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装配式建筑钢结构用耐蚀钢材的腐蚀性研究及工程应用

发布于：2023-01-30 10:13:30 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

来源：钢结构

作者：范建文孙国强高勇刚陈鹰王启丞董瀚

钢铁研究总院

钢铁研究总院华东分院

中建钢构西南分公司

上海大学

摘要

装配式建筑钢结构具有节能、环保、资源可循环利用的特点，符合我国未来建筑发展方向。但普通钢材易受腐蚀，钢材表面防腐是目前钢结构设计中必须考虑的内容。由于防腐作业成本高，并且除锈产生粉尘，涂料有机化学物质、镀层金属对大气及土壤产生污染，是制约建筑钢结构发展的重要因素。故开发免涂装新型钢材，降低加工成本，减少环境污染，对于建筑钢结构发展具有重大意义。为此，在钢中添加Ni、Cr、Cu合金元素满足材料耐大气腐蚀性能要求，结合型钢轧制工艺特点，采用V微合金化，轧后冷却过程中V(C,N)弥散析出强化，研发了Q390级抗震耐候热轧H型钢(Q390NHD)，采用周浸对比试验研究了其耐蚀性，分析了在大气中长期暴露的腐蚀问题，论证了耐候钢作为装配式建筑钢结构材料的可行性。

Q390NHD级型钢的主要化学成分范围：m(C)≤0.12%，m(Si)≤0.50%，m(Mn)≤1.50%，0.20%≤m(Ni)≤0.65%，0.30%≤m(Cr)≤1.25%，0.20%≤m(Cu)≤0.55%，m(V)≤0.12%；力学性能：下屈服强度ReL在400 MPa以上，抗拉强度Rm在560～600 MPa之间，屈强比不大于0.80，短比例试样断后伸长率不小于25%，-20 ℃夏比冲击功不小于34 J/cm2，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》中采用抗震性能化设计的钢结构构件材料性能要求。72 h周浸试验中，Q390NHD钢的腐蚀速率为1.665 g/(m2·h)，是普碳钢的47.0%，其耐蚀性是普通钢的2倍多，与09CuPCrNiA相当。参照ISO 11844-1∶2006标准分析，Q390NHD型钢70 a的腐蚀厚度，若按照室内腐蚀性IC3级给出的腐蚀速率上限估算，总腐蚀量不超过0.031 mm；达到IC4级时，不超过0.3 mm；即使室内最严重腐蚀情况(IC5级)，也不超过0.7 mm。

因此，只要适当增加腐蚀裕量，在我国大部分地区，将Q390NHD钢应用于普通民用办公及住宅钢结构建筑中是可以免涂装的。

1 概述

自中华人民共和国成立初至1980年，我国钢产量缓慢增长；1980—2000年为稳步增长期；2000—2010年为高速增长期。钢材市场由供不应求、供需平衡逐步发展到供大于求。我国的钢结构产业政策也随之变化，由长期以来实行的“节约钢材”转变为“合理用钢”，到现在的“鼓励用钢”。目前，国家提倡大力发展建筑钢结构。

装配式建筑钢结构具有环保、节能、资源循环利用的特点，符合我国未来建筑发展的主要方向之一。然而，普通钢材易受腐蚀，钢材表面防腐蚀是目前钢结构设计中必须考虑的内容。钢结构在制作、安装过程中，不可避免要进行除锈、涂镀防腐层作业，其产生的粉尘、有机化学物质、镀层金属对大气及土壤造成污染，且导致建筑钢结构成本上升。而开发免涂装新型钢材可略去防腐作业，降低环境污染并且可降低结构制造成本，对于建筑钢结构发展将具有重大意义。为此，介绍了作者及其团队在这方面进行的科研工作，以及在装配式建筑钢结构工程中初步开展应用的情况，以此为从事材料耐蚀性研究及应用的科技人员提供参考。

2 研究方法

2.1 材料成分设计

本研究的建筑钢结构主材为Q390级热轧耐候H型钢且满足-20 ℃冲击性能不小于34 J/cm2(质量等级相当于D级)(简称“Q390NHD型钢”)，腹板厚度6 mm，翼缘厚度8 mm。考虑到平直度控制，热轧H型钢轧后不能喷水加速冷却，只能缓冷，并且强度要求不太高，细晶强化和组织强化(形成板条贝氏体铁素体或针状铁素体或贝氏体组织)不应作为重点考虑的内容。故采用固溶强化和析出强化是比较现实的。在ASTM相关标准中，当钢材具有较好的耐大气腐蚀性能时，要求其按该标准公式计算出的耐腐蚀性指数I应不小于6.0。本文热轧H型钢的耐蚀性以此为依据。由于是较厚截面的热轧H型钢，必须考虑焊接性和冷脆性要求，因此，没有采用09CuPNiCr-A高P含量设计，而是通过增加Cu、Cr、Ni的方法满足该项要求。GB/T 4171—2008《耐候结构钢》中没有Q390强度级别，所以成分设计Ni、Cr、Cu的加入量只能参考Q355NH和Q415NH。而钢中加入上述元素后，材料的强度将会提高，焊接裂纹敏感性指数Pcm也会提高。此外，C、Mn含量也不得不参考上述相邻强度级别的要求。Q355NH要求m(C)≤0.16%，0.50%≤m(Mn)≤1.50%，Q415NH要求m(C)≤0.12%，m(Mn)≤1.10%，后者要求范围比前者窄。所以，C、Mn含量参考Q415NH确定。考虑材料低温冲击性能要求，P、S含量应尽可能低，析出强化主要考虑V(C,N)的析出强化。综上所述，Q390热轧耐候H型钢(Q390NHD型钢)成分设计如表1所示。

表1 Q390NHD型钢成分设计(质量百分比)

按式(1)计算碳当量CEV、式(2)计算焊接裂纹敏感性指数Pcm、式(3)计算耐大气腐蚀性指数I：

(1)

(2)

I=26.01m(Cu)+3.88m(Ni)+1.20m(Cr)+1.49m(Si)+17.28m(P)-7.29m(Cu)×m(Ni)-9.10m(Ni)×m(P)-33.39[m(Cu)]2

(3)

2.2 材料生产流程

工艺路线：转炉吹炼→挡渣出钢→钢包白渣精炼(LF)炉精炼→大方坯连铸→铸坯下线缓冷→型材厂热连轧→轧后空冷→矫直。

2.3 材料腐蚀试验研究方法

选用Q235普碳钢、09CuPCrNiA耐候钢和本研究工业生产的Q390NHD型钢进行材料耐腐蚀性能对比试验。试验材料的化学成分如表2所示。可见，Q390NHD型钢耐腐蚀性指数在6.0以上，达到ASTM A588的要求，但低于对比材料09CuPCrNiA的I值，而普碳钢的I值不到0.50。

表2 实验室腐蚀对比试验材料化学成分(质量百分数)

按照TB/T 2375—93《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准，采用LF-65A周期轮浸式试验装置进行周浸腐蚀试验。采用NaHSO3(亚硫酸氢钠)溶液，初始浓度为(1.0±0.05)×10-2 mol/L。补给液浓度为(2.0±0.05)×10-2 mol/L。试验温度为(45±2) ℃；湿度RH为(70±5)%；每一循环周期(60±3) min，其中浸润时间(12±1.5) min。烘烤后试样表面最高温度为(70±10) ℃。试验72 h后，取下试样，刮去少量锈蚀产物，采用加少量六亚甲基四胺和苯丙三氮唑的酸清洗表面锈蚀产物，酸洗后用清水冲洗，用无水乙醇浸泡，取出后立即用热风吹干，放入干燥器中干燥24 h后，对试样进行称量。

按照JY/T 009—1996《转靶多晶体X射线衍射方法通则》要求，采用X射线衍射仪(D/max-rA)对周期浸润试验钢的腐蚀锈层物相定量测试。

3 研究结果

试制Q390NHD型钢的微观组织如图1所示，为铁素体+少量珠光体组织。材料的力学性能如表3所示，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》第17.1.6节中的规定，采用抗震性能化设计的钢结构构件材料性能要求。

a—表面；b—1/4处；c—中心。
图1 试制Q390NHD型钢的微观组织

表3 Q390NHD钢力学性能检验结果

材料的腐蚀试验结果如表4所示。可见，09CuPCrNiA耐候钢和本研究试制的Q390NHD型钢的腐蚀速率接近，腐蚀速率分别为普碳钢的43.4%和47.0%，即Q390NHD钢耐蚀性是普通钢的2倍以上。腐蚀产物中，三种材料的针铁矿(Goethite)均占据多数，普碳钢的针铁矿占半数，09CuPCrNiA耐候钢和本研究试制的Q390NHD型钢的针铁矿占绝对多数；普碳钢腐蚀产物的磁铁矿(Magnetite)占比大，为整个腐蚀产物的1/3左右，而其余两种材料没有该种腐蚀产物；纤铁矿(Lepidocrocite)占比较小。试验结果表明，本研究试制的Q390NHD型钢耐蚀性比09CuPCRNiA差，但很接近。

表4 腐蚀试验结果

4 分析讨论

4.1 室内大气环境的腐蚀特点及耐候钢腐蚀深度估计

大气腐蚀是水在金属表面形成水膜，并溶解了大气中的氯离子、硫化物、氮氧化物等形成电解质溶液，由于空气中的氧气溶解其中，金属发生电化学反应形成氧化物，在干湿交替作用下受到腐蚀。所以大气腐蚀需要的条件包括：水、氯离子、硫化物、氮氧化物等电解质，氧气，干湿交替。与室外大气环境比较，居住办公场所的室内环境有如下特点：1)室内气体成分相对稳定，电解质污染物少；2)温度、湿度变化小，不存在高温高湿情况，金属结构表面湿气聚集形成水膜情况罕见；3)没有室外风吹或雨水冲刷作用，金属表面易积聚灰尘但干燥，对金属腐蚀影响小。与桥梁钢结构、塔桅结构等室外结构所处环境不同，用于办公、公共活动场所及住宅的建筑钢结构，特别是承重结构大部分被表面装饰材料、墙体材料包围，处于密闭空间，有的暴露于室内环境。而室内环境与室外环境差别明显，对钢的腐蚀速率也有显著差别。

关于室内环境腐蚀问题,ISO 11844-1∶2006标准在其引言中指出,室内环境腐蚀性小于室外环境的,仅相当于ISO 9223室外大气腐蚀性的C1和C2级,室内大气腐蚀性划分为5级,其中IC1~IC3级为非常低的腐蚀性,对应ISO 9223中的C1级,IC4、IC5级对应ISO 9223中的C2级,如表5所示,同时给出了标准中对应腐蚀级别的普碳钢腐蚀速率范围。

表5 ISO 11844-1和ISO 9223提供的普碳钢腐蚀数据

由本研究实验室对比腐蚀试验(表4)表明，普碳钢的腐蚀速率是Q390NHD的2倍以上。所以按照室内最高腐蚀等级IC5级的腐蚀速率上限19.11 μm/(m2·a)计算，普碳钢的腐蚀总量为1.338 mm，则Q390NHD钢70 a腐蚀总量不超过0.669 mm。文献研究了古巴的室内环境腐蚀问题，认为室内腐蚀级别在IC3～IC4。事实上，古巴属于热带海洋性气候，高温潮湿且氯离子含量高，相应室内温度和湿度大一些，空气流通时室内氯离子浓度也高。与之相比，我国大部分地区的温度、湿度、氯离子含量均比古巴要低，相应地，室内环境腐蚀性也应低，按照IC5级估计我国室内钢的腐蚀速率偏高，按照IC3中等腐蚀性考虑是合适的。按照IC3给出的腐蚀速率上限0.8917 μm/(m2·a)计算，70 a普碳钢的腐蚀总量为0.062 mm，按照耐腐蚀性是普碳钢的2倍计算，对应地，Q390NHD钢70 a腐蚀总量不超过0.031 mm。所以，耐候钢室内腐蚀时，70 a大部分情况下总腐蚀量在0.1 mm以下，室内腐蚀性达到IC4级时，总腐蚀量不超过0.3 mm，最严重的IC5级时，也不超过0.7 mm。故耐候钢只要适当增加腐蚀裕量，在我国大部分地区，应用于普通民用办公及住宅钢结构建筑是可以免涂装的。

4.2 材料耐蚀性研究结果及耐候钢腐蚀深度预测

美国标准ASTM G101-04(2010年版)中的钢的大气腐蚀速率计算公式如下：

C=AtB

(4)

式中:C为被检测钢种暴露在室外大气环境下B年的累计腐蚀量;A为第1年该钢种的腐蚀量;B为时间，a。其中系数A、B受到两个因素的影响，第一个因素是材料本身的耐蚀性能，与材料的化学成分、内部微观组织有关，第二个因素是该钢材所处的大气环境。相关文献对多种材料进行了长期室外大气环境暴露腐蚀试验。表6给出基于相关文献中武汉工业大气环境的材料腐蚀数据以及由此得出的70 a表层腐蚀深度预测结果。可见，70 a材料腐蚀表层厚度不超过0.30 mm。所以结构设计时增加腐蚀裕量可以满足建筑钢结构耐蚀性要求。本研究Q390NHD成分与10CrCuSiV较为接近，因此在同样室外环境下，其70 a腐蚀量应不超过0.3 mm。

表6 相关文献的数据及由给出的参数A、B预测的70 a腐蚀深度

4.3 建筑钢结构采用耐候钢免涂装的经济性分析

由上述分析可知，采用耐候钢时，70 a室内腐蚀总量不超过0.3 mm，考虑到实际生产厚度控制波动，在设计厚度基础上增加0.6 mm应该是足够的。对钢材设计厚度为4 mm、用钢量为50 kg/m2的钢结构，当采用免涂装耐候钢时，增加0.6 mm的腐蚀裕量，则用钢量增加7.5 kg/m2(增加了15%)，再考虑耐候钢比普通钢采购成本提高1000元/t,则单位面积钢材采购费用增加50.34元/m2。而普通钢结构涂装包括喷砂除锈和涂镀两部分，其成本应该不少于2000元/t，折合到单位建筑面积，该部分费用将是100元/m2。所以，保守估计，采用耐候钢作为建筑钢结构主材时，由免涂装节省的成本将近50元/m2，并且截面越厚，其成本节省越明显。由此产生的效益是不可估量的。

5 工程应用

由上述分析可知，将耐候钢应用于建筑钢结构实现免涂装、少维护，不仅工程上可行，而且将带来经济效益和社会效益。同时，研制了与建筑用耐候钢配套的耐候钢螺栓，选用恰当的耐候钢焊材，解决了连接问题。

采用研制的Q390NHD型钢及配套材料，在四川某地建造了低层示范农居房，如图2所示。之后，将其推广开发的耐候钢及配套8.8级耐候钢螺栓和J506NH焊材在低层钢结构住宅建设中成功应用，如图3所示，取得了很好的效果。