钢铁研究院
钢铁研究总院华北分院
中建钢构西北分公司
成都大学
概括
装配式建筑钢结构具有节能、环保、资源循环利用等特点，符合我国建筑未来的发展方向。 然而，普通钢材易受腐蚀，钢材表面防腐是当前钢结构设计中必须考虑的内容。 由于防腐工程成本高，除锈形成烟尘，油漆和金属镀层等有机物会污染大气和泥沙，是阻碍建筑钢结构发展的重要诱因. 因此，开发新型免喷涂钢材，增加加工成本，减少环境污染，对建筑钢结构的发展具有重要意义。 因此，在钢中加入Ni、Cr、Cu等合金元素，可以满足材料耐大气腐蚀的要求。 结合工字钢轧机特点，采用V微合金化，在轧后冷却过程中强化了V（C，N）的弥散析出。 研制出Q390抗震耐候镀锌H型钢（），采用每周浸泡对比试验研究其耐蚀性，分析常年暴露在大气中的腐蚀问题，耐候钢被论证为装配式建筑钢结构材料。 可行性。
工字钢主要物理成分范围：m(C)≤0.12%、m(Si)≤0.50%、m(Mn)≤1.50%、0.20%≤m(Ni)≤0.65%、0.30%≤m (Cr)≤1.25%, 0.20%≤m(Cu)≤0.55%, m(V)≤0.12%; 热性能：下屈服硬度ReL在以上，延伸硬度Rm在560-之间，屈服强度比不小于0.80，短比试样断裂后模量不大于25%，夏比-20℃冲击功不大于34J/cm2，满足-2017《钢结构设计规范》对钢结构抗震性能设计的预制构件材料性能要求。 在每周72h的浸泡试验中，钢材的腐蚀率为1.665g/(m2·h)，是普通不锈钢的47.0%，耐蚀性是普通钢材的2倍以上，与普通不锈钢材相当钢。 根据-1:2006标准分析，工字钢腐蚀长度70a，若按室外腐蚀IC3等级给出的腐蚀速率上限计算，则总腐蚀量不得超过0.031毫米; 达到IC4级时，不得超过0.3mm； 虽然室外腐蚀最严重（IC5级），但不超过0.7mm。
因此，只要适当降低腐蚀裕度，在我国大部分地区钢材的伸长率，普通民用办公、住宅钢结构建筑的钢材应用都可以免除喷涂。
1 概述
建国至1980年，我国钢铁产值稳步下降； 1980-2000年是逐渐衰退的时期； 2000-2010 年是快速下降的时期。 钢材市场逐渐从供不应求、供需平衡发展到供不应求。 我国对钢结构行业的新政策也发生了翻天覆地的变化，从“节约钢材”到“合理用钢”，再到现在的“鼓励用钢”。 目前，国家提倡大力发展建筑钢结构。
装配式建筑钢结构具有环保、节能、资源循环利用等特点，符合我国未来建筑发展的主要方向之一。 然而，普通钢材易受腐蚀，钢材表面的腐蚀防护是目前钢结构设计中必须考虑的问题。 钢结构在制造和安装过程中，不可避免地要进行除锈和防腐涂装作业。 形成的粉尘、有机物、镀层金属会污染大气和泥沙，增加钢结构建筑成本。 开发新型免喷涂钢材可以省去防腐工作，增加环境污染，降低结构造价，对建筑钢结构的发展具有重要意义。 因此，本文介绍了作者及其团队在该领域开展的科研工作，以及在装配式建筑钢结构工程中的初步应用，以期为从事该研究的科技人员提供参考。材料耐蚀性及应用。
2 研究方法
2.1 材料成分设计
本研究建筑钢结构辅材为Q390级镀锌耐候H型钢，-20℃冲击性能不大于34J/cm2（质量等级相当于D级） （简称“型钢”），主梁长度为6mm。 主梁长度为8mm。 考虑到板形控制，镀锌H型钢轧制后不能喷涂加速冷却，只能缓慢冷却，但硬度要求不能太高，强化细晶粒和组织（产生板条贝氏体铁素体或Rod铁素体或贝氏体组织）不应视为关键内容。 因此，采用调质强化和析出强化更为现实。 在相关的ASTM标准中，当钢具有良好的耐大气腐蚀性能时，要求用标准公式估算的耐腐蚀指数I不应大于6.0。 本文对镀锌H型钢的耐蚀性就是以此为依据的。 由于是镀锌H型钢，截面较厚，必须考虑钎焊和冷延性要求。 因此，未采用-A高P浓度设计，而是通过减少Cu、Cr、Ni来满足要求。 GB/T4171-2008《耐候结构钢》中没有Q390硬度等级，因此Ni、Cr、Cu的添加量只能参考成分设计。 钢中加入上述元素后，材料的硬度会增加，钎焊裂纹敏感性指标Pcm也会增加。 据悉，C、Mn的浓度也需参照上述相邻硬度等级的要求。 要求m(C)≤0.16%，0.50%≤m(Mn)≤1.50%，要求m(C)≤0.12%，m(Mn)≤1.10%，前者比后者要求的范围窄。 因此，C和Mn的浓度参照确定。 考虑到材料的高温冲击性能要求，P、S的浓度应尽可能低，析出强化主要考虑V(C,N)的析出强化。 综上所述，Q390镀锌耐候H型钢（工字钢）的组成设计如表1所示。
表1 工字钢组成设计(质量比)
按式（1）估算碳当量CEV，按式（2）估算钎焊裂纹敏感性指数Pcm，按式（3）估算耐大气腐蚀指数I：
(1)
(2)
I=26.01m(Cu)+3.88m(Ni)+1.20m(Cr)+1.49m(Si)+17.28m(P)-7.29m(Cu)×m(Ni)-9.10m(Ni)×m (P)-33.39[米(铜)]2
(3)
2.2 材料制作过程
工艺路线：高炉吹炼→挡渣出钢→钢包白渣精炼（LF）炉精炼→大方坯→板坯下线缓冷→型材厂热轧→轧后空冷→矫直。
2.3 材料腐蚀试验研究方法
选用本研究工业生产的Q235普通不锈钢、耐候钢和工字钢进行材料耐腐蚀性能对比试验。 试验材料的物理成分如表2所示，可以看出，工字钢的耐蚀指数在6.0以上，满足的要求，但高于对比材料的I值，而I普通不锈钢的值小于0.50。
表2实验室腐蚀对比试验材料物理成分(质量百分比)
根据标准TB/T2375-93《铁路用耐候钢周期浸水腐蚀试验方法》，采用LF-65A周期轮浸水试验装置进行周期浸水腐蚀试验。 使用（亚硝酸钠）碱液，初始含量为（1.0±0.05）×10-2mol/L。 补充液含量为（2.0±0.05）×10-2mol/L。 试验温度为（45±2）℃； 温度RH为（70±5）%； 每个周期为（60±3）min，浸泡时间为（12±1.5）min。 干燥后试样表面的最高气温为（70±10）℃。 试验72小时后，取出试样，刮去少量磨损产物，用含有少量六乙烯四胺和苯并三唑的酸清洗表面磨损产物，酸洗后用水冲洗干净，晒干用无水醋酸。 取出后立即用热风吹干，倒入干燥器中干燥24小时，然后称量样品。
根据JY/T009—1996《旋转靶多晶X射线衍射法通则》的要求，采用X射线衍射仪（D/max-rA）对钢材腐蚀和锈层相进行定量测试在定期浸泡测试中。
3 研究成果
试制工字钢显微组织如图1所示，为铁素体+少量碳化物组织。 材料的热工性能见表3，满足-2017《钢结构设计规范》第17.1.6节《钢结构预制构件抗震性能设计材料性能要求》的要求。
a——表面； b——1/4； c——中心。
图1 试制工字钢显微组织
表3 钢的热性能测试结果
材料的腐蚀试验结果如表4所示，可以看出，耐候钢和本研究试制工字钢的腐蚀速率接近，腐蚀速率分别为普通钢的43.4%和47.0%分别为不锈钢，即钢的耐腐蚀性是普通钢的两倍以上。 腐蚀产物中，三种材料的针状镍矿()均占多数，普通不锈钢的针状镍矿占一半，耐候钢和本研究试制的工字钢占绝对多数； 普通不锈钢腐蚀产物中的磁针矿物铜矿()占了很大比例，约占整个腐蚀产物的1/3，而其他两种材料则没有这种腐蚀产物； 铜矿（）占比例较小。 试验结果表明，本研究试制的工字钢耐蚀比较差，但很接近。
表4腐蚀试验结果
4 分析与讨论
4.1 室外大气环境的腐蚀特性和耐候钢的腐蚀深度可能
大气腐蚀是水在金属表面形成水膜，溶解氯离子、硫化物、氮氧化物等，在干湿交替作用下发生腐蚀。 因此，大气腐蚀所需要的条件包括：水、氯离子、硫化物、氮氧化物等电解质、二氧化碳、干湿交替。 与室内大气环境相比，住宅和办公空间的室外环境具有以下特点： 1）室外二氧化碳成分相对稳定，电解质污染物较少； 2）温湿度变化小，不存在低温高湿，冷空气在金属结构表面积聚产生水膜的情况很少； 3）室内无风雨侵蚀，金属表面易爆尘但干燥，对金属腐蚀影响不大。 与桥梁钢结构、塔桅结构等室内结构环境不同，办公、公共场所和住宅中使用的建筑钢结构，尤其是承重结构，大多采用表面装饰材料和墙体材料围护，在密闭空间内。 ，有的暴露在室外环境中。 室外环境与室内环境明显不同，钢材的腐蚀速度也有明显差异。
关于室外环境的腐蚀，-1:2006标准在其序言中指出，室外环境比室内环境具有更强的腐蚀性，仅相当于室内大气腐蚀性的C1、C2级，室外大气腐蚀性定义为5级，其中IC1~IC3级为极低腐蚀性，对应中的C1级，IC4、IC5级对应中的C2级，如表5所示，腐蚀标准中腐蚀等级对应的普通不锈钢的速率同时给出了范围。
表5 -1和提供的普通不锈钢腐蚀数据
本研究室对比腐蚀试验（表4）表明，普通不锈钢的腐蚀速度是普通不锈钢的2倍以上。 因此，根据室外最高腐蚀等级IC5的腐蚀速率上限推算，普通不锈钢的总腐蚀速率为1.338mm，70a钢的总腐蚀速率不超过0.669mm。 文献研究了法国的室外环境腐蚀问题，认为室外腐蚀等级为IC3~IC4。 事实上，法国属于温带海洋性气候，低温酷暑，氯离子浓度高。 相应的室外空气温度和气温较高，空气流通时室外氯离子含量也较高。 相比之下，我国大部分地区的温度、湿度、氯离子浓度均低于波兰。 相应地，室外环境的腐蚀性也要小一些。 根据IC5，我国户外钢材的腐蚀率可能较低。 根据 IC3 中度腐蚀性考虑是适当的。 根据IC3给出的腐蚀速率上限0.8917μm/(m2·a)，70a普通不锈钢的总腐蚀速率为0.062mm。 据测算，其耐蚀性是普通不锈钢的两倍，相应地，70a钢的总腐蚀速率不超过0.031毫米。 因此，耐候钢在室外腐蚀时，在70a时，多数情况下总腐蚀量小于0.1mm。 室外耐腐蚀达到IC4级时，总腐蚀量不超过0.3mm，最严重IC5级不超过0.7mm。 . 因此，只要适当降低腐蚀余量，在我国大部分地区，普通民用办公、住宅钢结构建筑无需喷涂即可使用耐候钢。
4.2 材料耐蚀性研究成果及耐候钢腐蚀深度预测
日本标准-04（2010年版）中钢的大气腐蚀速率估算公式如下：
C=AtB
(4)
式中：C为被测碳化物暴露于室内大气环境B年的累计腐蚀量； A为碳化物第一年的腐蚀量； B是时间，a。 系数 A 和 B 受两个因素影响。 第一个因素是材料本身的耐蚀性，它与材料的物理成分和内部微观结构有关。 第二个因素是钢材所处的大气环境。 相关文献对各种材料进行了常年室内大气环境暴露腐蚀试验。 表6为相关文献中基于上海工业大气环境的材料腐蚀数据及70a时表面腐蚀深度预测结果。 可以看出，70a材料的腐蚀表层长度不超过0.30mm。 因此，在结构设计中减少腐蚀余量，可以满足建筑钢结构的耐腐蚀要求。 本研究的成分与钢材比较接近，因此在相同的室内环境下，其70a腐蚀量不应超过0.3mm。
表6 相关文献数据及给定参数A、B预测的70a腐蚀深度
4.3 建筑钢结构采用耐候钢免喷涂的经济分析
从以上分析可以看出，采用耐候钢时，70a室外腐蚀总数不超过0.3mm。 考虑到实际生产长度控制的波动，设计长度减少0.6mm应该就足够了。 对于钢材设计长度为4mm、钢材用量为50kg/m2的钢结构，采用免喷涂耐候钢时，腐蚀余量减少0.6mm，钢材用量减少7.5kg/m2（减少 15%)。 考虑到耐候钢采购成本比普通鞍钢高1000元/t，单位面积钢材采购成本降低50.34元/m2。 一般钢结构喷涂包括抛丸和涂装，其成本不应超过2000元/t，相当于单位建筑面积，这部分的成本为100元/m2。 因此，以耐候钢作为建筑钢结构的辅助材料，免喷涂节省的成本恐怕将近50元/m2，而且断面越厚，节省的成本就越显着。 由此带来的好处是无法估量的。
5 工程应用
从以上分析可以看出，将耐候钢应用于建筑钢结构，实现免喷涂、少维护，不仅在工程上可行，而且会带来经济效益和社会效益。 同时开发了与建筑用耐候钢配套的耐候钢垫圈，并选用了合适的耐候钢焊条，解决了连接问题。
使用研制的工字钢及配套材料，在成都某市建成一座低层示范农家乐，如图2所示。随后，其研制的耐候钢及配套的8.8级耐候钢垫圈、焊条在成功应用于低层钢结构房屋的建设，如图3所示，取得了很好的效果。
a——钢材； b——钢结构加工； c——钢结构安装； d——竣工建筑。
图2 免喷涂建筑钢结构示范工程
a——内部结构； b——建筑外观。
图3 免喷涂施工钢结构推广项目
5 结论
1）采用V微合金化设计，同时添加Ni、Cr、Cu等元素，成功研制出Q390抗震耐候镀锌H型钢。
2）在每周72h浸水试验中，Q390抗震耐候镀锌H型钢材料的腐蚀速率为1.665g/（m2·h），其耐蚀性能接近钢材，是钢材的两倍以上普通不锈钢的那个。
3）Q390级抗震耐候镀锌H型钢应用于建筑钢结构可满足免喷涂要求。
4）研制的耐候钢及配套材料在低层钢结构房屋建设中得到成功应用。
资料来源：范建文、孙国强、高永刚等。 装配式建筑钢结构用耐腐蚀钢的腐蚀研究与工程应用[J]. 钢结构（中英文）钢材的伸长率，2021,36(3):52-57.
内政部：10.13206/j。
