光伏支架用微型鋼樁的防腐措施及其適用性綜述

蘇芳眉，謝小松

(上海電氣電站工程公司，上海 201100)

0 引言

在地面光伏電站建設(shè)中，由于此類項(xiàng)目具有施工周期短、施工流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，綜合考慮地質(zhì)條件和成本因素，通常優(yōu)先采用微型鋼樁基礎(chǔ)。光伏支架用微型鋼樁一般采用薄壁型鋼，厚度在3 mm 左右就能滿足光伏支架的承載力要求，但若微型鋼樁稍遭受腐蝕將會(huì)大幅影響光伏支架的結(jié)構(gòu)安全性。因此，做好防腐工作是保證光伏支架結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命至關(guān)重要的一環(huán)。

目前針對(duì)光伏支架結(jié)構(gòu)防腐的研究主要集中在其上部結(jié)構(gòu)，而該部分的腐蝕環(huán)境為大氣，其與光伏支架下部結(jié)構(gòu)的微型鋼樁所處的土壤環(huán)境不同，因此適用的防腐措施也不同。另外，針對(duì)地下鋼樁防腐措施的研究主要為壁厚在9 mm 以上、直徑不小于300 mm、長(zhǎng)度不小于6 m 的普通鋼樁，且集中在海洋工程中[1-2]，而光伏支架的鋼樁基礎(chǔ)一般壁厚在3 mm 左右、直徑不超過(guò)300 mm、長(zhǎng)度在3 m 左右，相對(duì)而言，屬于微型鋼樁。由于普通鋼樁的單樁用鋼量大，防腐措施對(duì)其單樁成本的影響有限；但微型鋼樁的單樁用鋼量小，防腐措施對(duì)其單樁成本的影響較大。再加上光伏電站通常需要大量的樁，對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目而言，防腐措施還需要慎重考慮成本因素，因此，一些適用于普通鋼樁的防腐措施并不能直接套用在光伏支架用微型鋼樁上。需要說(shuō)明的是，由于鋼樁通常露出地面一定高度作為接頭，與光伏支架上部結(jié)構(gòu)連接，因此實(shí)際工程中，針對(duì)光伏支架用微型鋼樁防腐措施的研究應(yīng)綜合考慮其在大氣環(huán)境和土壤環(huán)境中的腐蝕情況，取二者的最大值作為安全的防腐措施。

本文基于鋼樁的腐蝕機(jī)理及國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)，對(duì)鋼樁在土壤環(huán)境中的防腐措施及其原理進(jìn)行綜述和分析，并提出適用于光伏支架用微型鋼樁的防腐措施。

1 鋼樁的腐蝕機(jī)理及國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)

1.1 鋼樁的腐蝕機(jī)理

天然的鐵礦石是鐵的氧化物，在冶煉過(guò)程中，消耗大量的能量后，亞鐵離子(Fe2+)獲得電子被還原成可鍛造、可彎折拉伸、可焊接的金屬鐵。

鋼樁的腐蝕過(guò)程主要是金屬鐵的氧化。鐵在環(huán)境中水和氧氣的共同作用下會(huì)形成原電池，作為正極的鐵單質(zhì)失去電子，變成Fe2+；鐵單質(zhì)被氧化后，生成氧化鐵(Fe2O3)，在正極形成空隙，此為鐵單質(zhì)電化學(xué)腐蝕的過(guò)程。另外，環(huán)境中的酸堿物質(zhì)作為催化劑參與該反應(yīng)，將加快腐蝕的進(jìn)程。鐵單質(zhì)電化學(xué)腐蝕的化學(xué)反應(yīng)方程式如式(1)所示，過(guò)程示意圖如圖1 所示。

圖1 鐵單質(zhì)電化學(xué)腐蝕過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical corrosion process of elemental iron

氧氣和水等可以穿過(guò)表面疏松多孔的氧化鐵，持續(xù)與鐵單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，直至鐵被完全腐蝕。而土壤中存在著液體(水)、固體(土顆粒、有機(jī)質(zhì))、氣體(空氣、可燃?xì)獾?三相物質(zhì)，因此會(huì)呈現(xiàn)較為復(fù)雜的腐蝕過(guò)程。通常，鐵的腐蝕速率會(huì)隨著環(huán)境中濕度、溫度、氧氣濃度、化學(xué)鹽濃度等的增加而增大。

1.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》[3]的要求，可以根據(jù)氯離子(Cl-)濃度、視電阻率、pH 值、氧化還原電位、極化電流密度、質(zhì)量損失等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤環(huán)境的腐蝕等級(jí)。其中，土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)如表1 所示。通過(guò)查表，可以確定土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)；另外，土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)取各指標(biāo)中腐蝕等級(jí)最高者。

表1 GB 50021—2001 中土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)Table 1 Evaluation of corrosion grade of soil environment on steel structures in GB 50021-2001

1.3 國(guó)外關(guān)于土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)

美國(guó)水行業(yè)協(xié)會(huì)(American Water Works Association，AWWA)發(fā)布了ANSI/AWWA C105/A21.5—2010《Polyethylene encasement for ductileiron pipe systems》[4]，通過(guò)對(duì)土壤電阻率(基于飽和土樣)、pH 值、氧化還原電位、硫化物含量、濕度和排水條件等各項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行評(píng)分并求和的方式，根據(jù)求出的總分?jǐn)?shù)確定土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)，具體如表2 所示。表中：求和后的總分?jǐn)?shù)越高，表示土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性越強(qiáng)，總分?jǐn)?shù)大于等于10 分表明土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)存在腐蝕，需要采取防腐措施；對(duì)于異常嚴(yán)苛的環(huán)境條件和更多的措施描述，請(qǐng)參考ANSI/AWWA C105/A21.5—2010 中第A.3 部分。

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN50929-3《Corrosion of metals——corrosion likelihood of metallic materials when subject to corrosion from the outside——part 3：buried and underwater pipelines and structural components》同樣是采用綜合打分法，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括土壤類型、土壤電阻率、含水量、pH 值、緩沖容量、硫化物濃度、水溶液中中性鹽濃度、硫酸鹽濃度、地下水情況、水平土壤均一性、垂直土壤均一性、結(jié)構(gòu)的電位、土壤的電位等，具體內(nèi)容在此不做贅述。

2 鋼樁的防腐措施及針對(duì)光伏支架用微型鋼樁的適用性

從前文鋼樁的腐蝕機(jī)理分析可以得出，控制鋼樁在土壤環(huán)境中的腐蝕可以從陰極保護(hù)、屏蔽絕緣、鈍化基材幾個(gè)方面考慮。常見(jiàn)的防腐措施包括：腐蝕裕量法、耐候鋼法、油漆涂層法、陰極保護(hù)法、熱浸鍍鋅法、鍍鋅鋁鎂法、復(fù)合防腐系統(tǒng)，下文對(duì)這幾種防腐措施進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 腐蝕裕量法

腐蝕裕量法為根據(jù)鋼樁的腐蝕速率，計(jì)算在鋼樁使用壽命期內(nèi)預(yù)期損耗的鋼材厚度，然后再加上根據(jù)受力計(jì)算得到的鋼材厚度，最終得到鋼樁所用鋼材的總設(shè)計(jì)厚度。這種方法雖然不能防腐，但能應(yīng)對(duì)腐蝕帶來(lái)的不良后果。

關(guān)于鋼材在土壤環(huán)境中的腐蝕速率有許多實(shí)驗(yàn)研究，其中大多數(shù)研究都是基于Romanoff[5]針對(duì)地下鋼樁腐蝕進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)發(fā)布的BS EN 1993-5：2007《Eurocode 3——design of steel structures——part 5：piling》[6]的規(guī)定，在土壤環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速率為每年12～30 μm。以使用壽命期為20 年的光伏電站為例，根據(jù)腐蝕的預(yù)期損耗，光伏支架用微型鋼樁應(yīng)增加的厚度為0.6～1.5 mm，考慮1.5 倍安全系數(shù)，設(shè)計(jì)的腐蝕余量厚度為0.9～2.3 mm。

腐蝕裕量法的優(yōu)點(diǎn)是不用考慮鋼樁在施工過(guò)程中的磨損，加工過(guò)程簡(jiǎn)單，且便于運(yùn)輸。但由于土壤中很多成分是未測(cè)明的，這種方法存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證安全，在設(shè)計(jì)時(shí)通常選擇留出更多的裕量，導(dǎo)致成本會(huì)增加更多。另外，這種方法建立在假定腐蝕是均勻發(fā)生的，忽略了腐蝕坑(即在某處腐蝕較深，形成坑狀)的存在。由于光伏支架用微型鋼樁的壁厚較薄，厚度的細(xì)微變化對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很大，腐蝕坑的存在可能對(duì)光伏支架的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。因?yàn)楣夥l(fā)電項(xiàng)目中光伏支架用微型鋼樁的鋼材用量大，所以其成本對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目的成本影響較大，隨著鋼材價(jià)格上漲，采用腐蝕裕量法不具有經(jīng)濟(jì)性。

2.2 耐候鋼法

耐候鋼即為耐大氣腐蝕鋼，是由普通碳素鋼添加銅、鎳等合金元素制成的低合金鋼。在合適的環(huán)境中，通過(guò)與空氣、雨水等作用，耐候鋼鋼材表面會(huì)形成致密的氧化保護(hù)膜，阻止腐蝕進(jìn)一步發(fā)生。耐候鋼在大氣環(huán)境中的抗腐蝕能力是普通碳素鋼的2～8 倍。性能相近的耐候鋼與普通鋼材相比，耐候鋼的價(jià)格要高出約60%，雖然初期成本高，但無(wú)后期維護(hù)成本，對(duì)于設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)的鋼結(jié)構(gòu)而言，能節(jié)省總投資。目前，耐候鋼廣泛應(yīng)用于暴露在大氣環(huán)境中的橋梁、軌道、鉆井平臺(tái)等。

耐候鋼在干濕交替的環(huán)境中表現(xiàn)最佳，但對(duì)于長(zhǎng)期潮濕或長(zhǎng)期干燥的環(huán)境，耐候鋼的致密氧化保護(hù)膜無(wú)法形成，最終會(huì)發(fā)生與普通碳素鋼一樣的腐蝕過(guò)程[7]。也就是說(shuō)，在水下或較干燥的土壤環(huán)境中，耐候鋼并不適用。因此，普通的耐候鋼并不適用于地下樁基工程，即不適合作為光伏支架用微型鋼樁的鋼材。曾有企業(yè)于2013 年推出耐候鋼光伏支架樁基產(chǎn)品，但并未獲得推廣應(yīng)用和市場(chǎng)認(rèn)可。

2.3 油漆涂層法

油漆涂層法主要是通過(guò)涂覆的方式用油漆對(duì)材料本身進(jìn)行封閉，可提供的防腐強(qiáng)度根據(jù)涂層厚度和性能有所差別。一般底漆、中間漆在工廠完成加工，面漆在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行涂覆，而現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)對(duì)溫度、濕度等環(huán)境條件要求較高，受天氣條件的限制大。油漆涂層的附著力差，不及熱浸鍍鋅層的1/10，也不耐刻劃、刮擦；在鋼樁貫入施工過(guò)程中，油漆涂層容易脫落。另外，由于老化、脫落現(xiàn)象，油漆涂層每隔12～15年需要重新涂刷，因此，不適合作為單一的防腐措施應(yīng)用于樁基工程的入土部分。目前，油漆涂層法較多應(yīng)用于海洋樁基工程的水下部分，但不包括入土部分[2]。

2.4 陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)法是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。作為犧牲陽(yáng)極的材料主要有鎂、鋁、鋅3 種金屬材料，其中，常用的是鎂，其是3 種金屬中最活潑的，通常應(yīng)用于電阻率較大的土壤環(huán)境或水下環(huán)境中；而鋁、鋅通常應(yīng)用于電阻率小的海水環(huán)境或含鹽量較高的水下環(huán)境中，這是因?yàn)槿绻?fù)極之間的電位差太大，受保護(hù)的陰極表面將變得易碎或使防護(hù)涂層脫落。

作為一種防腐措施，陰極保護(hù)法能應(yīng)對(duì)各種惡劣環(huán)境的挑戰(zhàn)，可有效防止鋼樁腐蝕。實(shí)際應(yīng)用中，有的采用鋅鎂套件直接固定在鋼樁的樁頭，有的通過(guò)電纜與犧牲的陽(yáng)極連接。根據(jù)李孝瑩等[8]的研究結(jié)果，每根光伏支架的鋼樁需配4 kg 的鎂塊。鋅、鎂價(jià)格為鋼鐵價(jià)格的3～4 倍左右，且由于地面光伏電站中光伏支架用微型鋼樁樁基的數(shù)量多，防腐措施采用陰極保護(hù)法將導(dǎo)致施工工序增加并帶來(lái)較大的成本增加。

2.5 熱浸鍍鋅法

熱浸鍍鋅法是目前光伏支架用微型鋼樁最廣泛采用的一種防腐措施，是通過(guò)將金屬浸入熔融鋅浴中，在鋼或鐵上鍍1 層鋅的過(guò)程。鍍鋅層氧化后會(huì)形成1 層鈍化保護(hù)膜，阻止腐蝕進(jìn)一步發(fā)生。熱浸鍍鋅工序在工廠完成鍍制，從而使現(xiàn)場(chǎng)施工更便捷。

純鋅本身的硬度為70DPN，鐵單質(zhì)的硬度為159DPN，但是鍍鋅層在氧化后生成的鈍化保護(hù)膜為3 層結(jié)構(gòu)的鋅鐵合金，表層的合金硬度達(dá)到250DPN，能抵抗貫樁過(guò)程的磨損。另外，即使發(fā)生磨損，由于鋅金屬本身比鐵更活潑，可以當(dāng)作被犧牲的陽(yáng)極，為鋼樁提供陰極保護(hù)。鍍鋅層越厚，鍍鋅鋼材的抗腐蝕能力越強(qiáng)，鍍鋅層厚度最厚可達(dá)125 μm。但是，當(dāng)鍍鋅層厚度超過(guò)80 μm 時(shí)，對(duì)于薄壁型鋼樁而言，熱浸鍍鋅所花費(fèi)的成本會(huì)大幅提高，且近幾年熱浸鍍鋅法的成本一直在上漲。因此，在鋼樁會(huì)被嚴(yán)重腐蝕的地區(qū)，不適合采用單一的熱鍍鋅薄壁型鋼樁。

目前若無(wú)特別說(shuō)明，光伏支架用微型鋼樁的鍍鋅層厚度在行業(yè)內(nèi)一般采用65 μm，有的光伏發(fā)電項(xiàng)目為了節(jié)省成本，鍍鋅層厚度甚至?xí)捎?5 μm。而如何確定合適的鍍鋅層厚度，是使光伏支架用微型鋼樁獲得合理經(jīng)濟(jì)的防腐手段的關(guān)鍵一環(huán)。

目前，針對(duì)大氣環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)的鍍鋅層厚度與環(huán)境腐蝕等級(jí)之間關(guān)系的研究已經(jīng)較為成熟，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9223：2012《Corrosion of metals and alloys——corrosivity of atmospheres——classification，determination and estimation》[9]，以及參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14713：1999《Protection against corrosion of iron and steel in structures——zinc and aluminium coatings——guidelines》[10](該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已更新為新版本)編寫的國(guó)標(biāo)GB/T 19355.1—2016《鋅覆蓋層 鋼鐵結(jié)構(gòu)防腐蝕的指南和建議 第1 部分：設(shè)計(jì)與防腐蝕的基本原則》[11]均對(duì)大氣環(huán)境下鍍鋅層的腐蝕速率給出了詳細(xì)的計(jì)算指導(dǎo)和參考范圍，若獲得足夠的大氣數(shù)據(jù)，通過(guò)這些規(guī)范可以確定鍍鋅層的厚度。

但目前對(duì)于土壤環(huán)境中的鍍鋅層腐蝕與環(huán)境腐蝕等級(jí)的關(guān)系，尚未有規(guī)范做出明確說(shuō)明，這是因?yàn)橥寥拉h(huán)境十分復(fù)雜，做出確切計(jì)算非常困難。影響鍍鋅層腐蝕的因素有很多，例如土層透氣性、粒徑、pH 值、含水率、土層溫度、土壤電阻率等，以上因素對(duì)腐蝕速率的影響方式為：

1)土層透氣性越好，腐蝕性越弱，這是因?yàn)橥笟庑粤己玫耐寥?，浸?rùn)或受潮后更容易蒸發(fā)變干燥，會(huì)降低腐蝕速率。

2)粒徑較大的沙性土比粘性土具有更好的透氣性。一般而言，透氣性好的土壤常呈紅色、黃色或棕色，這是由于土壤的透氣性良好，氧化鐵離子的含量更高所導(dǎo)致；而透氣性差的土壤通常呈灰色，具有更高的腐蝕性。

3) pH值對(duì)鍍鋅層腐蝕速率的影響十分明顯，偏中性的土層通常具有較低的腐蝕性，而酸堿性較大的土層的腐蝕性較大。

4)土層中的水分使土壤成為電解質(zhì)，從而促進(jìn)電化學(xué)腐蝕。土層含水率增大，電解質(zhì)溶液增多，腐蝕速度增大。當(dāng)含水率達(dá)到一定程度時(shí)，由于土壤中的可溶鹽已充分溶解，腐蝕速度不再有較大改變。

5)一般而言，土層溫度越低，土層的電阻率越高，而電阻率高的土層具有較低的腐蝕速率，但土壤電阻率作為單一變量與腐蝕強(qiáng)度之間并不存在確切聯(lián)系。

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的鍍鋅層厚度，國(guó)內(nèi)一般參考GB/T 13912—2020《金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層 技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》[12]，可根據(jù)鋼材厚度確定鍍鋅層的最小厚度，但該標(biāo)準(zhǔn)并未反映出土壤環(huán)境的腐蝕差異性。該標(biāo)準(zhǔn)是參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)BS EN ISO 1461—2009《Hot dip galvanized coatings on fabricated iron and steel articles——specifications and test methods》[13]編寫的。

針對(duì)如何根據(jù)土壤環(huán)境腐蝕等級(jí)確定鍍鋅層厚度，為了指導(dǎo)工程應(yīng)用，通過(guò)大量的研究，美國(guó)鍍鋅協(xié)會(huì)(American Galvanizers Association，AGA)基于國(guó)家波紋鋼管協(xié)會(huì) (National Corrugated Steel Pipe Association，NCSPA)和美國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì) (American Iron and Steel Instituted，AISI)的研究成果進(jìn)行總結(jié)[14]，提出了通過(guò)含水率、氯離子濃度、pH 值，再結(jié)合鋼樁設(shè)計(jì)壽命，以查圖的方式確定鍍鋅層厚度的方法。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，首先通過(guò)氯離子濃度的高低(以20 PPM 為界)確定鍍鋅層在土壤環(huán)境中的服務(wù)年限，確定選用圖2 還是圖3；然后通過(guò)含水率(以17.5%為界)或者pH 值(以7.0為界)確定應(yīng)查詢的數(shù)據(jù)圖；最后根據(jù)設(shè)計(jì)服務(wù)年限、pH 值、含水率，通過(guò)查圖的方式，確定合適的鍍鋅層厚度。需要說(shuō)明的是，當(dāng)數(shù)值落在邊界點(diǎn)(例如氯離子濃度為20 PPM，或含水率為17.5%，或pH 值為7.0)時(shí)，可同時(shí)查詢分界點(diǎn)左右的兩張圖，然后取最大鍍鋅層厚度。

圖2 高氯離子濃度 (＞20 PPM)的情況下鍍鋅層在土壤環(huán)境中的服務(wù)年限Fig.2 Service life of galvanized layer in soil environment under high chloride ion concentration (＞20 PPM)

圖3 低氯離子濃度 (＜20 PPM)的情況下鍍鋅層在土壤環(huán)境中的服務(wù)年限Fig.3 Service life of galvanized layer in soil environment under low chloride ion concentration (＜20 PPM)

以某光伏電站為例進(jìn)行分析計(jì)算。該光伏電站的設(shè)計(jì)使用壽命期為30 年；光伏場(chǎng)地土壤中的氯離子濃度為2.5～8.8 PPM，pH 值介于7.5～8.6，含水率為2%～21%；光伏支架用微型鋼樁采用厚度為3.5 mm 的薄壁型鋼。選擇最不利情況進(jìn)行分析，條件簡(jiǎn)化為：氯離子濃度為8.8 PPM、pH 值為7.5、含水率為21%，即為氯離子濃度低、高pH 值的情況，確定應(yīng)對(duì)應(yīng)查詢圖3a，可得到鍍鋅層厚度應(yīng)為1.2 mil(即30 μm)，結(jié)果如圖4所示。另外，根據(jù)GB/T 13912—2020，在鋼結(jié)構(gòu)厚度大于3 mm 且小于6 mm 的情況下，鍍鋅層平均最小厚度為70 μm。綜上所述，在該光伏電站地層條件下，光伏支架用微型鋼樁的鍍鋅層厚度應(yīng)為70 μm。

圖4 某光伏電站中光伏支架用微型鋼樁的鍍鋅層厚度計(jì)算取值Fig.4 Calculation of galvanized layer thickness for micro steel piles for PV brackets in a certain PV power station

2.6 鍍鋅鋁鎂法

鍍鋅鋁鎂鋼板是新型高耐腐蝕性鍍膜鋼板，其鋅鋁鎂鍍層的成分以鋅為主，由鋅、含量為1.5%～11.0%的鋁、含量為1.5%～3.0%的鎂及微量的硅組成(不同廠家的比例稍有區(qū)別)。由于這些添加元素的復(fù)合效果，發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，生成的銹層在鋅鋁鎂鍍層的表面形成致密封閉層，阻止水分和空氣滲入，阻止腐蝕繼續(xù)發(fā)生，從而達(dá)到防腐蝕的作用。鋅鋁鎂鍍層在厚度相同的情況下，其抗腐蝕能力是熱浸鍍鋅法制備的鍍鋅層的10 倍以上，鋅鋁鎂鍍層表面硬度是熱浸鍍鋅法制備的鍍鋅層的2 倍以上。此外，鋅鋁鎂鍍層的初期腐蝕產(chǎn)物可溶解于水，會(huì)流動(dòng)并覆蓋裸露的基層，在切割斷面上蔓延擴(kuò)展，覆蓋在已有的紅銹之上，待水分干燥后就形成了密致的保護(hù)皮膜，因此具有自我愈合能力。切割斷面部分的耐腐蝕自我愈合能力是鍍鋅鋁鎂鋼板的最大特點(diǎn)，其解決了普通鍍層鋼板無(wú)法有效保護(hù)剪切斷口、漏鍍點(diǎn)、鍍層破損等位置的缺點(diǎn)。

鍍鋅鋁鎂最早于1985 年，由日本鋼鐵研究中心研發(fā)；目前市場(chǎng)上歐美、日韓已形成商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于建材、家電、汽車等行業(yè)，并分別申請(qǐng)了大量的專利，雙面鋅鋁鎂鍍層鋼板的鍍層的單位重量普遍在60～450 g/m2，折算后單面鋅鋁鎂鍍層的厚度在5～35 μm 之間。2000年后，中國(guó)鋼廠開始研發(fā)自主技術(shù)，并在2014年開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。由于環(huán)保問(wèn)題，熱浸鍍鋅法的成本越來(lái)越高，現(xiàn)在鍍鋅鋁鎂法的價(jià)格已與熱浸鍍鋅法的價(jià)格基本接近，在光伏支架方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但由于其在光伏支架樁基方面的應(yīng)用先例并不多，因此該材料在地下環(huán)境中的應(yīng)用尚需市場(chǎng)的長(zhǎng)期驗(yàn)證。另外，由于鋅鋁鎂鍍層中含鎂元素，在電焊時(shí)鎂會(huì)產(chǎn)生爆裂火花，因此采用該材料時(shí)作業(yè)人員應(yīng)注意防護(hù)。

鍍鋅鋁鎂是目前具有廣闊應(yīng)用前景的新材料，近兩三年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家鋼廠上線了鍍鋅鋁鎂鋼板生產(chǎn)線，且鍍鋅鋁鎂鋼板越來(lái)越多地被應(yīng)用于光伏市場(chǎng)上。目前已形成批量生產(chǎn)的企業(yè)包括河鋼集團(tuán)唐鋼公司、首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司和酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司(下文簡(jiǎn)稱為“酒鋼”)，但產(chǎn)品質(zhì)量有待改進(jìn)，與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品尚有一定差距[15]。2021 年，酒鋼開發(fā)的超厚鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品應(yīng)用于沿海地區(qū)的水面光伏支架[16]，鋅鋁鎂鍍層厚度達(dá)450 g/m2(約為167 μm)。

日本、美國(guó)，以及歐洲都發(fā)布了鍍鋅鋁鎂的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[17]，近兩年，中國(guó)由鞍鋼集團(tuán)有限公司等企業(yè)主導(dǎo)編寫了相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[18]。但目前市場(chǎng)尚無(wú)關(guān)于鍍鋅鋁鎂的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果[19]，不同配方、工藝生產(chǎn)的鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品的防腐性能差別巨大，同一鍍層厚度的耐腐蝕年限是普通鍍鋅產(chǎn)品的2～20 倍，因此無(wú)法像熱浸鍍鋅法一樣，給出具有普適意義的鋅鋁鎂鍍層厚度取值參考。另外，目前針對(duì)鍍鋅鋁鎂鋼樁防腐性能的研究均是采用鹽霧試驗(yàn)，模擬大氣環(huán)境下其腐蝕行為，而針對(duì)地下環(huán)境的腐蝕研究尚未見(jiàn)報(bào)道。以上均對(duì)鍍鋅鋁鎂鋼樁的應(yīng)用造成一定阻礙。

2.7 復(fù)合防腐系統(tǒng)

當(dāng)環(huán)境十分惡劣，以上單一的防腐措施均無(wú)法滿足防腐要求時(shí)，可以通過(guò)采用2 種或以上的防腐措施組合的方式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，這種防腐措施組合方式稱為復(fù)合防腐系統(tǒng)。露出土層之外的鋼結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的防腐措施組合方式為“熱浸鍍鋅法+油漆涂層法”。由于比較新的鍍鋅件的表面非常光滑，大多數(shù)涂料噴涂都容易脫落掉漆，與基材結(jié)合不牢固，因此鍍鋅件必須使用專用的油漆才能保證附著力。但由于油漆涂層法并不適用于土下樁基工程，因此該復(fù)合防腐系統(tǒng)不能應(yīng)用于光伏支架用微型鋼樁的樁基。目前在鋼樁工程中，應(yīng)用較多的復(fù)合防腐系統(tǒng)為“熱浸鍍鋅法+陰極保護(hù)法”[8]。

3 結(jié)論

本文基于鋼樁的腐蝕機(jī)理及國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)，對(duì)鋼樁在土壤環(huán)境中的防腐措施進(jìn)行了分析，并提出了適用于光伏支架用微型鋼樁的防腐措施，得出以下結(jié)論：

1) 目前在光伏支架用微型鋼樁上應(yīng)用較廣的防腐措施是熱浸鍍鋅法，但該方法僅適用于一般腐蝕環(huán)境；

2) 鍍鋅鋁鎂鋼樁適用于腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境，但需要加大鍍鋅鋁鎂鋼樁在土壤環(huán)境的應(yīng)用研究力度，并制定可指導(dǎo)工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范；

3) 在極端情況下，光伏支架用微型鋼樁的防腐措施還可采用陰極保護(hù)法、復(fù)合防腐系統(tǒng)，可滿足光伏支架用微型鋼樁20～30 年的使用壽命要求。