沿海區(qū)域建筑鋼結(jié)構(gòu)金屬熱擴滲防腐技術研究

陳維謀

（福建兆佳建設有限公司，福建 晉江 362200）

1 引言

鋼鐵是建筑建設的重要建材，但是建筑鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)腐蝕的問題，每年全球鋼鐵腐蝕問題導致的直接經(jīng)濟損失近萬億美元，嚴重影響建設安全和穩(wěn)定[1]。而沿海區(qū)域由于氣候潮濕，是鋼鐵腐蝕問題最為嚴重的區(qū)域，多數(shù)沿海區(qū)域的大氣腐蝕等級偏高。而金屬熱擴滲技術能借助原子擴散效應，使可滲金屬原子進入基體表面，從而在基體表面形成冶金結(jié)合的金屬滲層，達到提升基體表面性能的效果[2]。金屬熱擴滲利用金屬原子的熱擴滲實現(xiàn)基體表面強化，能通過滲層金屬材料的引入提升基體的耐磨、抗腐蝕、抗氧化等多方面性能。因此，本文結(jié)合金屬熱擴滲技術進行建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐處理，提出了一種鋅鎳金屬熱擴滲技術，利用鋅鎳滲層提升鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能，期望為沿海區(qū)域建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐提供新的思路。

2 沿海建筑鋼結(jié)構(gòu)金屬熱擴滲防腐技術

2.1 金屬熱擴滲鋅鎳滲層防腐處理流程

研究以晉江市永和鎮(zhèn)西堡新苑施工為研究對象，該工程施工過程中，應用了大量的金屬管道，受到當?shù)貧夂蚝偷乩砦恢玫挠绊?，金屬管道極易出現(xiàn)腐蝕問題，為此需要進行防腐處理。

鋅鎳滲層防腐利用低溫化學置換的方式，在一定的溫度條件下，結(jié)合活化劑使得滲層金屬的鋅離子在建筑鋼結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生吸附和擴散反應，使建筑鋼結(jié)構(gòu)的表面形成合金沉積層[3]，并且滲層金屬與鋼結(jié)構(gòu)基體的鐵離子之間會產(chǎn)生互換反應，滲層金屬中的鋅離子會向鋼結(jié)構(gòu)基體中不斷擴散。滲層金屬與建筑鋼結(jié)構(gòu)在飽和固溶鋅基體金屬表面通過吸收和擴散反應形成合金沉積層，滲層金屬的鎳則吸附在鋼結(jié)構(gòu)表面，以提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面抗腐蝕性。鋅鎳滲層金屬防腐技術反應示意圖如圖1 所示。

圖1 鋅鎳滲層金屬防腐技術反應示意圖

2.2 除油去銹處理

鋅鎳滲層金屬鋼結(jié)構(gòu)防腐技術需要經(jīng)過除油除銹、滲層制備等多個工藝流程，完成建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐層的制備。在滲層金屬制備前，首先要對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行除油處理，除油處理一般采用堿洗和熱處理兩種除油方式。堿洗除油處理利用堿性脫脂劑和表面活性劑的組合作用實現(xiàn)油脂皂化效果，去除鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的動植物油脂，堿洗除油脫脂一般在80 ℃環(huán)境下進行，一般情況下處理10 min 即可達到理想的出油效果。而熱處理除油則是通過加溫的方式進行油脂碳化處理，使建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的油脂碳化，一般熱處理除油溫度在50 ℃以下，在除油處理過程中需要對溫度進行嚴格控制。

對金屬鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進行除銹處理，通常采用拋丸處理技術，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀特點，采用不同的拋光設備進行鋼結(jié)構(gòu)表面除銹。拋丸設備主要可以分為通過式、吊鉤式和履帶式3 種模式，不同形狀特點的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以選擇不同的拋丸除銹設備，并且在鋼丸中可以添加一定切丸，增強除銹效果。拋丸除銹通過鋼丸與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的撞擊實現(xiàn)除銹效果，要求鋼丸與構(gòu)件之間的覆蓋率約為200%，以實現(xiàn)Sa2.5及以上的除銹效果，因此，在除銹過程中，需要嚴格控制除銹拋丸的時間和除銹構(gòu)件數(shù)量，以保證拋丸除銹的最終效果。對于具有外螺紋的特殊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需要進行分段除銹處理。以螺栓為例，螺栓需要對頭部和螺紋處進行分別處理，采用不同的拋丸方式和時間，保證對螺栓各個部分表面的完全處理。

2.3 滲層制備

鋅鎳滲層金屬鋼結(jié)構(gòu)防腐技術通過多元金屬熱擴滲涂層達到防腐效果，熱擴滲涂層的制備需要添加多種填充劑、活化劑等元素，并且考慮粉末的粒徑和各元素的混合質(zhì)量比，形成優(yōu)質(zhì)配比下的熱擴滲滲劑配方。研究所采用的金屬熱擴滲配方含有25%的Zn 粉、3.5%的Ni 粉、8%的Al 粉、4%的稀土以及3%的氯化銨，并摻入三氧化二鋁粉料，完成多元金屬熱擴滲涂層的制備。在涂層制備過程中，若需做防腐處理的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體體積較大，則需要特殊調(diào)節(jié)升溫速率。在對體積較大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行處理時，要求降低升溫速率，延長升溫時間，以提升涂層和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受熱的均勻性。

2.4 除灰、鈍化、封閉

在完成金屬熱擴滲涂層制備后，需要對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進行除灰、鈍化和封閉處理。除灰的主要目的在于通過去除鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的粉末滲劑，以達到減小構(gòu)件表面色差的效果。對構(gòu)件進行除灰處理主要采用振動處理方式，通過振動處理的方式去除鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面附著的滲劑。振動除灰處理通?？梢匀コ?0%以上的表面滲劑，進一步的除灰處理則可以通過超聲波清洗或高壓水沖洗的方式進行。在面對具有外螺紋的特殊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，為了避免對金屬熱擴滲涂層造成損傷，采用超聲波清洗為優(yōu)。

對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行鈍化處理，以降低金屬熱擴滲滲層中合金層的活性，使得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面成膜，以提升熱擴滲涂層的防腐能力。目前，滲鍍鈍化的首選方式是三價鉻鈍化，但是在社會環(huán)保要求不斷提升的背景下，考慮到環(huán)境和環(huán)保因素，無鉻鈍化技術成為金屬鈍化的重要方向。出于鈍化膜孔隙等原因，硅酸鹽鈍化、稀土鈍化等新型鈍化方式的鈍化效果不佳。研究采用硅基鈍化液進行金屬熱擴滲鋅鎳滲層鈍化，以提升熱擴滲層的抗鹽霧腐蝕能力。硅基材料在滲層鈍化中具有良好的鈍化效果，適用于鹽霧環(huán)境下沿海地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滲層防腐。通常情況下，鈍化處理后需要對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進行封閉處理，以填充所形成鈍化膜上的孔隙，保證金屬熱擴滲涂層的抗腐蝕效果。而考慮到硅基材料鈍化效果較好，所形成的硅基材料鈍化膜具有較高的致密程度，因此，不進行封閉處理。

3 金屬熱擴滲防腐性能分析

3.1 抗腐蝕性能分析

熱擴滲防腐處理后，首先對滲層厚度進行測試，不同類型的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件滲層平均厚度在80 μm，滲層厚度均超過60 μm。通過鹽霧試驗對熱擴滲處理的抗腐蝕性能進行驗證，利用人造鹽霧環(huán)境模擬沿海地區(qū)的鹽霧腐蝕，并將模擬鹽霧濃度調(diào)整為實際環(huán)境的多倍進行加速試驗，進行快速抗腐蝕評價。測試樣件選取時，選擇U 形螺栓、錨固螺栓、螺母、鋼板4 種常用類型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為測試構(gòu)件。按照GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行2 400 h 的中性鹽霧試驗，經(jīng)過2 400 h 的模擬腐蝕后，U 形螺栓的紅銹面積為0.10%，錨固螺栓紅銹面積為0.11%，螺母紅銹面積為0.23%，鋼板紅銹面積為0.09%，證明熱擴滲防腐處理能有效提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗腐蝕性能，鋅鎳滲層能有效增強鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件對鹽霧腐蝕的防腐能力。

3.2 力學性能分析

為了驗證金屬熱擴滲防腐技術對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件機械性能的影響，研究選取Q345 材料鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行性能測試。隨機選取4 組Q3455 材料鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行重復試驗，測試鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在滲層前后的力學性能，所選取測試材料為錨固螺栓。通過抗拉強度、屈服強度、延伸率和面縮率4 個指標，測試鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學性能，構(gòu)件力學性能在滲層前后的對比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 構(gòu)件力學性能在滲層前后的對比結(jié)果

從圖2（a）可知，在進行金屬熱擴滲滲層防腐處理后，接受測試的Q345 錨固螺栓在抗拉強度和屈服強度指標上的前后變化較小，防腐處理前4 組測試構(gòu)件的平均抗拉強度和屈服強度分別為546 MPa 和358 MPa，經(jīng)過熱擴滲處理后測試構(gòu)件的平均抗拉強度和屈服強度分別為540 MPa 和359 MPa。熱擴滲防腐處理后，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗拉強度和屈服強度較處理前變化不明顯，證明金屬熱擴滲處理對抗變形能力影響較小，不會影響構(gòu)件的力學機械性能。而從圖2（b）可知，測試構(gòu)件的延伸率和面縮率在熱擴滲處理前后的變化較小，構(gòu)件處理前后的平均延伸率分別為27.9%和29.1%，平均面縮率分別為65%和66%，證明金屬熱擴滲防腐處理不會對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學性能造成負面影響，在提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防腐蝕性能的同時，保證了構(gòu)件的原始力學性能。

3.3 硬度分析

研究采用金屬熱擴滲處理進行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防腐，利用鋅鎳滲層實現(xiàn)防腐處理，而鋅鎳滲層實現(xiàn)硬度高于鋼的合金層。因此，為了驗證金屬熱擴滲處理前后鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面硬度情況，研究對不同鋼種的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面硬度進行對比分析，對比結(jié)果如圖3 所示。測試構(gòu)件的鋼種分為Q235、QT-400-15 以及45 號鋼3 種，每個鋼種選取5 組測試構(gòu)件進行測試。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面硬度的對比結(jié)果

對不同鋼種的鋼結(jié)構(gòu)測試構(gòu)件的基體硬度和熱擴滲處理后的滲層硬度進行對比，Q235 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件基體和滲層的平均維氏硬度分別為194 HV 和306 HV，QT-400-15 構(gòu)件基體和處理后的平均維氏硬度分別為235 HV 和325 HV，45 號鋼構(gòu)件基體和滲層的平均維氏硬度分別為272 HV 和357 HV。Q235、QT-400-15 以及45 號鋼構(gòu)件在熱擴滲處理前后的表面維氏硬度差值分別為112 HV、90 HV、85 HV，證明鋅鎳滲層相較于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件基體具有更高的硬度，熱擴滲處理滲層的耐磨性優(yōu)于基體。熱擴滲防腐處理不僅能提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗腐蝕性能，還能提升構(gòu)件的表面硬度和耐磨性。

4 結(jié)論

鋼鐵是建筑及基礎設施建設中的常用材料，但是鋼鐵腐蝕問題始終困擾著鋼結(jié)構(gòu)建設。針對沿海區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)鹽霧腐蝕問題，研究提出了基于鋅鎳滲層的金屬熱擴滲防腐處理技術，以提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。利用鹽霧試驗驗證熱擴滲防腐技術的抗腐蝕性能，結(jié)果顯示，不同類型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的紅銹面積均小于0.25%。并且熱擴滲處理后，測試構(gòu)件的抗拉強度、屈服強度、延伸率和面縮率基本不變，處理前后測試構(gòu)件的表面維氏硬度差值最小為85 HV，最大為112 HV，證明熱擴滲防腐處理能有效提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力，在保證力學機械性能不變的同時提升鋼結(jié)構(gòu)的表面硬度和耐磨性，對提升沿海區(qū)域建筑鋼結(jié)構(gòu)性能具有重要價值。