表面刷漆，常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等；面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。该方法简单易行，但不耐久。此外，还可采用塑料保护层、沥青保护层、搪瓷保护层等。(www.chuimin.cn)

（3）混凝土配筋的防锈措施

根据结构性质和所处环境条件等考虑混凝土的质量要求，主要是保证混凝土的密实度（控制最大水灰比和最小水泥用量，加强振捣）、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺量和保证混凝土一定的碱度等，还可掺用阻锈剂（如亚硝酸钠等），国外有采用钢筋镀锌、镀镍等方法。对于预应力钢筋，一般含碳量较高，又多系经过变形加工或冷加工，因而对锈蚀破坏较敏感，特别是高强度热处理钢筋，容易产生应力锈蚀现象。所以重要的预应力承重结构，除禁止掺用氯盐外，应对原材料进行严格检验。

2.钢材的防火

1）钢材不耐火的原因

①在高温下强度降低快。在建筑结构中广泛使用的普通低碳钢温度超过350℃，强度开始大幅度下降，在500℃时约为常温时的1/2，600℃时约为常温时的1/3。冷加工钢筋和高强钢丝在高温下强度下降明显大于普通低碳钢筋和低合金钢筋，因此，预应力钢筋混凝土构件，耐火性能远低于非预应力钢筋混凝土构件。

②钢材热导率大，易于传递热量，使构件内部升温快。

③高温下钢材塑性增大，易于产生变形。钢构件面积较小，热容量小，升温快。处于火灾高温下的裸露钢结构通常在15min左右即可丧失承载能力，发生倒塌破坏。

2）钢材防火措施

由于钢材不耐火，对钢结构采取防火措施就尤为重要。钢结构防火的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，或涂层吸热后部分物质分解出水蒸气或其他不燃气体，降低火焰温度和延缓燃烧，推迟钢结构的升温速度。钢结构的防火保护措施主要有以下几种。

①外包层，就是在钢结构外表添加外包层，可现浇成型，也可采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或石膏砂浆，也可掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶黏剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。

②充水（水套），空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施，这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度、水在钢结构内循环、吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环或由管道引入凉水来取代受热的水。

③屏蔽，钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内或将构件包藏在两片墙之间的空隙里，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种最为经济的防火方法。

④涂刷防火涂料。采用钢结构防火涂料保护构件，这种方法具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点，一般不需要添加辅助设施且涂层质量轻，还有一定的美观装饰作用，属于现代的先进防火技术措施。

【课堂思考与讨论4-6】

（1）查询《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249—2017），了解单层、多层和高层建筑的耐火极限及相关规定。

（2）查询资料，了解美国金门大桥的防腐措施？

防腐、防火的建筑钢材

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