陳維謀

（福建兆佳建設(shè)有限公司，福建 晉江 362200）

1 引言

鋼鐵是建筑建設(shè)的重要建材，但是建筑鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)腐蝕的問(wèn)題，每年全球鋼鐵腐蝕問(wèn)題導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失近萬(wàn)億美元，嚴(yán)重影響建設(shè)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(wèn)題最為嚴(yán)重的區(qū)域，多數(shù)沿海區(qū)域的大氣腐蝕等級(jí)偏高。而金屬熱擴(kuò)滲技術(shù)能借助原子擴(kuò)散效應(yīng)，使可滲金屬原子進(jìn)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(dá)到提升基體表面性能的效果[2]。金屬熱擴(kuò)滲利用金屬原子的熱擴(kuò)滲實(shí)現(xiàn)基體表面強(qiáng)化，能通過(guò)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(kuò)滲技術(shù)進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐處理，提出了一種鋅鎳金屬熱擴(kuò)滲技術(shù)，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(kuò)滲防腐技術(shù)

2.1 金屬熱擴(kuò)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(duì)象，該工程施工過(guò)程中，應(yīng)用了大量的金屬管道，受到當(dāng)?shù)貧夂蚝偷乩砦恢玫挠绊懀饘俟艿罉O易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，為此需要進(jìn)行防腐處理。

鋅鎳滲層防腐利用低溫化學(xué)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(kuò)散反應(yīng)，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(huì)產(chǎn)生互換反應(yīng)，滲層金屬中的鋅離子會(huì)向鋼結(jié)構(gòu)基體中不斷擴(kuò)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(guò)吸收和擴(kuò)散反應(yīng)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(shù)反應(yīng)示意圖如圖1 所示。

圖1 鋅鎳滲層金屬防腐技術(shù)反應(yīng)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(shù)需要經(jīng)過(guò)除油除銹、滲層制備等多個(gè)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)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(shí)現(xiàn)油脂皂化效果，去除鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的動(dòng)植物油脂，堿洗除油脫脂一般在80 ℃環(huán)境下進(jìn)行，一般情況下處理10 min 即可達(dá)到理想的出油效果。而熱處理除油則是通過(guò)加溫的方式進(jìn)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(guò)程中需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

對(duì)金屬鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進(jìn)行除銹處理，通常采用拋丸處理技術(shù)，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀特點(diǎn)，采用不同的拋光設(shè)備進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)表面除銹。拋丸設(shè)備主要可以分為通過(guò)式、吊鉤式和履帶式3 種模式，不同形狀特點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以選擇不同的拋丸除銹設(shè)備，并且在鋼丸中可以添加一定切丸，增強(qiáng)除銹效果。拋丸除銹通過(guò)鋼丸與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的撞擊實(shí)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(shí)現(xiàn)Sa2.5及以上的除銹效果，因此，在除銹過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制除銹拋丸的時(shí)間和除銹構(gòu)件數(shù)量，以保證拋丸除銹的最終效果。對(duì)于具有外螺紋的特殊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需要進(jìn)行分段除銹處理。以螺栓為例，螺栓需要對(duì)頭部和螺紋處進(jìn)行分別處理，采用不同的拋丸方式和時(shí)間，保證對(duì)螺栓各個(gè)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(shù)通過(guò)多元金屬熱擴(kuò)滲涂層達(dá)到防腐效果，熱擴(kuò)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(kuò)滲滲劑配方。研究所采用的金屬熱擴(kuò)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(kuò)滲涂層的制備。在涂層制備過(guò)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(duì)體積較大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行處理時(shí)，要求降低升溫速率，延長(zhǎng)升溫時(shí)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(kuò)滲涂層制備后，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進(jìn)行除灰、鈍化和封閉處理。除灰的主要目的在于通過(guò)去除鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的粉末滲劑，以達(dá)到減小構(gòu)件表面色差的效果。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行除灰處理主要采用振動(dòng)處理方式，通過(guò)振動(dòng)處理的方式去除鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面附著的滲劑。振動(dòng)除灰處理通?？梢匀コ?0%以上的表面滲劑，進(jìn)一步的除灰處理則可以通過(guò)超聲波清洗或高壓水沖洗的方式進(jìn)行。在面對(duì)具有外螺紋的特殊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，為了避免對(duì)金屬熱擴(kuò)滲涂層造成損傷，采用超聲波清洗為優(yōu)。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行鈍化處理，以降低金屬熱擴(kuò)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(kuò)滲涂層的防腐能力。目前，滲鍍鈍化的首選方式是三價(jià)鉻鈍化，但是在社會(huì)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(wú)鉻鈍化技術(shù)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(jìn)行金屬熱擴(kuò)滲鋅鎳滲層鈍化，以提升熱擴(kuò)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進(jìn)行封閉處理，以填充所形成鈍化膜上的孔隙，保證金屬熱擴(kuò)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(jìn)行封閉處理。

3 金屬熱擴(kuò)滲防腐性能分析

3.1 抗腐蝕性能分析

熱擴(kuò)滲防腐處理后，首先對(duì)滲層厚度進(jìn)行測(cè)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(guò)60 μm。通過(guò)鹽霧試驗(yàn)對(duì)熱擴(kuò)滲處理的抗腐蝕性能進(jìn)行驗(yàn)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(shí)際環(huán)境的多倍進(jìn)行加速試驗(yàn)，進(jìn)行快速抗腐蝕評(píng)價(jià)。測(cè)試樣件選取時(shí)，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(cè)試構(gòu)件。按照GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行2 400 h 的中性鹽霧試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)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(kuò)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(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)鹽霧腐蝕的防腐能力。

3.2 力學(xué)性能分析

為了驗(yàn)證金屬熱擴(kuò)滲防腐技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件機(jī)械性能的影響，研究選取Q345 材料鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行性能測(cè)試。隨機(jī)選取4 組Q3455 材料鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在滲層前后的力學(xué)性能，所選取測(cè)試材料為錨固螺栓。通過(guò)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和面縮率4 個(gè)指標(biāo)，測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能，構(gòu)件力學(xué)性能在滲層前后的對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 構(gòu)件力學(xué)性能在滲層前后的對(duì)比結(jié)果

從圖2（a）可知，在進(jìn)行金屬熱擴(kuò)滲滲層防腐處理后，接受測(cè)試的Q345 錨固螺栓在抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)上的前后變化較小，防腐處理前4 組測(cè)試構(gòu)件的平均抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為546 MPa 和358 MPa，經(jīng)過(guò)熱擴(kuò)滲處理后測(cè)試構(gòu)件的平均抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為540 MPa 和359 MPa。熱擴(kuò)滲防腐處理后，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較處理前變化不明顯，證明金屬熱擴(kuò)滲處理對(duì)抗變形能力影響較小，不會(huì)影響構(gòu)件的力學(xué)機(jī)械性能。而從圖2（b）可知，測(cè)試構(gòu)件的延伸率和面縮率在熱擴(kuò)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(kuò)滲防腐處理不會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能造成負(fù)面影響，在提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防腐蝕性能的同時(shí)，保證了構(gòu)件的原始力學(xué)性能。

3.3 硬度分析

研究采用金屬熱擴(kuò)滲處理進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防腐，利用鋅鎳滲層實(shí)現(xiàn)防腐處理，而鋅鎳滲層實(shí)現(xiàn)硬度高于鋼的合金層。因此，為了驗(yàn)證金屬熱擴(kuò)滲處理前后鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面硬度情況，研究對(duì)不同鋼種的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面硬度進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。測(cè)試構(gòu)件的鋼種分為Q235、QT-400-15 以及45 號(hào)鋼3 種，每個(gè)鋼種選取5 組測(cè)試構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面硬度的對(duì)比結(jié)果

對(duì)不同鋼種的鋼結(jié)構(gòu)測(cè)試構(gòu)件的基體硬度和熱擴(kuò)滲處理后的滲層硬度進(jìn)行對(duì)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(hào)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(hào)鋼構(gòu)件在熱擴(kuò)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(kuò)滲處理滲層的耐磨性優(yōu)于基體。熱擴(kuò)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的常用材料，但是鋼鐵腐蝕問(wèn)題始終困擾著鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)。針對(duì)沿海區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)鹽霧腐蝕問(wèn)題，研究提出了基于鋅鎳滲層的金屬熱擴(kuò)滲防腐處理技術(shù)，以提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。利用鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證熱擴(kuò)滲防腐技術(shù)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(kuò)滲處理后，測(cè)試構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和面縮率基本不變，處理前后測(cè)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(kuò)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(xué)機(jī)械性能不變的同時(shí)提升鋼結(jié)構(gòu)的表面硬度和耐磨性，對(duì)提升沿海區(qū)域建筑鋼結(jié)構(gòu)性能具有重要價(jià)值。