鋼結構防腐技術在自動化碼頭工程中的應用

丁志全，陳紅兵，劉觀發(fā)，廖振宇，潘長卿

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

鋼結構輕質(zhì)高強，具備良好的塑性變形能力以及沖擊韌性，易于裝配式施工和回收，是一種環(huán)境友好和應用廣泛的建筑材料。但長期以來鋼材存在腐蝕問題，易于在空氣和潮濕環(huán)境下腐蝕，尤其在海洋大氣環(huán)境中的鋼結構更易產(chǎn)生嚴重的腐蝕，進而導致鋼結構截面削弱等不利影響，給結構安全埋下重大隱患。鋼材腐蝕嚴重威脅到了建筑安全，在設計階段對鋼結構進行防腐設計能提高鋼結構的耐久性。為了滿足沿海地區(qū)鋼結構防腐設計要求，本文以欽州大欖坪某集裝箱自動化碼頭改造項目的鋼結構防腐設計為例，對港區(qū)鋼結構防腐技術應用進行研究。

1 項目概況

欽州大欖坪某集裝箱自動化碼頭改造項目是廣西打造的“千萬標箱”港口，也是國際陸海貿(mào)易新通道關鍵節(jié)點的重要組成部分。該項目位于我國南方沿海地區(qū)的欽州灣內(nèi)，地處亞洲東南部季風區(qū)，屬亞熱帶季風海洋氣候。該地區(qū)夏季空氣濕潤，冬季空氣干燥，并且夏季時間較長，冬季氣溫也較高，降雨量豐富。該項目處于中等含鹽量的海邊地區(qū)室外環(huán)境，腐蝕環(huán)境分類為C3或C4[1]。項目的鋼結構單體包括燈塔、冷藏箱架、廠房、通訊塔和閘口等建構筑物，材質(zhì)均為普通鋼，主要鋼結構防腐處理表面積約為1.0萬m2，見表1。

表1 項目鋼結構建構筑物情況

2 鋼結構防腐方法

2.1 耐候鋼

耐候鋼是在普通鋼中添加少量微量元素，在鋼材表面形成一道致密的保護膜，該保護膜與鋼結構表面黏附性好，可以阻止大氣中氧氣和水滲入鋼材基體，阻礙銹蝕向內(nèi)擴散和發(fā)展，減緩腐蝕速度，使鋼材的耐腐蝕性能大大提高。WANG等[2]采用失重法測定了海洋環(huán)境中含不同添加微量元素低合金鋼的腐蝕速率，結果發(fā)現(xiàn)添加不同微量元素的合金鋼腐蝕速率不同，對鋼材的耐腐蝕性能有顯著改善。耐候鋼主要用于長期暴露在腐蝕環(huán)境中的工業(yè)項目鋼結構，其性能優(yōu)越、應用廣泛，但由于造價高和施工維護復雜等缺點，對大面積鋼結構防腐工程而言具有一定局限性。

2.2 熱鍍鋅

熱鍍鋅防腐原理是讓鋼構件與鋅液接觸溶解，在鋼材表面形成鐵鋅合金鍍層，起到防腐作用。在熱鍍鋅防腐時，鍍層中的金屬間化合物鍍層的性能可以通過在鋅浴中添加不同的合金元素來改變[3]。熱鍍鋅具有如下優(yōu)點：首先，熱鍍鋅厚度較厚，鋅層厚度約為電鍍鋅的4倍[4]；其次，熱鍍鋅附著能力強，容易覆蓋全部鋼構件表面；再次，熱鍍鋅液具有較好的流動性，對于難以處理的防腐死角，熱鍍鋅基本可以全面覆蓋；最后，熱鍍鋅具有較好的耐碰撞性能，即使受到外力碰撞脫落，由于鋅的腐蝕電位低于鋼材，可以犧牲破壞區(qū)域的鋅層來抵擋腐蝕，從而達到鋼材防腐目的。但熱鍍鋅也存在一定缺點：有一定的污染性，造價相對較高，后續(xù)維護困難等。

2.3 涂料防腐

目前，防腐涂料產(chǎn)品總的發(fā)展趨勢需要遵循無公害、無污染、經(jīng)濟高效和節(jié)約能源的原則，其中包括常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料，可應用于不同的腐蝕環(huán)境[5]。相比于耐候鋼和熱鍍鋅，油漆防腐具有造價低、易修復和施工簡單等特點，目前在工業(yè)鋼結構中大量采用。油漆防腐主要內(nèi)容包括防腐涂料不同層組分和防腐涂料防腐期。

2.3.1防腐涂料不同層組分

根據(jù)涂層的不同位置，鋼結構防腐涂層可以分為底漆、中間漆和面漆。其中，底漆要具有耐腐蝕性和屏蔽性，且在基層上附著性較好，常見的底漆有環(huán)氧富鋅漆、聚氨酯漆和醇酸漆等；中間漆應具有填充性和修復底漆作用，其位于底漆與面漆之間，常見的中間漆種類有環(huán)氧云鐵中間漆和聚氨酯中間漆等；面漆與外界直接接觸，具有抵抗外界腐蝕和增加建筑美觀的效果，常見的面漆種類有氟碳面漆和丙烯酸聚氨酯面漆等，防腐涂料不同層組分見表2。

表2 防腐涂料不同層組分

2.3.2防腐涂料防腐期

根據(jù)ISO12944，低碳鋼的質(zhì)量和厚度在不同腐蝕環(huán)境下的損失見表3。由表可知，在沒有防腐措施情況下，鋼材隨著腐蝕環(huán)境變化，厚度損失嚴重。王承偉等[6]指出針對海洋腐蝕環(huán)境C3、C4，涂料的預期使用壽命受涂料體系、鋼材表面處理等級、涂層厚度、涂裝質(zhì)量和腐蝕環(huán)境等因素影響，見表4。

表3 低碳鋼的質(zhì)量和厚度損失

表4 不同環(huán)境下不同防腐涂層使用壽命

由表4可知：在C3和C4環(huán)境類別下，雖然涂料種類、涂層厚度相同，但鋼結構表面處理等級不同，使得涂層具有不同的使用壽命期限；同時，防腐使用壽命期限的長短主要受涂層厚度的影響。

2.4 防腐方案選擇

如前文所述，耐候鋼具有造價高和施工維護復雜等缺點，對大體量鋼結構防腐工程具有一定局限性。熱鍍鋅主要缺點為有一定的污染性、造價相對較高、后續(xù)維護困難等。涂料防腐能適應各類腐蝕環(huán)境，具有造價低、易修復和施工簡單等特點。因此，根據(jù)本項目特點，對大面積鋼結構選取涂料防腐方法。

3 涂料防腐設計

3.1 設計流程

涂料防腐設計流程的確定，首先應根據(jù)構件重要程度和腐蝕環(huán)境類別確定構件設計使用壽命和設計要求等因素；然后選擇防腐涂料涂層工藝、涂層體系和涂層厚度；最后確定防護方法，并進行經(jīng)濟技術比選，選出最佳防護方法。具體涂料防腐設計流程見圖1。

圖1 涂料防腐設計流程

3.2 經(jīng)濟技術比選

不同涂層材料的性能和市場參考價格見表5；3種不同體系(常規(guī)體系、高性能體系和超高性能體系)對應的涂裝方案見表6；3種方案的防腐施工費用對比見表7，根據(jù)相關研究[7]，方案1的材料損耗系數(shù)取1.2，方案2、3取1.5；本工程鋼材約有1.0萬m2施工面積，計算節(jié)約的工程費用見表8。

表5 涂料性能對比

表6 涂裝方案

表7 3種方案防腐施工費用對比元/m2

表8 3種方案工程費用對比

本工程主要承重構件防腐涂層系統(tǒng)設計使用年限為10 a，以表中各方案10 a的使用壽命對比，方案2的施工工程費最低，相比于方案1節(jié)約工程費52.132萬元，相比于方案3節(jié)約工程費8.437萬元；從工程費用、防腐效果、施工方便程度以及環(huán)境保護等方面綜合考慮，本工程最終采用高性能體系方案2。

3.3 防腐涂層方案

本工程主要鋼結構的防腐涂層設計使用年限為10 a。根據(jù)GB/T 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設計標準》[8]對方案2的涂層厚度進行細化，采用了3種不同的涂裝方案，分別為2A、2B和2C，見表9。

表9 防腐涂層方案

在保證達到防腐年限的前提下，根據(jù)不同構件的重要等級程度選取不同的防腐方案，具有施工簡單、造價優(yōu)化和維護方便等優(yōu)點。針對港區(qū)工業(yè)鋼結構的不同構件部位的重要程度，采用相匹配的防腐方案，見表10。

表10 構件防腐方案選用

3.4 防腐涂層施工和維護

鋼結構表面采用噴砂除銹處理，該處理方法可以將鋼結構表面的銹層和污垢清除，而且可以增加防腐涂料底漆與鋼結構表面的黏聚力，避免防腐涂層因外界物理作用脫落，延長防腐涂層的使用壽命；然后依次進行底漆、中間漆和面漆施工，每一道工序施工結束后需要進行質(zhì)量驗收，驗收不合格的不允許進行下一道工序；施工結束后應對完成涂裝的鋼結構進行保護，特別是近海港區(qū)迎風部位，要防止鋼結構涂層表面形成鹽液和結露；對后續(xù)施工造成的防腐涂層破壞要及時修補。通過后續(xù)施工質(zhì)量檢測，防腐涂層施工質(zhì)量滿足設計要求，從項目完工使用情況來看，防腐效果良好。

4 結論

1)相比耐候鋼和熱鍍鋅防腐，油漆防腐具有造價低、易修復和施工簡單等特點，在港區(qū)工業(yè)鋼結構大面積防腐中應用廣泛。

2)針對近海港區(qū)環(huán)境，通過不同防腐涂層工程費用的經(jīng)濟性對比，確定了高性能防腐體系方案，該方案既能保證防腐效果，又能節(jié)約防腐費用。

3)針對港區(qū)鋼結構的不同構件重要程度，選取對應的除銹等級和涂裝方案，實際應用效果較好。

4)通過施工質(zhì)量控制和施工保護措施能有效地提高防腐涂層施工質(zhì)量，保證涂層設計使用壽命和防腐效果。