幕墙工程金属结构的腐蚀与防护措施

前言

    建筑幕墙是由金属构件、玻璃、石材、金属板材等材料组成的，悬挂于建筑主体上的建筑外围护结构。它比传统墙体轻得多，可以减轻地基和主体结构承重，有利于建筑物向高层发展和节省建筑经费。同时，建筑幕墙可以有各种颜色和各种造型，使建筑物具有很强的现代感，有很好的装饰效果，美化了城市环境，使我们的生活更加亮丽和多姿多彩。因此被广泛应用于各种各样的建筑物。由于建筑幕墙的主要受力构件为金属材料，绝大部分采用铝合金型材、镀锌彩板型材，并且大量金属结构在建筑幕墙工程中使用，腐蚀和防腐蚀在幕墙工程中就是保证工程质量的根本，下面就其中一些关键问题作一简单阐述。

    一、金属材料的腐蚀

    1．金属腐蚀的类型

    腐蚀是材料与其环境间的物理化学作用引起材料本身性质的变化。金属腐蚀是指金属与其所处环境间发生物理化学作用，导致金属性能的改变，并常使金属功能、环境或制作产品的工艺系统遭到破坏。金属腐蚀的类型一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。

    2．化学腐蚀

    化学腐蚀是因为金属与腐蚀性介质发生化学作用所引起的腐蚀，在腐蚀过程中没有电流发生。化学腐蚀可分为气体腐蚀和在非电解质溶液中的腐蚀。

    3．电化学腐蚀

    它与化学腐蚀的不同点在于腐蚀过程有电流产生。电化学腐蚀一般可分为大气腐蚀、在电解质溶液中的腐蚀和土壤腐蚀三种情况。大气腐蚀为幕墙工程金属结构腐蚀的主要腐蚀形式。对钢结构来说，腐蚀的速度主要与空气的相对湿度有关。实验和经验证明，常温下，钢材的腐蚀临界湿度为60%～70%。也就是说，当大气的相对湿度小于60%时，钢的大气腐蚀是很轻微的，但当大气相对湿度超过60%时，钢的腐蚀速度会明显增加。同时，钢材的腐蚀速度还与大气中所含的污染物成分和数量有关。

    4．金属腐蚀等级标准

    根据《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-95）对腐蚀性分级的规定，各种介质对金属材料长期作用下的腐蚀性，可分为强腐蚀、中等腐蚀、弱腐蚀、无腐蚀四个等级。各种介质对金属材料的腐蚀性等级应严格按《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-95）的规定执行。

    二、金属腐蚀的防护方法

    为防止或减少金属的腐蚀并延长其使用寿命而采取的各种措施，称为防护方法。使用绝缘性的保护层把金属与腐蚀介质隔离开来，消除产生腐蚀原电池的条件，即采用防护层的方法防止金属腐蚀是目前应用得最多的方法。常用的保护层有金属保护层、化学保护层、非金属保护层三种。

    1．金属保护层

    金属保护层是用具有阴极或阳极保护作用的金属或合金，通过电镀、喷镀、化学镀、热镀和渗镀等方法，在需要防护的金属表面上形成金属保护层（膜）来隔离金属与介质的接触，或利用电化学的保护作用使金属得到保护，从而防止了腐蚀。

    2．化学保护层

    化学保护层是用化学或电化学方法使金属表面上生成一种具有耐腐蚀性能的化合物薄膜，以隔离腐蚀介质与金属接触来防止对金属的腐蚀。

例如钢铁的氧化（发兰）、铝的电化学氧化。

    3．非金属保护层

    非金属保护层是用涂料、塑料和搪瓷等材料，通过涂刷和喷涂等方法，在金属表面形成保护膜，使金属与腐蚀介质隔离，从而防止金属的腐蚀。

    在幕墙工程设计中，应根基具体情况选用适当的金属腐蚀防护方法。

    三、防腐蚀设计

    幕墙工程金属结构的防腐蚀设计应遵循以下原则：

    1．各种介质对幕墙工程金属结构的腐蚀性，应严格按照《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-95）中腐蚀性分级的规定执行。

    2．桁架、柱、主梁等重要钢结构件不应采用薄壁型钢和轻型钢结构。腐蚀性等级为强腐蚀、中等腐蚀时，不应采用格构式钢结构。

    3．钢结构件截面的选择，应符合下列要求：

    （1）钢结构件应采用实腹式或闭口截面。

    （2）由角钢组成的T形截面或由槽钢组成的工形截面，当腐蚀性等级为中等时不宜采用，当腐蚀性等级为强腐蚀时不应采用。

    （3）采用型钢组合的杆件，其型钢间的空隙宽度应满足防护层施工和维修的要求。

    4．钢结构件截面的最小厚度，应符合下列规定：

    （1）采用角钢组合的屋架、托架、天窗架的弦杆和端部斜杆等重要杆件及节点板的厚度，不应小于8mm；其它杆件的厚度，不应小于6mm。

    （2）采用钢板组合的杆件的厚度，不应小于6mm。

    （3）闭口截面杆件的厚度，不应小于4mm。

    5．桁架、柱、主梁等重要钢结构件和矩形闭口截面杆件的焊缝，应采用连续焊缝。角焊缝的焊脚尺寸不应小于8mm；当杆件厚度小于8mm时，焊脚尺寸不应小于杆件厚度。闭口截面杆件的端部应封闭。

    6．钢结构采用的焊条、螺栓、节点板等构件连接材料的耐腐蚀性能，不应低于构件主体材料的耐腐蚀性能。

    7．在腐蚀性气态和固态介质作用下，钢材宜采用耐候钢。

    8．铝和铝合金可用于有机酸、浓硝酸、硝酸铵、氯化铵、尿素以及氢离子指数PH值为4.5～8.5的液态介质作用的部位。

    9．铝、镀锌钢不应用于下列介质作用的部位：

    （1）碳酸钠粉尘、碱或呈碱性反应的盐类介质。

    （2）氯、 、氟化氢和硫酸酸雾等气体。

    （3）铜、汞、锡、铅等金属的化合物。

    （4）石墨、煤、焦炭等粉尘。

    10．由于两种不同的金属直接接触时容易产生电偶腐蚀，因此，在进行工程设计时应采取防止或控制电偶腐蚀的措施：

    （1）在进行工程设计时，在选材方面应尽量避免由异种材料或合金相互接触。

若不可避免时，应尽量选择在电偶序中位于同组或位置相近的金属或合金。

    （2）要避免大阴极和小阳极面积比的组合。

    （3）施工中可考虑在不同金属的联接处或接触面采取绝缘措施，避免不同金属的直接接触。

    （4）采用适当的涂层或金属镀层进行保护。但使用涂层时必须十分小心谨慎，必须把涂料涂覆在阴极性金属上，这样可显著减小阴极面积；如果只涂覆在阳极性金属上，由于涂层的多孔性或局部涂层脱落，必然产生严重的大阴极和小阳极组合的有害局面。在使用金属镀层时，必须注意金属间的电位差。

    （5）设计时选用容易更换的阳极部件，或将它加厚以延长使用寿命。

    （6）采用电化学保护方法，即使用外加电源对整个构件实行阴极保护或安装一块电极电位比被保护的两种金属更负的第三种金属。

    11．幕墙工程设计中，经常遇见的不同种金属间接触应采取相应的防电偶腐蚀的措施。

    （1）铝及铝合金与钢铁的接触部位，应采用隔离措施，不能直接接触。接触部位可以用涂料或用橡胶类、塑料类的衬垫加以隔离。若必须导通接触（如防雷电气导通点），建议在接触部位加铝垫保护。

    （2）铝与钢铁连接的固定件，宜采用不锈钢或铝合金制作，不能采用钢制和铜制的零件。当采用钢制零件时，必须镀锌，镀锌层应有一定厚度，垫片应用耐久性较好的材料制作。

    （3）铝及铝合金不得与铜直接接触，若需要接触时，必需采用非金属衬垫加以隔离。铝及铝合金与钛或不锈钢接触时，应采用涂刷涂料隔离。

    12．铝及铝合金与水泥材料接触时，应在铝及铝合金材料的表面涂刷耐酸、耐碱、耐水性优良，与水泥附着力好的氯化橡胶涂料、环氧沥青涂料、聚氨酯涂料、沥青涂料等隔离。

    13．由于铝的膨胀系数比钢大一倍，在钢结构件上固定铝制件时，应使铝制件能自由膨胀。

    14．常用的金属腐蚀的防护方法有金属保护层、化学保护层、非金属保护层三种。

    （1）金属保护层是用具有阴极或阳极保护作用的金属或合金，通过电镀、喷镀、化学镀、热镀和渗镀等方法，在需要防护的金属表面上形成金属保护层（膜）来隔离金属与介质的接触，或利用电化学的保护作用使金属得到保护，从而防止了腐蚀。在幕墙工程中，由于锌镀层有良好的防护能力，且成本较低，所以，镀锌已成为幕墙钢结构工程最常用的防护方法。

    镀锌层的厚度主要根据使用环境、设计使用寿命等确定。在进行工程设计时，镀锌层的厚度可按下式计算。

    S=1.1×N×Kl

    S--镀锌层的厚度（微米）

    N--设计使用寿命（年）

    Kl--镀锌层在使用环境下的腐蚀速度（微米/年），镀锌层在各类气候区域的大气腐蚀速度见下表。

    镀锌层在各类气候区域的大气腐蚀速度（露天）（微米/年）

    注：目前我国腐蚀及防护方面的教科书和参考书有关腐蚀速度的参数均使用上表数据，未见更多该方面的资料，建议在设计过程中应到建筑物所在地地方政府查找相关资料。并且镀锌层厚度应大于45微米。

    （2）化学保护层是用化学或电化学方法使金属表面上生成一种具有耐腐蚀性能的化合物薄膜，以隔离腐蚀介质与金属接触来防止对金属的腐蚀。幕墙工程中的铝合金型材都应采用阳极化处理，并且要求阳极化膜层厚度不低于《铝及铝合金阳极氧化-阳极氧化膜的总规范》（GB8013-87）中所规定的AA15级要求。

    （3）非金属保护层是用涂料、塑料和搪瓷等材料，通过涂刷和喷涂等方法，在金属表面形成保护膜，使金属与腐蚀介质隔离，从而防止金属的腐蚀。这将在钢结构涂装设计中作介绍。

    15．工地现场施焊后焊缝的防腐应按被焊接件的防腐标准及施工工艺进行防护处理，但在幕墙工程施工过程中，因受场地、设备、工艺等因素限制，当现场施焊后焊缝无法按被焊接件的防腐方法及施工工艺进行防腐处理时，应在保证其防腐效果不低于被焊接件的防腐效果的情况下，采用其它的防护材料和施工工艺。例如，镀锌或热浸锌联接铁件在现场施焊后，涂刷一道C53-31红丹醇酸防锈漆，二道C53-35云铁醇酸防锈漆，二道C04-42各色醇酸磁漆后，再盖三油二布沥青漆。该防护结构对埋地钢结构有很好的防护效果。

    结束语

    随着建筑幕墙技术的不断发展，其使用材料的不断丰富，一大批新材料、新工艺被应用。我们应该在幕墙防腐蚀方面引起足够重视，在设计选材和施工质量上注意不同材料的防腐蚀措施，按工艺要求去做，不要在工程中留下隐患。

    参考资料

    1．《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-95）。

    2．《建筑防腐蚀工程质量检验评定标准》（GB50224-95）。

    3．《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》（GB50212-91）。

    4．《建筑防腐蚀材料设计与施工手册》《工业建筑防腐蚀设计规范》国家标准管理组中国工程建设标准化协会防腐蚀委员会化学工业部建筑设计技术中心站。

    5．沈祖炎主编：《钢结构制作安装手册》中国建筑工业出版社。

    6．陈鸿海主编：《金属腐蚀学》北京理工大学出版社。

    7．胡传