澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的耐久性研究
王彥敏 陳新豪 王海峰（博思格鋼鐵（中國(guó)））
摘要 多年來(lái)，金屬涂層法常被用來(lái)保護(hù)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(xiàn)。近期的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)：鍍鋁鋅鋼材比鍍鋅剛才有著更好的防腐蝕性能表現(xiàn)。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(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
一、概述
澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在日本住宅建筑運(yùn)用中，獲得很高的質(zhì)量評(píng)價(jià)，耐久性方面滿足或超過(guò)目前已知的其他鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
在澳大利亞，大部分房屋多為砌體結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)。65%的家庭擁有自己的住宅。澳大利亞有約650萬(wàn)戶家庭，人均壽命75歲。因此澳大利亞住宅的使用時(shí)間很長(zhǎng)，而房屋所有者更期望它能永久使用。設(shè)計(jì)師開發(fā)的新結(jié)構(gòu)體系，通常以50年為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。在澳洲，如果新的結(jié)構(gòu)體系，其使用壽命不如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，就不會(huì)有市場(chǎng)。
二、鋼結(jié)構(gòu)的歷史
在澳洲，早在1947鋼材就已替代木材應(yīng)用于房屋結(jié)構(gòu)。那時(shí)，采用重鋼體系，房屋質(zhì)量雖好，但價(jià)格較高。1972年，澳洲人John Lysaght設(shè)計(jì)開發(fā)出一套新的結(jié)構(gòu)體系。由熱鍍鋅薄壁（1.2mm）鋼材構(gòu)成。鋼材開始在住宅結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。30多年來(lái)，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有25萬(wàn)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(yán)重（靠海、氣候炎熱、濕度大）。如在澳洲最北的城市—達(dá)爾文，由于鋼材較高的材料強(qiáng)度和良好的耐久性，鋼材已被建設(shè)局和業(yè)主認(rèn)為最好的結(jié)構(gòu)材料。
三、結(jié)構(gòu)材料的耐久性
（一）主要觀點(diǎn)
熱鍍鋅鋼材被用于住宅結(jié)構(gòu)已有多年，且被證明比其它一般結(jié)構(gòu)有更好的性能表現(xiàn)，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(shí)間，但是，無(wú)論是在實(shí)際應(yīng)用還是在加速實(shí)驗(yàn)中，鍍鋁鋅鋼材都有非常良好的性能表現(xiàn)。
（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(chǎn)品—鍍鋁鋅鋼材的開發(fā)。金屬涂層和有機(jī)涂層的屋面及墻面壓型鋼板產(chǎn)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(jī)遇。
研究表明：無(wú)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(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合對(duì)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(jié)構(gòu)構(gòu)件。金屬涂層法被用來(lái)保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)避免腐蝕，已有多年。長(zhǎng)期以來(lái)，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(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)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(dú)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(shù)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(yàn)結(jié)果
自1974年以來(lái)，澳大利亞公司、伯利恒鋼鐵及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究機(jī)構(gòu)取得了大量金屬材料在大氣自然環(huán)境和加速暴露試驗(yàn)條件下的研究結(jié)果。澳大利亞公司已積累了大量關(guān)于鍍鋅鋼材和鍍鋁鋅鋼材在惡劣環(huán)境下的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，這就使澳大利亞公司成為了鍍鋁鋅鋼材在實(shí)際應(yīng)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(yàn)研究方向的先驅(qū)。澳大利亞公司已經(jīng)建立起綜合性的加速實(shí)驗(yàn)室，如鹽霧試驗(yàn)，能詳細(xì)提供材料在特殊條件下的性能表現(xiàn)。
1、大氣自然環(huán)境條件下的試驗(yàn)
鍍鋅和鍍鋁鋅鋼材在大氣條件下的試驗(yàn)由澳大利亞鋼鐵、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究機(jī)構(gòu)和伯利恒鋼鐵負(fù)責(zé)。鍍鋁鋅鋼材在大多數(shù)條件下的性能均優(yōu)于鍍鋅鋼材。試驗(yàn)結(jié)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(shí)間的推移，腐蝕速度變緩。
圖 1
研究結(jié)果表明：鍍鋅鋼材和鍍鋁鋅鋼材在多數(shù)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(duì)惡劣海洋環(huán)境條件下的研究結(jié)果圖 2。這些結(jié)果來(lái)源于近14年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)有點(diǎn)離散。
圖 2
由圖二，我們可以得出涂層損失與其暴露時(shí)間的函數(shù)關(guān)系公式：
2、加速腐蝕試驗(yàn)
加速腐蝕試驗(yàn)也表明金屬涂層鋼結(jié)構(gòu)的諸多有點(diǎn)，特別是鍍鋁鋅鋼材。
（1）潮濕氣候環(huán)境下的試驗(yàn)
在循環(huán)冷凝潮濕環(huán)境試驗(yàn)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(hù)，不幸的是這種犧牲保護(hù)作用受到了其下層鋼材被腐蝕時(shí)所分解出的純水的影響。
表 2
（2）鹽霧試驗(yàn)—澳大利亞鋼鐵
鹽霧試驗(yàn)被公認(rèn)為是比較不同材料耐久性能最好的試驗(yàn)方法。但這種方法并不能對(duì)柜式試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際環(huán)境的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行直接比較。柜式試驗(yàn)特別適合于基色的金屬涂層的情況。而世界上大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)贊成循環(huán)試驗(yàn)方法。澳大利亞鹽霧試驗(yàn)數(shù)據(jù)表見 表 3.
表 3
（3）鹽霧/濕氣循環(huán)試驗(yàn)—CSIRO
澳大利亞 CSIRO 研究機(jī)構(gòu)已利用室內(nèi)循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M熱帶條件。這種室內(nèi)添加特殊的鹽，并反復(fù)加濕于干燥的金屬板面的試驗(yàn)方法，與傳統(tǒng)的噴霧方法有很大的不同。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)建立起的數(shù)據(jù)，提供了關(guān)于濕度——時(shí)間趨勢(shì)準(zhǔn)確的信息。這個(gè)研究結(jié)果表明：當(dāng)暴漏于不結(jié)的熱帶海洋環(huán)境時(shí)，會(huì)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(yàn)結(jié)果見 表4。
表 4
3，涂層損失時(shí)，材料強(qiáng)度相應(yīng)的折減
表5 顯示：當(dāng)酸作用于鍍鋁鋅鋼材，并使涂層脫落時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度的微小損失。研究結(jié)果表明：即使金屬涂層完全腐蝕，G550鋼材仍能保持或超過(guò)設(shè)計(jì)要求的極限抗拉強(qiáng)度。
表 5
下圖 3證實(shí)：涂層損失如何影響材料強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。鋼材的極限抗拉強(qiáng)度與涂層完全損失時(shí)的抗拉強(qiáng)度之間成線性關(guān)系，隨后鋼材強(qiáng)度快速下降。
4，金屬涂層的質(zhì)量
澳大利亞公司產(chǎn)品上標(biāo)明的AZ150——表示每平方米涂層質(zhì)量150毫克，符合澳大利標(biāo)準(zhǔn)AS1397。澳大利亞公司鍍鋁鋅鋼材涂層平均質(zhì)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(gè)大的島國(guó)，氣候環(huán)境負(fù)責(zé)多樣，自北向南氣候從熱帶向寒帶、溫帶變化。
數(shù)據(jù)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(duì)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(jīng)應(yīng)用于澳大利亞各種環(huán)境的住宅中，且性能表現(xiàn)優(yōu)越。但其他因素如大氣中的鹽分和污染物質(zhì)對(duì)涂層鋼材的使用壽命有影響，應(yīng)予以考慮。
四、結(jié)論
1，鍍鋅和鍍鋁鋅鋼材抗腐蝕能力強(qiáng)，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(shù)情況下，其使用壽命是鍍鋅鋼材的兩倍。
3，涂層質(zhì)量的大小與鋼材的耐久性能的好壞有密切的關(guān)系，涂層質(zhì)量越大，鋼材的耐久性能就越好。
4，鍍鋁鋅鋼材 AZ150 已廣泛應(yīng)用于澳大利亞各種環(huán)境條件下的住宅結(jié)構(gòu)中，表現(xiàn)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(hù)滿足規(guī)范的要求，其使用壽命可達(dá)75年。
