建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐與防火措施研究

 

 

 我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)的良好發(fā)展，也促進(jìn)了我國(guó)冶金工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，推進(jìn)了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，建設(shè)和冶金行業(yè)的相互促進(jìn)，將使我國(guó)的建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。鋼結(jié)構(gòu)住宅裝配化程度高，所用構(gòu)配件輕巧，運(yùn)輸安裝十分方便同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑所用構(gòu)配件可以在工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝，適合工廠的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和工業(yè)化生產(chǎn)，商品化程度高，有利于降低成本，實(shí)現(xiàn)住宅建筑的集成化。住宅產(chǎn)業(yè)化必然要求大力發(fā)展住宅鋼結(jié)構(gòu)。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅目前所要研究的問(wèn)題，己不是要不要做的問(wèn)題，也不是回答能不能做的問(wèn)題，而是要研究解決如何把它做好的問(wèn)題，是要完整的、配套的、高品質(zhì)的全新的把它研究好并如何推向市場(chǎng)的問(wèn)題[1，2]。本文面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的防腐和防火問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究。

 

 

 鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差，裸露的鋼結(jié)構(gòu)在大氣作用下會(huì)產(chǎn)生銹蝕。腐蝕不僅造成自身的經(jīng)濟(jì)損失，并且使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面減小，承載力降低，影響結(jié)構(gòu)的安全。因此，防止結(jié)構(gòu)過(guò)早腐蝕，提高其使用壽命，是具有重要意義的，也是設(shè)計(jì)、制造和使用單位共同關(guān)心的課題。并且，就我國(guó)家庭來(lái)說(shuō)，購(gòu)買一套住房意味著傾其一生的積蓄，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅采取良好的防腐措施可以更好的吸引購(gòu)房者，推動(dòng)住宅鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

 1.1 腐蝕原理 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕原理，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種�；瘜W(xué)腐蝕是干燥氣體及非電解質(zhì)液體作用于金屬表面而產(chǎn)生；也可以是空氣中的CO2、SO2作用而生成的FeO或FeS，從而使得鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是鋼材表面與電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生電流，形成腐蝕電池，使鋼材產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。鋼材在冶煉時(shí)，常常加入碳元素及其它一些合金元素，于是由于基體鐵元素與其他合金元素各自的標(biāo)準(zhǔn)電極電位的不同，而形成腐蝕微電池的兩極，當(dāng)大氣中的水分、氧氣等介質(zhì)被吸附于鋼材表面時(shí)，無(wú)數(shù)個(gè)腐蝕微電池的兩極被接通了，因而發(fā)生腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)。促進(jìn)腐蝕的外因，是由于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與相對(duì)濕度及大氣中侵蝕性物質(zhì)的含量有密切的關(guān)系。通常相對(duì)濕度在60%以下時(shí)，鋼材的大氣腐蝕是微弱的。在干燥的亞熱帶氣候或在溫帶氣候的建筑物室內(nèi)，鋼材的腐蝕只可能在極有限的范圍內(nèi)發(fā)生。

 1.2 鋼結(jié)構(gòu)桁架的防腐措施 從能量變化的觀點(diǎn)看問(wèn)題，金屬遭受腐蝕之后，把存在于內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能電化學(xué)腐蝕或熱能化學(xué)腐蝕而放出。顯然，這是一個(gè)自發(fā)發(fā)生的過(guò)程，因此，要防止鋼材生銹，就必須設(shè)法阻止其表面腐蝕電池的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，或者以另一種電極更低的金屬原子代替鐵原子作為陽(yáng)極，而鐵原子受到保護(hù)不發(fā)生電極反應(yīng)。根據(jù)以上原理，鋼材的防腐方法主要有以下幾種：①物理屏蔽作用的防銹漆。這類防銹漆的防銹顏料有良好的屏蔽作用，能阻擋水分等化學(xué)介質(zhì)滲到鋼鐵表面，因而減緩電化學(xué)反應(yīng)的速度延遲發(fā)生銹蝕的時(shí)間。其特點(diǎn)是價(jià)格便宜防銹期限僅在五年左右，不適合用于鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中。②依靠化學(xué)鈍化作用，使鋼材表面形成一層鈍化膜。如磷化膜或具有阻蝕性的絡(luò)合物，這些在鋼材表面形成的鈍化膜或絡(luò)合物的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較鐵為正，從而能延緩鋼材的腐蝕過(guò)程。這類防銹漆防銹性能好，價(jià)格便宜，但鉛系防銹漆和鉛酸鹽防銹漆的毒性大，亦不適合用在住宅建筑中。③陰極保護(hù)型防銹漆一富鋅底漆。當(dāng)防銹漆整層漆膜的電極電位比鐵元素更負(fù)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)中的鐵成分便變成陰極，受到電化學(xué)保護(hù)不會(huì)腐蝕。④金屬鍍層保護(hù)，在鋼材表面施加金屬保護(hù)層，以提高鋼材表面的抗腐蝕能力。最常用的是鍍鋅。鍍鋅主要是通過(guò)形成致密的保護(hù)膜和鋅置換作用來(lái)防腐蝕。

 

 

 2.1 鋼結(jié)構(gòu)防火重要性 鋼材雖為非燃燒性材料，但鋼材不耐火，溫度400℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至常溫下強(qiáng)度的一半，溫度達(dá)到600℃，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。一般常用建筑鋼材的臨界溫度（即喪失支撐能力時(shí)的溫度）為540℃。對(duì)于建筑火災(zāi)，火場(chǎng)溫度多在800~1200℃之間。在火災(zāi)發(fā)生的10分鐘內(nèi)，火場(chǎng)溫度即可高達(dá)700℃以上，對(duì)于裸露的鋼材構(gòu)件，在這樣的火場(chǎng)溫度下，只要幾分鐘其溫度就可上升到500℃而達(dá)到其臨界值，進(jìn)而失去載荷能力，導(dǎo)致建筑物倒塌。由上可見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)非常重要，這對(duì)于減輕火災(zāi)損失，減少傷亡具有重要意義。而對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑來(lái)說(shuō)，直接與人的生活起居有關(guān)，目居住建筑內(nèi)一般都有較多的易燃物品，因此，住宅鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)有其特殊的意義。

 2.2 鋼結(jié)構(gòu)桁架防火保護(hù)處理措施 火災(zāi)是火失去控制而蔓延的一種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象。一般地，火災(zāi)的發(fā)生必須具備存在能燃燒的物質(zhì)，能提供持續(xù)燃燒的空氣、氧氣或其他氧化劑，以及能使可燃物質(zhì)燃燒的著火源，這樣三個(gè)條件。為此，考慮破壞以上三個(gè)條件，現(xiàn)今鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護(hù)一般有以下一些措施：①?zèng)_水冷卻保護(hù)法。該方法是在空心封閉的鋼構(gòu)件中充滿水，火災(zāi)時(shí)構(gòu)件把從火場(chǎng)中吸收的熱量給水，依靠水的蒸發(fā)消耗能量或通過(guò)循環(huán)把熱量帶走，構(gòu)件溫度可控制100℃左右，從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)最有效的方法。這種方法由于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有專門要求，目前實(shí)際很少應(yīng)有；②單面屏蔽法，在鋼構(gòu)件中的迎火面設(shè)置阻火屏障，將構(gòu)件與火焰隔開，如果建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，火焰也燒不到鋼構(gòu)件。這種在特殊部位設(shè)置的防火屏障措施不失一種較經(jīng)濟(jì)的鋼構(gòu)件防火方法； ③包封法，包封法是最常見(jiàn)也是最基本的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法，它是用耐火材料把構(gòu)件包裹起來(lái)，一般有澆筑混凝土或砌筑防火磚和防火板材包覆，特別注意防火用板材基本應(yīng)是不燃材料，對(duì)結(jié)構(gòu)能起防火保護(hù)作用的板材，還應(yīng)該具有寫耐高溫特性功能；④噴涂無(wú)機(jī)防火涂料。早在50年代歐美、日本等先進(jìn)國(guó)家就廣泛采用防火涂料保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。80年代初期，國(guó)內(nèi)在一些重要鋼結(jié)構(gòu)建筑中也開始采用。發(fā)展至今，噴涂防火涂料已是使用最廣泛的建筑鋼結(jié)構(gòu)防火法。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的品種較多，通常根據(jù)高溫下涂層的變化情況分膨脹型和非膨脹型兩大系列。其中，膨脹型防火涂料，又稱薄型防火涂料，其基料為有機(jī)樹脂，配方中還含有發(fā)泡劑等成分，用于鋼結(jié)構(gòu)防火，耐火極限可達(dá)0.5~1小時(shí)，非膨脹型防火涂料，主要成分為無(wú)機(jī)絕熱材料，遇火不膨脹，自身具有良好的隔熱性，故又稱隔熱防火涂料，對(duì)應(yīng)耐火極限可達(dá)0.5~3小時(shí)以上。

 2.3 鋼管混凝土柱的耐火性能 根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)證明，鋼管混凝土的抗火性能明顯高于鋼結(jié)構(gòu)，但國(guó)內(nèi)對(duì)鋼管混凝土的防火基本上還是遵循鋼結(jié)構(gòu)的防火要求。這必然導(dǎo)致建筑材料的浪費(fèi)和結(jié)構(gòu)造價(jià)的偏離。鋼管混凝土柱的耐火性能主要依賴以下幾個(gè)因素柱的截面尺寸和形狀、柱的有效計(jì)算長(zhǎng)度、荷載大小、混凝土強(qiáng)度、混凝土骨料成分等。在火災(zāi)情況下，隨著火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度的提高，鋼迅速失去承載力，但鋼管壁對(duì)核心混凝土仍起著“套箍”作用。雖然柱內(nèi)混凝土的強(qiáng)度也逐漸喪失，但由于混凝土的熱傳導(dǎo)率很低，其強(qiáng)度喪失的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼的強(qiáng)度喪失，原本由組合構(gòu)件承受的荷載逐漸能轉(zhuǎn)移到核心混凝土上。最終，在鋼管喪失強(qiáng)度的情況下，核心混凝土必須來(lái)承擔(dān)全部荷載。鋼管混凝土柱的耐火性能不能簡(jiǎn)單等同于鋼結(jié)構(gòu)的耐火。當(dāng)然，對(duì)于不同形式的鋼管混凝土柱及不同的受力情況，其耐火時(shí)限會(huì)有不同，但充分考慮鋼管混凝土柱本身的耐火性能，盡可能降低防火被覆的厚度，降低工程造價(jià)。對(duì)于大力發(fā)展本文中所言及的輕鋼住宅是極為有利的。

 

 [1]田琳，楊彬，韓秀華.鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展及展望[J].山西建筑.2009.03.

 [2]胡建虹.電廠主廠房鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)[J].江西煤炭科技.2009.01.