澳大利亞鋼結構系統的耐久性研究

王彥敏    陳新豪   王海峰（博思格鋼鐵（中國））
 

摘要  多年來，金屬涂層法常被用來保護鋼材，避免其受大氣環(huán)境腐蝕。鍍鋅鋼材在防腐蝕方面有著非常出色的表現。近期的實驗和實際應用表現：鍍鋁鋅鋼材比鍍鋅剛才有著更好的防腐蝕性能表現。本文闡述了鍍鋁鋅鋼材具有75年使用壽命及其在住宅鋼結構系統中的應用。

一、概述

   澳大利亞鋼結構系統在日本住宅建筑運用中，獲得很高的質量評價，耐久性方面滿足或超過目前已知的其他鋼結構系統。

   在澳大利亞，大部分房屋多為砌體結構或磚木結構。65%的家庭擁有自己的住宅。澳大利亞有約650萬戶家庭，人均壽命75歲。因此澳大利亞住宅的使用時間很長，而房屋所有者更期望它能永久使用。設計師開發(fā)的新結構體系，通常以50年為設計基準期。在澳洲，如果新的結構體系，其使用壽命不如傳統結構體系，就不會有市場。

二、鋼結構的歷史

  在澳洲，早在1947鋼材就已替代木材應用于房屋結構。那時，采用重鋼體系，房屋質量雖好，但價格較高。1972年，澳洲人John Lysaght設計開發(fā)出一套新的結構體系。由熱鍍鋅薄壁（1.2mm）鋼材構成。鋼材開始在住宅結構中被廣泛應用。30多年來，據統計約有25萬套住宅采用該體系建造。鍍鋅薄壁輕鋼體系已被證明極具耐久性，且特別適合有白蟻的地區(qū)。白蟻區(qū)通常大氣環(huán)境腐蝕也很嚴重（靠海、氣候炎熱、濕度大）。如在澳洲最北的城市—達爾文，由于鋼材較高的材料強度和良好的耐久性，鋼材已被建設局和業(yè)主認為最好的結構材料。

三、結構材料的耐久性

 （一）主要觀點

  熱鍍鋅鋼材被用于住宅結構已有多年，且被證明比其它一般結構有更好的性能表現，尤其在耐久性方面。而鍍鋁鋅鋼材的使用至今盡管只有10年左右的時間，但是，無論是在實際應用還是在加速實驗中，鍍鋁鋅鋼材都有非常良好的性能表現。

 （二）背景

  澳大利亞某公司在澳洲參與房屋建筑工程已有多年，特別是近20多年，參與了房屋產品—鍍鋁鋅鋼材的開發(fā)。金屬涂層和有機涂層的屋面及墻面壓型鋼板產品的開發(fā)，為其在澳洲和亞太地區(qū)研究其防腐蝕和耐久性提供大量的機遇。

  研究表明：無論是鍍鋅鋼品，還是鍍鋁鋅鋼品，兩者在多種大氣環(huán)境和加速腐蝕環(huán)境條件下，都具有良好的耐久性能。澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究機構聯合對封閉建筑的耐久性能的研究表明：鍍鋅和鍍鋁鋅鋼材比較適合作房屋中的結構構件。金屬涂層法被用來保護鋼結構避免腐蝕，已有多年。長期以來，鍍鋅鋼品在腐蝕性能方面有著良好的記錄。近期，鍍鋁鋅鋼品在實驗和實際應用中具有更好的性能。

  鍍鋁鋅涂層采用由伯利恒鋼鐵公司發(fā)明的獨特涂層處理方法制成。它是一種合金涂層；其中鋁含量55%，鋅含量43.5%,硅含量1.2%。能提供更好的防腐蝕性能。在大多數情況下，鍍鋁鋅鋼品的使用壽命是其他鋼品的兩倍。特殊情況下，具有更好的耐久性能。

 （三）試驗結果

  自1974年以來，澳大利亞公司、伯利恒鋼鐵及澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究機構取得了大量金屬材料在大氣自然環(huán)境和加速暴露試驗條件下的研究結果。澳大利亞公司已積累了大量關于鍍鋅鋼材和鍍鋁鋅鋼材在惡劣環(huán)境下的實際經驗，這就使澳大利亞公司成為了鍍鋁鋅鋼材在實際應用方面的專家，并成為了鍍鋁鋅鋼材在惡劣海洋環(huán)境、工業(yè)海洋環(huán)境和鄉(xiāng)村環(huán)境下試驗研究方向的先驅。澳大利亞公司已經建立起綜合性的加速實驗室，如鹽霧試驗，能詳細提供材料在特殊條件下的性能表現。

  1、大氣自然環(huán)境條件下的試驗

  鍍鋅和鍍鋁鋅鋼材在大氣條件下的試驗由澳大利亞鋼鐵、澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究機構和伯利恒鋼鐵負責。鍍鋁鋅鋼材在大多數條件下的性能均優(yōu)于鍍鋅鋼材。試驗結果見表 1。
 

表 1

圖 1 表明鍍鋁鋅鋼材的腐蝕速度是非線性的，隨著時間的推移，腐蝕速度變緩。
 

圖 1

  研究結果表明：鍍鋅鋼材和鍍鋁鋅鋼材在多數大氣環(huán)境或加速暴露環(huán)境下，能提供良好的耐久性能。伯利恒鋼鐵對惡劣海洋環(huán)境條件下的研究結果圖 2。這些結果來源于近14年的試驗數據，并且?guī)缀醭梢粭l直線。由圖可以看出：第一年變化很小，第六年的數據有點離散。
 

圖 2

由圖二，我們可以得出涂層損失與其暴露時間的函數關系公式：



  2、加速腐蝕試驗

  加速腐蝕試驗也表明金屬涂層鋼結構的諸多有點，特別是鍍鋁鋅鋼材。

  （1）潮濕氣候環(huán)境下的試驗

  在循環(huán)冷凝潮濕環(huán)境試驗中，鍍鋁鋅和鍍鋅兩種鋼材的性能顯示出很大的不同。鍍鋅鍍層能為基層鋼材提供屏障和犧牲保護，不幸的是這種犧牲保護作用受到了其下層鋼材被腐蝕時所分解出的純水的影響。
 

表 2

  （2）鹽霧試驗—澳大利亞鋼鐵

  鹽霧試驗被公認為是比較不同材料耐久性能最好的試驗方法。但這種方法并不能對柜式試驗結果和實際環(huán)境的預測結果進行直接比較。柜式試驗特別適合于基色的金屬涂層的情況。而世界上大多數標準贊成循環(huán)試驗方法。澳大利亞鹽霧試驗數據表見 表 3.
 

  
表 3

 （3）鹽霧/濕氣循環(huán)試驗—CSIRO

 澳大利亞 CSIRO 研究機構已利用室內循環(huán)試驗模擬熱帶條件。這種室內添加特殊的鹽，并反復加濕于干燥的金屬板面的試驗方法，與傳統的噴霧方法有很大的不同。通過現場監(jiān)測建立起的數據，提供了關于濕度——時間趨勢準確的信息。這個研究結果表明：當暴漏于不結的熱帶海洋環(huán)境時，會加速腐蝕；在這樣的條件下，鍍鋁鋅材料能提供比鍍鋅材料更好的耐久性能。試驗結果見 表4。
 

表 4
 

 3，涂層損失時，材料強度相應的折減

 表5 顯示：當酸作用于鍍鋁鋅鋼材，并使涂層脫落時，材料抗拉強度的微小損失。研究結果表明：即使金屬涂層完全腐蝕，G550鋼材仍能保持或超過設計要求的極限抗拉強度。
 

表 5
 

  下圖 3證實：涂層損失如何影響材料強度的預測。鋼材的極限抗拉強度與涂層完全損失時的抗拉強度之間成線性關系，隨后鋼材強度快速下降。

 4，金屬涂層的質量

  澳大利亞公司產品上標明的AZ150——表示每平方米涂層質量150毫克，符合澳大利標準AS1397。澳大利亞公司鍍鋁鋅鋼材涂層平均質量150~~170毫克/平方米。

 5，澳大利亞與日本類似的氣候環(huán)境

圖 3

  澳大利亞地理上是個大的島國，氣候環(huán)境負責多樣，自北向南氣候從熱帶向寒帶、溫帶變化。

數據顯示：日本東京與澳大利亞堪培拉的氣候條件很相似，詳情見下表。
 

  上述氣候環(huán)境對涂層鋼材并不具有挑戰(zhàn)性，而熱帶海洋環(huán)境卻更具威脅性。涂層鋼材已經應用于澳大利亞各種環(huán)境的住宅中，且性能表現優(yōu)越。但其他因素如大氣中的鹽分和污染物質對涂層鋼材的使用壽命有影響，應予以考慮。

四、結論

 1，鍍鋅和鍍鋁鋅鋼材抗腐蝕能力強，均具有良好的耐久性能。

 2，鍍鋁鋅鋼材比鍍鋅鋼材有更好的耐久性能。多數情況下，其使用壽命是鍍鋅鋼材的兩倍。

 3，涂層質量的大小與鋼材的耐久性能的好壞有密切的關系，涂層質量越大，鋼材的耐久性能就越好。
 
 4，鍍鋁鋅鋼材 AZ150 已廣泛應用于澳大利亞各種環(huán)境條件下的住宅結構中，表現出較其他涂層鋼材更好的抗腐蝕性，具有更好的耐久性能。在一般環(huán)境中，如果安裝及維護滿足規(guī)范的要求，其使用壽命可達75年。