喷砂(抛丸)工艺对建筑钢结构表面的影响

摘要：随着建筑钢结构的广泛应用和迅速发展，钢结构的应用已经不局限于骨架结构的应用，越来越多的建筑立面利用钢结构进行装饰处理，作为钢结构防腐涂装前的表面预处理工艺一喷砂(抛丸)除锈工艺也得到了广泛应用。喷砂(抛丸)工艺的除锈作用，作为钢结构从业人员，一般都比较熟悉。但喷砂(抛丸)工艺在除锈的同时，还会给钢材表面带来一定的形状改变，对截面刚度比较小的薄钢板构件会连同构件本身也发生明显的变形，这一点往往被大家忽略。本文就通过央视新址大楼墙面锈钢板的喷砂(抛丸)工艺对钢材表面乃至整个构件的影响做一个浅析。


1前言
央视新址大楼根据建筑景观要求，部分墙面装饰采用“锈钢板”。
“锈钢板”作为新型钢结构装饰，要求其“钢板表面锈蚀景观性好、而钢结构整体抗腐蚀能力又强、维护费用少、节约资源和保护环境”，为了达到该目的，在钢结构加工制作时，其中有一项工序就是采用了喷砂工艺对钢板表面进行预处理。
央视新址大楼“锈钢板”的尺寸为3mm厚、3000mm长、100mm宽。钢板表面经过喷砂处理后，可以比较彻底的清除钢材表面的氧化皮、锈及污物等，同时使表面获得一定的粗糙度，使钢板表面形成一个较为规则的纹理，之后再通过“锈蚀剂”的作用，达到“锈钢板”所必须的景观要求。但钢板表面经过喷砂后，整块钢板却产生了弯曲变形，弯曲矢高达200mm左右。后来又采用抛丸工艺进行了试验，和喷砂后的变形结果基本相同。然而钢结构作为装饰材料对钢板表面的平整度要求很高，板面的平整度要达到1m靠尺偏差小于1.5mm，200mm的矢高和1.5mm的要求相差太大。究竟是什么原因使钢板产生了变形?又如何来控制这些变形?喷砂(抛丸)工艺对钢材表面又产生了怎样的影响?通过对央视新址大楼“锈钢板”的制作，对以上问题进行分析总结，下面就此作一些阐述。
2喷砂(抛丸)工艺的原理
喷砂和抛丸工艺的原理基本相同，都是用高速飞行的磨料冲击钢材表面，将磨料的动能转化为冲击力和摩擦力来清除铁锈。但二者产生运动的方法不同，喷砂是利用压缩空气把石英砂高速吹出去对钢材表面进行清理的一种方法：抛丸是用电机带动叶轮体旋转，靠离心力的作用，将直径在0.2～3.0的丸子(有铸丸＼切丸＼不锈钢丸等)抛向钢材的表面进行清理的一种方法。二者都能使钢材表面达到一定的粗造度，满足除锈的等级要求。
3喷砂(抛丸)工艺对钢材表面形状的改变
通过喷砂(抛丸)工艺的原理的理解，我们知道在除锈的时候，钢材表面受到了冲击力的作用，这种冲击力不但清除了钢材表面的氧化皮、锈及污物等，同时使表面获得一定的粗糙度，而粗糙正是冲击力作用下使钢材表面变形所形成的，也就是说，砂粒或丸粒在冲击钢材表面的时候，钢材表面的纤维在冲击力的作用下产生了变形，而这种变形在力撤消的时候，不能复原，在钢材表面留下了密密麻麻的凹坑，凹坑的深度大概在5～10μ左右，这些凹坑就是喷砂[抛丸)后在钢板面上保留的残余变形，在涂装时油漆嵌固于这些凹坑内，大大提高了漆膜的附着力。
4喷砂(抛丸)工艺对钢构件形状的改变
喷砂(抛丸)工艺对钢材表面形状的改变很容易就能理解，因为用手触摸表面这种简单的方法我们就能感知到粗糙度，从而理解表面形状的改变。而喷砂(抛丸)工艺对钢构件形状的改变则是我们平常不容易看到的，因为平常所看到的大部分钢构件用喷砂(抛丸)工艺除锈后并未发生明显的形状的改变，但如果对薄钢板进行喷砂(抛丸)工艺除锈后就可以明显的看到形状的改变，而且这个改变也出乎常规的意料，按照力学常识。变形肯定在力作用的方向，而这种变形恰恰相反，朝喷砂(抛丸)工艺除锈的那个面的方向拱起。在薄钢板构件的制作中还发现磨料的材质和颗粒的大小对构件的变形大小也有一定的关系，磨料材质密度大对应的变形大，磨料颗粒大对应的变形也大一些。用3mm、6mm和12mm厚长度均为220mm的正方形平钢板做三个试件，将三个试件的一面用喷砂的方式除锈，结果是3mm厚的试件四个边全能看到明显的起拱，供的矢高2～3mm；6mm厚的试件有略微的起拱；而12mm厚的试件几乎没有变形。根据截面惯性距公式1=bh3/12，可以推出3mm、6mm和12mm厚三种试件的抗弯截面刚度比为1:8:64，三种试件的最后变形值与截面刚度成反比，刚度越大，变形越小。至此可以得出这样的结论，喷砂(抛丸)工艺能使钢构件产生一定的变形，刚度小的薄钢板构件影响会大一些。


图13mm钢板喷砂后自动起拱示意图
5喷砂(抛丸)工艺使钢构件产生变形的原因
众所周知，力是构件产生变形的原因，反过来说有变形必有力的作用，喷砂(抛丸)工艺所产生的冲击力没有使试件产生向着冲击方向的变形，反而是逆着冲击方向起拱，这究竟是什么原因呢?很显然，反向起拱的直接原因不是冲击力，因为试件产生变形的状态下冲击力已经不存在了。既然不是外力的作用，那一定就是构件内部的作用了，那么是什么内力能使试件产生变形呢?答案就是残余应力，正是因为残余应力的作用，才使钢板试件产生了变形。
在钢结构制作和施工中，由于火焰切割和焊接等热加工，会使钢结构产生残余应力，而且多数为残余拉应力，直接影响构件的形状和承载能力。那么喷砂(抛丸)工艺也能产生残余应力吗?答案是肯定的，而且对作用面产生的是残余压应力。这也许会带来更大的疑问，残余压应力是怎样产生的?残余压应力又如何使钢板试件起拱呢?因为残余应力是一个复杂的课题，它往往会涉及到材料的微观结构，下面用一些我们常规理解的力学知识对此现象做一个解释。
喷砂(抛丸)工艺作用在钢板表面的冲击力虽然不是钢板试件产生变形的直接原因，但却是产生残余应力的直接原因。当砂粒或丸粒在冲击钢材表面的时候。在钢材表面形成了密密麻麻的凹坑，使钢材表面纤维产生了变形，而这种变形已经超出弹性变形的范围，达到甚至超过了钢材的屈服极限，从而使钢材表面纤维产生了一定的塑性变形，也就是原来的纤维被拉长，当冲击力消失后，钢材表面纤维在反弹回缩的时候，不能够恢复到原来的长度，而是比原来的长，产生了残余变形。但在钢材表面纤维的回缩力和钢板厚度方向的反弹力的作用下，使得已经拉长的纤维有着强烈恢复到原来平面位置的趋势，但原来的位置比它现在的长度短，容不下，所以已经拉长的纤维为了回到原来的位置，只能对已经拉长的纤维产生压缩的作用，这时在纤维中就产生了压应力。
这种压应力是在外荷载取消后产生的，是残留在钢板表面的一种残余压应力。那么残余压应力是如何使钢板变形的呢?可以做这样一个比喻，钢板表面的一个个凹坑，就象在钢板表面安放了一个个被压缩的弹簧，在这无数个被压缩的弹簧的扩张作用下，带动钢材表面纤维整体变长，这是一个已经变长了的纤维要挤回原位置并将原位置挤压扩大的过程，与我们平常的拉伸变长不同。钢板表面纤维变长，必然受到其他层面纤维的阻止，离表面近的层面阻力大，远的层面阻力逐渐减小，离表面近的层面受的拉力大，远的层面受的拉力逐渐减小，至钢板截面中性层已减为零，过了中性层以后，又转为压应力，而且距中性层越远，压应力也越大。这也使得表面以下的纤维在拉力的作用下被拉长，这种拉长的变形随着距表面越远，变形越小，至钢板截面中性层已减为零，过了中性层以后，又转为钢纤维压缩变短，而且距中性层越远，压缩变形越大。正是因为不同层面纤维的变形长度不同，才使得钢板中间朝喷砂面球面状拱起，直至达到新的内力平衡。这和一个受均布荷载作用的简支梁的变形有点相似，不同之处简支梁是在外荷载作用下产生了变形，而喷砂(抛丸)工艺所引起钢板的变形则是残余压应力作用的结果。
6如何控制喷砂(抛丸)工艺对薄钢板产生的变形
由于薄钢板自身的刚度小，在钢材表面残余压应力的作用下，容易产生变形，控制这种变形可以从以下几个方面入手：
1)提高薄钢板构件的刚度，通过增加加强肋的方式增加钢板的刚度，提高抗变形能力：
2)采用相同的喷砂(抛丸)设备，相同的磨料和相同的力度，在钢板两面对称进行，可以使变形减小；
3)采用轻质和颗粒小的磨料，在减小对钢板冲击力的同时，也会减小钢板的变形：
4)喷砂(抛丸)前，先反变形，在除锈后钢板基本恢复平面。
中央电视台新址大楼的新型钢结构墙面——“锈钢板”加工时，就是通过反复试验采用了上述措施，有效控制了钢板的变形，达到了板面平整度的景观要求。
7喷砂(抛丸)工艺对钢构件产生的有利影响
钢构件的表面在经过喷砂(抛丸)工艺处理后，在钢材的表面会产生残余压应力，对于薄钢板的制作很不利，例如轻型钢结构厂房所用的c型或z型檩条一般就不应采用喷砂(抛丸)工艺来除锈。但喷砂(抛丸)工艺在钢材表面产生的残余压应力，对钢材表面还是很有作用的，据机械制造的有关研究资料表明，这种残余压应力能够强化钢材表面，消除钢构件表面的残余拉应力，增强钢材表面的耐磨性、耐腐蚀性，可以显著的提高材料的抗疲劳强度，很多机械零部件都会采用喷砂(抛丸)工艺来强化表面，例如我们日常乘坐的汽车的钢板的工作面就是用喷丸来强化的。
总的来看，喷砂(抛丸)工艺对钢结构影响利多弊少，因此在钢材除锈方面，还是大力提倡使用这种工艺，以达到提高钢结构抗腐蚀能力、减少维护费用、节约资源和保护环境的目的。