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纳米无机颗粒水性分散体新型防腐材料在钢结构工程中的应用

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：盛峰

[导读] 摘要：钢结构以其稳定性、抗震性强等特征在建筑工程领域得到广泛应用。随着钢结构应用范围的不断扩大，其防腐蚀问题愈发显著，提升钢结构防腐工程质量，增强钢结构抗腐蚀性成为人们关注的重点问题。

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        摘要：钢结构以其稳定性、抗震性强等特征在建筑工程领域得到广泛应用。随着钢结构应用范围的不断扩大，其防腐蚀问题愈发显著，提升钢结构防腐工程质量，增强钢结构抗腐蚀性成为人们关注的重点问题。基于此，本文从钢结构防腐工程重要意义出发，就钢结构防腐技术进行了探究，并联系工程实例，介绍一种新型防腐材料，明确该材料在钢结构防腐工程中所具有的应用优势，掌握材料应用要点，实现钢结构防腐工程综合效益的有效提升。
        关键词：防腐材料；钢结构；防腐工程；关键技术
        引言：建筑工程安全问题始终是人们关注的重点问题，在建筑工程安全管理中，钢结构防腐蚀材料与技术应用占据重要位置。尤其是在钢结构建筑数量不断增加的背景下，加强低污染、高性能、高质量、专业化、个性化产品的研发与应用至关重要。基于此，本文以提高钢结构建筑防腐工程综合效益为目标，就新型纳米无机颗粒水性分散体防腐涂料在钢结构防腐工程中的应用进行了如下分析，以提高钢结构防腐工程质量。
        1钢结构防腐技术发展现状分析
        1.1钢结构防腐方法
        针对钢结构腐蚀问题，虽然无法阻止腐蚀现象的发生，但可利用防腐材料、防腐技术进行控制。随着钢结构防腐材料及其应用技术理论与实践研究的不断深入，钢结构防腐方法呈现出多样化发展特征，对其进行归纳与总结，具体如下：
        （1）材料生产防护，即在钢制材料生产过程中，适当加入其他金属元素，如铜元素、铬元素等，从而改变钢结构材料成分，提升钢结构抗腐蚀能力。
        （2）阴极保护防护，即给予钢材（暴露在外界环境）一定电流或配置阳极，通过控制反应发生，进行钢结构腐蚀抑制。
        （3）保护膜构建防护，即预处理钢结构表面，并利用热浸锌、热喷涂等技术，将抗腐蚀性较强的材料、防腐材料附着到钢结构表面，形成一层保护膜，达到钢结构防腐蚀目的[1]。
        （4）防腐涂料涂装防护，即预处理钢结构表面，使钢结构表面具有一定附着力，并利用防腐涂料进行涂刷，使钢结构与外界环境有效隔离，从而达到防腐蚀目的。
        对比四种方法：材料生产防腐虽然成本低，但防腐效果相对较差；阴极保护防护虽然操作便捷，但施工难度系数较高且维修成本较高；保护膜构建防护虽然适应性强且防腐时间较长，但环境污染严重，环保效益较差；而防腐涂料涂装防护则能够改善其它三种方法的不足，具有施工简便、适应性强、环保效益好、经济效益高、可重复利用等优势[2]。目前，防腐涂料涂装应成为钢结构防腐工程核心工艺，在钢结构建筑工程中得到广泛应用。
        1.2钢结构防腐涂料
        随着防腐涂料应用重要性的不断提升，其技术研究得到迅速发展，目前较为常用的防腐材料技术主要有以下几种：
        （1）水性防腐涂料施工技术：是一种集防火、防雾、防腐蚀等功能为一体的防腐蚀材料，防腐性能相对较好，能够在多数钢结构建筑工程中应用[3]。
        （2）无溶剂环保防腐材料施工技术：能够在静电吸附等作用下附着到钢结构表面形成保护膜，减缓钢结构腐蚀速度，具有施工速度快、仿佛时间长等特征。
        （3）高固含防腐材料施工技术：防腐性、环保性较强，在海洋工程钢结构防腐领域、化工设备防护领域、船舶建造防腐领域广泛应用。
        （4）功能型个性化防腐材料施工技术：即根据钢结构腐蚀类型以及建筑工程实际要求，制备的防腐涂料，如新型玻璃鳞片材料，除防腐蚀外，也具备较强抗渗透性；新型含氟防腐材料的耐高温性较强；喷涂速凝橡胶材料的防水性能较强。
        2防腐材料在钢结构工程中的实际应用分析
        为进一步了解钢结构防腐材料应用价值，掌握防腐技术应用要点，以某钢结构建筑防腐工程为例，对纳米无机颗粒水性分散体新型防腐材料及其应用进行了如下探究。
        2.1钢结构工程存在的防腐问题分析
        钢结构建筑工程是上海某钢结构公交枢纽站。自工程项目投运以来，钢结构站房、钢结构雨棚等均在一定程度上出现钢结构腐蚀问题。对此，为提升建筑项目使用安全性、可靠性，延长钢结构及其相关设备使用寿命，于2017年开展钢结构防腐工程，进行建筑维修养护。经施工现场调查研究发现：
        （1）钢结构站房、钢结构雨棚的腐蚀位置多分布在立柱位置、顶部露天位置。
        （2）钢制材料的站台立柱，局部地区涂层粉化，部分立柱严重污染。
        （3）顶部露天位置的钢结构，向阳一面存在严重涂层剥落、粉化问题，部分横梁焊接位置严重锈蚀且多数地方涂层相对较薄。
        对钢结构腐蚀因素进行分析，确定影响本次研究工程项目钢结构腐蚀的核心因素有以下几点：
        （1）工程项目所在区域气候（包括气温、降水等）。
        （2）环境中的污染物质。
        （3）高压电流对钢结构存在影响。
        （4）紫外线辐射、酸雨等环境问题影响。
        （5）动车组车体振动过程中所具有的动力性能影响。
        为解决钢结构腐蚀问题，降低这些因素对钢结构的不利影响，设计利用新型防腐材料进行施工，改善传统站台、雨棚钢结构防腐方案，进一步提升钢结构防腐能力。
        2.2新型防腐材料应用必要性与可行性分析
        2.2.1必要性分析
        从宏观角度来看，钢结构以其强度高、自重轻、韧性好、密封性佳、抗变形能力强、整体稳定性高、可重复利用、可批量生产等优势，被广泛应用到国民经济建设中，成为高层建筑、大跨度建筑、海洋工程等重要结构类型。由于钢制材料容易受多种因素影响，发生钢结构腐蚀（大气腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀、酸碱腐蚀、应力腐蚀等），从而改变材料性能，影响钢结构建筑整体的安全性、稳定性、可靠性，增加钢结构建筑维修成本。网络公开资料显示：一些发达国家，如美国、日本、英国等，因钢结构腐蚀产生的经济损失，约占国民经济生产总值的1.8%~4.0%[4]。因此，在当前钢结构建筑项目数量日渐增多，高度重视建筑工程质量与安全的背景下，做好钢结构腐蚀防护工作，提高钢结构防腐工程质量，势在必行。
        从微观角度来看，当前站台、雨棚钢结构防腐工程，多采用“钢结构表面喷射处理+中间涂装环氧云铁涂料+外层涂装具有防火防渗透等功能涂料”的方法进行施工。其中涂料类型以及涂层厚度则根据钢结构腐蚀环境确定。基于经验归纳与总结，发现“底涂料：水性无机锌+中间涂料：环氧云铁+面涂料：丙烯酸聚氨酯”、“底涂料：水性无机硅酸锂锌粉+中间涂料：水性环氧云铁+面涂料：水性氟硅”在钢结构上的附着力较强，达到了7.0MPa~13.5MPa，且整体厚度适宜，能够满足绝大多数高铁站台以及雨棚钢结构防腐蚀要求[4]。但由于传统水性防腐蚀材料在制备过程中使用了挥发性有机化合物，对环境存在一定污染。对此，面对防腐材料生产与使用要求的趋严化发展。加强环境友好型防腐材料研发与推广利用，成为相关企业以及工作人员关注的重点。基于此，在本次钢结构防腐工程中，为提升防腐工程环境效益，设计利用新型纳米无机颗粒水性分散体防腐材料进行施工。
        2.2.2可行性分析
        新型纳米无机颗粒水性分散体防腐材料在制备过程中，将传统水性防腐蚀材料中的有机乳化剂更换为高性能微纳米纤维与高活性纳米颗粒的混合物质。这在一定程度上使纳米固体细粉能够附着在分散相液滴表面，并在无机氧化物作用下发生聚合反应，使有机高分子具备一定官能团，并在一定条件下和无机混合物的羟基反应，从而形成一种稳定性相对较高的多功能水性分散体聚合物。通常情况下，这种物质具备无毒、无污染、无刺激性气味、稳定性强等特征，同时具有较强的耐热性、耐久性、抗紫外线辐射性。因此，新型纳米无机颗粒水性分散体防腐材料在本次研究工程中具有较强应用性，既能够做底涂料，也能够做中间涂料、面涂料，形成的防腐蚀工程配套体系如表1所示。
        表 1 新型纳米无机颗粒水性分散体防腐材料配套体系

        2.3防腐工程质量管控要点
        在应用新型纳米无机颗粒水性分散体防腐材料进行施工时，为保证钢结构防腐工程施工质量与效率，需要注意以下几点。
        2.3.1做好防腐工程前期准备工作
        钢结构防腐工程是一项系统化工程且对施工技术具有较高要求。因此，在施工过程中需做好施工前的准备工作。在此过程中：
        （1）遵循如图1所示流程进行防腐涂料配方设计，保证防腐材料性能与价值，提升防腐材料应用价值。

        图 1 防腐涂料配方设计流程图
        （2）对钢结构防腐工程施工环境具有全面了解，掌握施工技术应用中难点。就本次研究工程而言，由于工程属于钢结构腐蚀修复工程，工程项目处于运行阶段，因此施工操作只能够在夜晚进行。而夜晚温度相对较低，容易受露水影响增加基面湿度，提高防腐材料应用难度。与此同时，夜间施工的可操作性时间相对较短，而钢结构防腐工程涉及到的操作环节相对较多，包括基面杂质处理、基面锈迹处理、旧涂层清除等。因此，在施工工程中需要选择适宜方法进行钢结构表面处理，在满足处理要求的同时，提高处理效率。此外，施工工程中由于雨棚钢结构属于大跨度钢结构且净空高，这在一定程度上需要施工人员进行高空作业，不仅增加施工难度，也提高施工风险，需要做好相关安全防护工作。
        （3）掌握钢结构防腐工程施工技术标准，明确工程施工质量要求。例如，钢结构表面处理需要满足《涂装前钢材表面锈蚀等级和涂装等级》、《工业建筑防腐蚀设计规范》、《钢结构工程施工质量验收规范》等要求；钢结构喷射除锈质量需要达到Sa2.5级（非常彻底）；手工除锈质量需要达到St2级（彻底除锈）。
        （4）做好施工质量与技术交底工作，并通过施工人员系统化培训，使施工人员对施工职责、要求、内容、方法等具有全面了解与掌握，提升施工人员专业素养与能力。
        2.3.2加强防腐工程施工现场环境管理
        由于钢结构防腐工程施工技术对施工现场环境具有相对较高的要求。对此，为保证施工技术应用质量，促进防腐材料应用作用的最大化发挥，需要做好环境管理与控制工作。在此过程中：
        （1）保证施工环境温度在5℃~35℃之间，施工环境相对湿度不超过84%，与此同时钢结构表面温度不得低于露点温度，一般应高于露点温度3℃。
        （2）利用新型防腐材料进行施工时，应避开恶劣天气，包括大风、大雨等，避免风吹、雨淋、冰冻等对涂装质量产生不利影响。
        （3）在夏季施工过程中，涂装前需要对近期气候具有全面、准确掌握，避免在高温天气（≥40℃）施工。保证涂装在实干之前不会被雨淋。
        2.3.3提升防腐工程施工技术应用质量
        由于本次工程设计钢结构使用寿命超过15年，故选择配套方案为“两道底涂料（80μm）+两道中间涂料（150μm）+两道面涂料（120μm）”。在涂装过程中，根据实际情况选择适当涂装方法进行操作，包括刷涂、喷涂等。与此同时，利用测厚仪对涂装厚度进行检测，保证厚度均匀，将每道厚度控制在规定范围之内。此外，重复涂覆过程中，需要控制好两次涂装间隔时间，保证在涂膜全干之后进行下一道工序。另外，针对特殊地区，如焊缝位置、棱角位置，可通过预涂保证涂装质量达标。
        2.3.4做好防腐工程施工质量检查工作
        质量检查是钢结构防腐工程施工重要环节，在保证钢结构防腐工程施工质量上存在重要影响。在本工程中，质量检查要点如下：
        （1）在施工前需要对钢结构表面处理质量进行检查，保证表面处理质量达标；需要对防腐蚀材料质量进行检查，包括材料名称、材料数量、材料规格、材料质量合格证书等；需要对施工现场环境条件进行检查，保证各项施工条件满足施工技术应用要求。
        （2）在施工后，需对涂层质量进行检查，包括涂层表面是否有气泡、裂缝、褶皱等问题；涂膜厚度是否符合设计标准；涂层附着力是否质量要求等。
        2.4效果跟踪
        钢结构公交枢纽站自应用新型纳米无机颗粒水性分散体防腐材料处理后，已经投入一段时间。近期对钢结构防腐情况进行现场检查，发现防腐涂层防腐效果较好。
        3结论
        总而言之，钢结构防腐工程是建筑工程建设体系中的重要组成部分，在提升建筑工程施工质量，增强建筑工程运行稳定性与可靠性上发挥着至关重要的作用。对此，建筑企业应高度重视钢结构防腐工程，能够立足工程实际情况，进行防腐材料有针对性选择，提升防腐施工技术应用质量。与此同时，面对防腐材料绿色化、个性化发展，有必要加强新型防腐材料研发，通过新型材料制备与利用，增强钢结构防腐工程综合效益。
        参考文献：
        [1]丁锐,陈思,吕静,等.石墨烯在防腐薄膜和有机防腐涂层领域的理论和应用研究综述[J].化学学报,2019,77(11):1140-1155.
        [2]程晓池.建筑工程中轻钢结构的防腐及防火技术探究[J].工程技术研究,2019,4(01):53-54.
        [3]梁楚欣,刘峥,张淑芬.水性防腐蚀涂料的改性及其防腐蚀性能研究进展[J].材料保护,2019,52(07):135-141+148.
        [4]许尚农,刘晓丽,黄毅翔,等.喷涂速凝橡胶沥青防水涂料在建筑领域的应用现状及发展前景[J].新型建筑材料,2017,44(04):137-139.