澳大利亚钢结构系统的耐久性研究

王彦敏    陈新豪   王海峰（博思格钢铁（中国））
 

摘要  多年来，金属涂层法常被用来保护钢材，避免其受大气环境腐蚀。镀锌钢材在防腐蚀方面有着非常出色的表现。近期的实验和实际应用表现：镀铝锌钢材比镀锌刚才有着更好的防腐蚀性能表现。本文阐述了镀铝锌钢材具有75年使用寿命及其在住宅钢结构系统中的应用。

一、概述

   澳大利亚钢结构系统在日本住宅建筑运用中，获得很高的质量评价，耐久性方面满足或超过目前已知的其他钢结构系统。

   在澳大利亚，大部分房屋多为砌体结构或砖木结构。65%的家庭拥有自己的住宅。澳大利亚有约650万户家庭，人均寿命75岁。因此澳大利亚住宅的使用时间很长，而房屋所有者更期望它能永久使用。设计师开发的新结构体系，通常以50年为设计基准期。在澳洲，如果新的结构体系，其使用寿命不如传统结构体系，就不会有市场。

二、钢结构的历史

  在澳洲，早在1947钢材就已替代木材应用于房屋结构。那时，采用重钢体系，房屋质量虽好，但价格较高。1972年，澳洲人John Lysaght设计开发出一套新的结构体系。由热镀锌薄壁（1.2mm）钢材构成。钢材开始在住宅结构中被广泛应用。30多年来，据统计约有25万套住宅采用该体系建造。镀锌薄壁轻钢体系已被证明极具耐久性，且特别适合有白蚁的地区。白蚁区通常大气环境腐蚀也很严重（靠海、气候炎热、湿度大）。如在澳洲最北的城市—达尔文，由于钢材较高的材料强度和良好的耐久性，钢材已被建设局和业主认为最好的结构材料。

三、结构材料的耐久性

 （一）主要观点

  热镀锌钢材被用于住宅结构已有多年，且被证明比其它一般结构有更好的性能表现，尤其在耐久性方面。而镀铝锌钢材的使用至今尽管只有10年左右的时间，但是，无论是在实际应用还是在加速实验中，镀铝锌钢材都有非常良好的性能表现。

 （二）背景

  澳大利亚某公司在澳洲参与房屋建筑工程已有多年，特别是近20多年，参与了房屋产品—镀铝锌钢材的开发。金属涂层和有机涂层的屋面及墙面压型钢板产品的开发，为其在澳洲和亚太地区研究其防腐蚀和耐久性提供大量的机遇。

  研究表明：无论是镀锌钢品，还是镀铝锌钢品，两者在多种大气环境和加速腐蚀环境条件下，都具有良好的耐久性能。澳大利亚联邦科学与工业研究机构联合对封闭建筑的耐久性能的研究表明：镀锌和镀铝锌钢材比较适合作房屋中的结构构件。金属涂层法被用来保护钢结构避免腐蚀，已有多年。长期以来，镀锌钢品在腐蚀性能方面有着良好的记录。近期，镀铝锌钢品在实验和实际应用中具有更好的性能。

  镀铝锌涂层采用由伯利恒钢铁公司发明的独特涂层处理方法制成。它是一种合金涂层；其中铝含量55%，锌含量43.5%,硅含量1.2%。能提供更好的防腐蚀性能。在大多数情况下，镀铝锌钢品的使用寿命是其他钢品的两倍。特殊情况下，具有更好的耐久性能。

 （三）试验结果

  自1974年以来，澳大利亚公司、伯利恒钢铁及澳大利亚联邦科学与工业研究机构取得了大量金属材料在大气自然环境和加速暴露试验条件下的研究结果。澳大利亚公司已积累了大量关于镀锌钢材和镀铝锌钢材在恶劣环境下的实际经验，这就使澳大利亚公司成为了镀铝锌钢材在实际应用方面的专家，并成为了镀铝锌钢材在恶劣海洋环境、工业海洋环境和乡村环境下试验研究方向的先驱。澳大利亚公司已经建立起综合性的加速实验室，如盐雾试验，能详细提供材料在特殊条件下的性能表现。

  1、大气自然环境条件下的试验

  镀锌和镀铝锌钢材在大气条件下的试验由澳大利亚钢铁、澳大利亚联邦科学与工业研究机构和伯利恒钢铁负责。镀铝锌钢材在大多数条件下的性能均优于镀锌钢材。试验结果见表 1。
 

表 1

图 1 表明镀铝锌钢材的腐蚀速度是非线性的，随着时间的推移，腐蚀速度变缓。
 

图 1

  研究结果表明：镀锌钢材和镀铝锌钢材在多数大气环境或加速暴露环境下，能提供良好的耐久性能。伯利恒钢铁对恶劣海洋环境条件下的研究结果图 2。这些结果来源于近14年的试验数据，并且几乎成一条直线。由图可以看出：第一年变化很小，第六年的数据有点离散。
 

图 2

由图二，我们可以得出涂层损失与其暴露时间的函数关系公式：



  2、加速腐蚀试验

  加速腐蚀试验也表明金属涂层钢结构的诸多有点，特别是镀铝锌钢材。

  （1）潮湿气候环境下的试验

  在循环冷凝潮湿环境试验中，镀铝锌和镀锌两种钢材的性能显示出很大的不同。镀锌镀层能为基层钢材提供屏障和牺牲保护，不幸的是这种牺牲保护作用受到了其下层钢材被腐蚀时所分解出的纯水的影响。
 

表 2

  （2）盐雾试验—澳大利亚钢铁

  盐雾试验被公认为是比较不同材料耐久性能最好的试验方法。但这种方法并不能对柜式试验结果和实际环境的预测结果进行直接比较。柜式试验特别适合于基色的金属涂层的情况。而世界上大多数标准赞成循环试验方法。澳大利亚盐雾试验数据表见 表 3.
 

  
表 3

 （3）盐雾/湿气循环试验—CSIRO

 澳大利亚 CSIRO 研究机构已利用室内循环试验模拟热带条件。这种室内添加特殊的盐，并反复加湿于干燥的金属板面的试验方法，与传统的喷雾方法有很大的不同。通过现场监测建立起的数据，提供了关于湿度——时间趋势准确的信息。这个研究结果表明：当暴漏于不结的热带海洋环境时，会加速腐蚀；在这样的条件下，镀铝锌材料能提供比镀锌材料更好的耐久性能。试验结果见 表4。
 

表 4
 

 3，涂层损失时，材料强度相应的折减

 表5 显示：当酸作用于镀铝锌钢材，并使涂层脱落时，材料抗拉强度的微小损失。研究结果表明：即使金属涂层完全腐蚀，G550钢材仍能保持或超过设计要求的极限抗拉强度。
 

表 5
 

  下图 3证实：涂层损失如何影响材料强度的预测。钢材的极限抗拉强度与涂层完全损失时的抗拉强度之间成线性关系，随后钢材强度快速下降。

 4，金属涂层的质量

  澳大利亚公司产品上标明的AZ150——表示每平方米涂层质量150毫克，符合澳大利标准AS1397。澳大利亚公司镀铝锌钢材涂层平均质量150~~170毫克/平方米。

 5，澳大利亚与日本类似的气候环境

图 3

  澳大利亚地理上是个大的岛国，气候环境负责多样，自北向南气候从热带向寒带、温带变化。

数据显示：日本东京与澳大利亚堪培拉的气候条件很相似，详情见下表。
 

  上述气候环境对涂层钢材并不具有挑战性，而热带海洋环境却更具威胁性。涂层钢材已经应用于澳大利亚各种环境的住宅中，且性能表现优越。但其他因素如大气中的盐分和污染物质对涂层钢材的使用寿命有影响，应予以考虑。

四、结论

 1，镀锌和镀铝锌钢材抗腐蚀能力强，均具有良好的耐久性能。

 2，镀铝锌钢材比镀锌钢材有更好的耐久性能。多数情况下，其使用寿命是镀锌钢材的两倍。

 3，涂层质量的大小与钢材的耐久性能的好坏有密切的关系，涂层质量越大，钢材的耐久性能就越好。
 
 4，镀铝锌钢材 AZ150 已广泛应用于澳大利亚各种环境条件下的住宅结构中，表现出较其他涂层钢材更好的抗腐蚀性，具有更好的耐久性能。在一般环境中，如果安装及维护满足规范的要求，其使用寿命可达75年。