我国建筑钢结构防腐蚀技术及
工程应用现状

王 磊¹，任庆英¹，吕祎文²，刘文珽1，刘 帅¹，王勇鑫²

（1 中国建筑设计研究院；2 中国农业大学 国家农业科技创新港建设指挥部）

建筑钢结构在服役期间极易发生腐蚀。腐蚀会改变钢材的晶体结构，导致腐蚀后钢材的力学性能呈现出明显的退化趋势，甚至会导致整体结构的突然倒塌，严重威胁了人民的生命财产安全。然而，目前针对建筑钢结构防腐蚀技术和工程应用现状方面的梳理和总结相对较少，且现有防腐蚀设计规范存在概念不清、观念粗放等问题，难以迎合建筑钢结构高质量发展的需要。基于此，首先从腐蚀机理、腐蚀速率、腐蚀后钢材及钢结构力学性能的研究现状进行了归纳；其次，总结了建筑钢结构领域常用的防腐蚀技术，报道了现有的建筑钢结构防腐蚀设计方法，收集并分析了近15年来建筑钢结构领域典型工程的防腐蚀技术，并探讨了建筑钢结构在运营过程中维护和检修面临的主要问题；最后，基于目前的研究和应用现状对我国建筑钢结构防腐蚀技术进行了展望。

钢结构由于其轻质、高强、易于模块化拼装等优势得到建筑领域的广泛应用，中国钢结构协会统计指出，2020年全行业钢结构加工量约8900万吨，已连续十余年保持高速增长^[1]。2022年，北京市出台《北京市人民政府办公厅关于进一步发展装配式建筑的实施意见》，该意见规定单体地上建筑面积1万平方米以上的新建公共建筑应采用钢结构。然而，高速发展带来了很多工程问题，这意味着我国钢结构的发展必须向可持续的高质量发展迈进，淘汰传统快建、快拆的粗放型发展模式，向绿色、低碳、长寿命、可持续的发展模式进行转型。

随着建筑使用寿命的增长和建筑所处环境日趋复杂，钢结构在服役期间发生腐蚀的问题逐渐凸显，工程设计人员针对腐蚀问题会在设计文件中明确防腐蚀技术做法、维护周期及防腐蚀做法的使用寿命。然而，建筑钢结构在运营过程中对防腐蚀做法的维护及检修是不易的，经常需中断建筑物的使用功能，且需投入大量的人力物力，因此目前多数钢结构防腐蚀的维护和检修难以达到设计要求。腐蚀对钢材的力学性能的影响是不利的，钢材在遭受腐蚀后其材料的强度、弹性模量、延性及疲劳性能均会出现不同程度的退化。如果在钢结构服役期间没有及时对结构进行维护和检修，会留下安全隐患，甚至导致钢结构倒塌，危害人民生命财产安全。

腐蚀一直以来就是困扰全球工程界的难题，全球每年因金属腐蚀造成的直接经济损失逐年增加，且在工业发达国家尤为突出。中国工程院的研究报告显示，2014年我国全行业腐蚀总成本为21278.2亿人民币，约占当年国内生产总值的3.34%^[2-3]，我国因钢结构腐蚀造成的不安全事故占比约25~30%^[4]。

2000年4月14日，湖南耒阳电厂使用近5年的大型煤棚发生突然坍塌，如图1所示，该煤棚平面尺寸为72m×120m，结构形式为拱壳结构，事后调查结果表明，该煤棚由于长期处于高湿度环境导致构件严重锈蚀，截面有效厚度显著降低，从而导致锈蚀杆件无法承担屋面荷载而坍塌^[5]。2016年7月27日，京沪高铁蚌埠南站雨棚支柱防腐涂层脱落，碎片掉落在准备发车的G1661次动车组车顶，现场维修人员被迫进行停电、停车检修，造成列车晚点23分钟^[6]。2022年4月18日，位于郑州市金水区的五洲温泉游泳馆深水区上方3跨屋面发生坍塌，如图2所示，造成3人死亡、9人受伤，直接经济损失434.58万元^[7]。该游泳馆于1996年建成投用，东西长60m，南北长24m，柱间距为6m。结构形式为排架结构，竖向承重构件采用钢筋混凝土柱，屋面采用梯形钢屋架，屋架高度1.5-2.8m，屋面板为预应力混凝土槽形板。由于运营方在使用期间没有进行房屋安全隐患的经常性排查，且在长期潮湿环境下钢结构杆件、节点及支座部位严重腐蚀，部分杆件截面损失率较大，导致应力超出材料强度而破坏。

分析上述工程事故可知，由于钢材锈蚀导致有效截面减小进而诱发失稳或断裂是锈蚀钢结构发生破坏的主要原因^[8]。随着近年来腐蚀问题的暴露，钢结构腐蚀逐渐引起学者和工程设计人员的重视和广泛关注。提高建筑钢结构的抗腐蚀能力和发展新型防腐蚀技术不仅符合国家绿色低碳的可持续发展理念，且能够有效延长建筑钢结构的使用寿命，提高建筑钢结构领域全寿命周期内的经济效益。目前，研究学者对钢结构腐蚀领域的研究主要分为：腐蚀机理、腐蚀速率、钢材腐蚀后力学性能、钢材腐蚀后疲劳性能、钢构件/结构腐蚀后力学性能、防腐蚀技术和钢结构防腐蚀设计方法等。但目前建筑钢结构领域的防腐蚀研究理论工作尚需完善，设计方法依旧粗放，对钢结构的日常维护和腐蚀后检修工作仍不到位。基于此，本文重点梳理了近几年来我国学者在钢结构防腐蚀领域的研究成果，总结了近15年来我国建筑钢结构领域典型工程的防腐技术措施及相关的设计参数，提出了基于性能的防腐蚀设计方法，分析了目前我国建筑钢结构腐蚀领域仍需要深入探究的问题，并对未来需进一步探究的问题进行了展望。本文的研究结果可为我国建筑钢结构防腐蚀领域的研究、设计提供参考。

暴露在大气环境中的钢材表面会形成一层很薄的水膜，由于氧的平衡电位较低使得氧气能够达到阴极的表面，从而形成氧的去极化作用。在阴极区，随着水膜PH值的不同，表现为氧的还原或氢的析出；在阳极区铁失去电子呈自由离子状态，与阴极产生的氢氧根离子结合生成氢氧化亚铁，进一步氧化转成氢氧化铁，即为铁锈，如图3所示。由于铁锈呈疏松状，抗渗能力较弱，水和氧气会进一步侵蚀进钢材基层，腐蚀过程会进一步发展，直到所有钢材均发生氧化反应为止。

钢材在大气环境下的腐蚀速率与湿度、时间、温度、空气污染物、硫酸盐浓度和氯化物浓度等因素均有关。其中，大气湿度为主要控制因素。当大气较干燥时，钢材表面无法形成连续的水膜，金属腐蚀速率较慢；随着大气湿度的增加，钢材腐蚀速率逐渐加快；当大气湿度达到一定程度后，水膜增厚会导致氧在水膜中的扩散速度减慢，腐蚀速率会有所降低^[9]。

钢材的腐蚀形式可分为均匀腐蚀和非均匀腐蚀两类。均匀腐蚀是指腐蚀均匀地分布于整个钢材基层的表面，由于其腐蚀速率均匀，且通过观察易于发现，通常不会导致突发性的事故。非均匀腐蚀分为点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀及应力腐蚀等。点蚀在自然界中最为常见，点腐蚀后钢材表面会随机出现点蚀坑，严重的点蚀甚至导致钢材表面穿孔，如图4所示。郭帅成等^[10]认为点蚀坑的发展与形成需要经历三个阶段，即氧化膜破损、点蚀坑产生及发展、氧化膜重新形成。此外，点蚀坑会导致钢材应力集中，严重的甚至引发钢结构的突然失效。缝隙腐蚀主要发生在板材的拼接缝隙中，如图5所示。电偶腐蚀易发生在两种不同电极电位的金属之间，金属的电势电位决定了两种金属接触后发生的腐蚀先后顺序，例如：铝和锌与钢材接触时，铝和锌会先于钢材发生腐蚀，然而当钢材与镍或铜接触时会导致钢材先发生腐蚀。应力腐蚀是指在应力作用下金属表面活性增强导致腐蚀反应所需活化能量降低，进而加速腐蚀速率，对于建筑钢结构来说应力对腐蚀速率的影响不可忽视^[9]。目前自然界中的腐蚀以非均匀腐蚀为主，且有研究表明，在相同锈蚀率的条件下，非均匀腐蚀后钢材的力学性能要低于均匀腐蚀^[11]。

大气暴露试验与钢材实际的工作环境最为接近，试验过程中能够直接观测钢材的腐蚀情况，试验数据可为钢材腐蚀规律的研究提供有效支撑。为探究我国不同区域大气环境下钢材的腐蚀规律，从20世纪50年代开始，我国陆续建立了北京、武汉、万宁、青岛、广州、琼海等15个大气暴露试验站。

梁彩凤等^[12-14]自1983年开始，在我国的7个试验站分别开展了为期4年、8年和16年的大气暴露试验，探究不同大气环境下碳钢和低合金钢的腐蚀规律，并指出大气暴露下钢材腐蚀深度随时间呈现出幂函数规律。梁彩凤等^[15]还开展了7种典型大气环境下为期12年的不锈钢大气暴露腐蚀试验，明确了不锈钢的大气腐蚀机理，验证了不锈钢在大气环境中耐腐蚀的可靠性。王振尧等^[16]在沈阳地区开展了为期4年和9年的大气暴露试验，用于探究4种钢材的大气腐蚀规律，并采用幂函数模型进行回归分析，得出了钢材腐蚀失重率与时间的函数关系。张全成等^[17]在上海地区开展了为期4年的耐候钢和碳钢的大气暴露试验，并通过试验数据进行回归分析，得出了耐候钢和碳钢的腐蚀深度与腐蚀时间的计算模型。秦圣平等^[18]基于对现有腐蚀数据进行了统计和归纳，提出考虑时变可靠性分析的Weibull计算模型。马小彦等^[19]和萧彧星等^[20]基于BP神经网络建立碳钢及低合金钢的大气腐蚀计算模型，并使用不同区域的大气暴露腐蚀试验数据对上述模型进行了样本训练，通过与试验数据的对比验证了计算模型的可靠性。

表1总结了文献中基于大气暴露试验的钢材腐蚀速率计算模型，由表可知，计算模型多采用幂函数，并通过试验数据标定公式中的未知参数。由幂函数的数学性质可知，在大气暴露环境下钢材前期的腐蚀速率较快，随着锈蚀层的形成，在一定程度上阻碍了腐蚀介质的进一步侵入，使得钢材后期的腐蚀速率逐渐减缓。但值得说明的是，由于不同种类钢材中元素含量有所差异，导致其在同一类大气暴露环境下腐蚀的速率会有所不同；另外，同一种类钢材在不同大气环境下的腐蚀速率亦有差别。因此，基于某种特定类型钢材的在特定大气环境下的腐蚀速率计算公式不具有普适性，尚需对钢材在大气暴露环境下的腐蚀速率开展系统性研究。此外，随着高性能钢材在我国建筑钢结构领域的应用及推广，亦需开展此类高性能钢材在不同大气环境下的腐蚀速率计算模型研究。

表1 基于大气暴露试验的钢材腐蚀速率计算模型

注：符号“—”表示文献中未提及。

为解决大气暴露试验所需时间过长的问题，加速腐蚀试验成为腐蚀领域一种重要的试验方法。目前，常用的钢材加速腐蚀试验方法有：大气环境人工加速腐蚀试验、盐雾试验、周浸试验及电化学试验等。上述加速腐蚀试验通过与大气暴露试验建立相关性，即可得到特定大气腐蚀环境下钢材腐蚀速率的计算公式。

王振尧等^[16]分别开展了4种钢材的大气暴露试验和干湿复合循环试验，通过对比腐蚀产物和腐蚀发展过程来证明加速腐蚀试验可用于推测大气暴露试验。田玉琬等^[22]通过开展了周浸腐蚀试验，模拟钢材在海洋大气环境下的腐蚀规律，文章定性地对比了钢材室内与室外的腐蚀形貌、腐蚀产物，并用灰色关联分析方法定量地评价了加速腐蚀试验和大气暴露试验的相关性。舒赣平等^[23]通过开展室内Q235钢材的加速腐蚀试验，模拟海洋大气与工业大气环境下的腐蚀行为，并通过灰色系统理论给出了加速腐蚀试验与大气暴露腐蚀的相关性预测模型。陈尧^[24]对镀锌钢材分别开展了盐雾和周浸试验，提出镀锌钢材试样的平均腐蚀深度与室内加速腐蚀时间呈现出线性关系。

值得说明的是，钢材在室内加速试验的宏观状态下为均匀腐蚀，但在微观角度亦呈现出明显的不均匀性。图6为陈尧^[24]采用三维非接触表面形貌仪得到的锈蚀试件的腐蚀深度和形貌，统计发现腐蚀深度服从正态分布，也有研究表明腐蚀深度会服从对数正态或双峰正态分布^[25-26]。

综上，加速腐蚀试验能够在较短的时间内观察到腐蚀的发展趋势，且得到的试验成果具有工程实际意义。但若想采用加速腐蚀试验来预测大气暴露环境下的钢材腐蚀速率，须明确室内加速腐蚀试验与大气暴露试验的相关性，并得出室内试验的加速比，加速比与加速腐蚀试验的腐蚀溶液种类及浓度均有关，即不同的试验条件的加速比是不一样的，需逐一标定。

外加荷载会增加钢材电化学位和活度，进而加快钢材腐蚀速率。为探究外加应力对钢材腐蚀速率的影响，研究学者分别开展了外加应力下钢绞线^[27]、镀锌钢绞线^[28]、碳钢^[29]和镀锌钢^[30]的腐蚀速率研究。研究发现，外加应力可以提高钢材的腐蚀电流密度，减小极化电极，导致钢材的腐蚀速率显著提高。盛杰^[31]和陈尧^[24]通过回归分析建立了应力与腐蚀速率之间的计算公式。基于此，从工程安全角度出发，在进行防腐蚀设计时应考虑外加应力对钢材腐蚀的加速作用。

陈尧^[23]、陈露等^[32]、史炜洲^[33]、徐善华等^[34]、杨松等^[35]和郑山锁等^[38]分别针对建筑钢结构常用的Q235和Q345钢材，分析了腐蚀对两种不同牌号钢材力学性能的影响。结果表明，Q235和Q345钢材的力学性能受锈蚀作用影响明显，钢材锈蚀后各项力学指标呈现出退化趋势，钢材屈服平台缩短甚至消失，更易产生塑性损伤。在相同腐蚀程度下，循环荷载作用下钢材的各项力学性能指标的退化幅度明显大于单调加载^[35]。此外，陈尧^[23]在腐蚀后钢材力学性能计算公式中引入应力腐蚀加速因子，以考虑弹性应力对腐蚀后钢材力学性能的不利影响。

彭建新等^[36]开展了腐蚀对Q550E钢材力学性能影响的研究，并发现在相同腐蚀条件下高强钢的力学性能退化幅度明显大于普通钢材。郭宏超等^[37]为探究海洋环境浪溅区对高强钢力学性能的影响，开展了Q690高强钢的周期浸润加速腐蚀试验，发现在腐蚀前期钢材弹性模量退化不大，后期钢材弹性模量会出现明显的退化现象，最大可下降10.2%。

表2为钢材腐蚀程度与其力学性能指标的计算公式，由表可知，即使是相同钢材牌号，不同学者提出的计算公式差异较大，这说明需要进一步系统的研究和梳理是十分必要的。

上述研究结果均认为腐蚀会对钢材的力学性能产生不利影响，并在试验的基础上建立了腐蚀后钢材的各项力学指标计算公式。但需要说明的是，上述研究大多是基于室内加速腐蚀试验，大气暴露环境下钢材的腐蚀会不均匀性显著，这可能会导致与大气暴露环境下钢材的力学性能存在一定差异^[39]。总体来说，目前国内外学者针对钢材腐蚀后力学性能开展了大量研究，但钢材腐蚀后弹性模量计算公式的研究相对较少，高性能钢材腐蚀后的力学性能研究尚存在部分空白，仍有待进一步深入研究。

钢材腐蚀后其表面会萌生出点蚀坑，点蚀坑的生长会伴随腐蚀裂纹的萌生，疲劳荷载会加快腐蚀裂纹的发展，使得更多的腐蚀介质侵入钢材内部，导致腐蚀进一步加剧，腐蚀又会进一步促进钢材裂纹的扩展，二者的相互耦合导致腐蚀后钢材的疲劳性能较无腐蚀钢材显著降低。锈蚀疲劳破坏可划分为六个阶段：蚀坑萌生、蚀坑生长、蚀坑中的裂纹萌生、裂纹扩展、不稳定的破坏发生以及不稳定裂纹扩展^[40-41]。

徐善华等^[42]开展了Q235钢在NaCl溶液下的腐蚀疲劳性能研究，结果表明，钢材的点蚀区域会萌生裂纹，且相邻的点蚀坑之间的生长融合会进一步加速裂纹的发展，导致腐蚀疲劳裂纹加速扩展。

王鑫^[43]和王如琦^[44]分别开展了不同应力水平下G20Mn5QT 铸钢与Q355D 热轧钢对接焊接接头和十字焊接接头试样在模拟海水环境下的腐蚀疲劳试验。结果发现，在较大应力水平下，铸造缺陷、焊接缺陷引起的应力集中是导致裂纹成核的主要原因；而在较小应力水平下，蚀坑是导致裂纹成核的主要原因。

表2 腐蚀后钢材力学性能指标的计算公式

苏翰等^[45]开展了南京区域大气暴露腐蚀1年后Q345qDNH耐候钢对接焊缝的疲劳性能研究。试验结果表面，腐蚀后的试样比未腐蚀试样的疲劳强度低14.4%，但仍比设计规范要求的疲劳强度高25.6%。通过电子显微镜扫描疲劳断口发现，试样的疲劳破坏是由于点蚀坑导致裂纹萌生并扩展引起的，如图7所示。

郭宏超等^[46]开展了海洋腐蚀环境下Q690高强钢材的疲劳性能研究，探究了不同腐蚀周期下钢材的疲劳性能，并拟合了不同腐蚀周期下试件的S-N曲线。研究结果表明，未腐蚀的Q690高强钢材具有较好的抗疲劳性能，腐蚀初期钢材疲劳性能退化速率较快，当腐蚀周期为100d时，试件的疲劳极限降低了38.89%。

综上，钢材在腐蚀和疲劳的相互耦合会导致其疲劳性能明显退化，且亦导致腐蚀程度有所加剧。因此，对于承担交变荷载或动力荷载且处于恶劣腐蚀环境下的构件材料宜选用耐候钢、不锈钢或混凝土。

史炜洲等^[47]分别对有涂装、无涂装和有维护结构的H形钢梁进行了室内盐雾加速腐蚀试验，并对腐蚀后的H形钢梁进行了静力承载力试验，钢梁腐蚀后的破坏模式如图8所示。试验结果表明，腐蚀会导致有、无涂装的H形钢梁的承载能力下降明显，挠度值显著增加。然而，有胶合板维护结构的焊接H形钢梁承载力和挠度与未腐蚀梁基本一致，即表面维护结构可有效保护钢梁免受腐蚀介质的侵害。

张春涛等^[48]分析了重庆30年来的降雨数据和酸雨成分，通过三种间浸腐蚀模型来模拟重庆地区的腐蚀状况，并利用该腐蚀模型对14个足尺Q345等边角钢试件开展了不同腐蚀周期的室内加速腐蚀试验，并对腐蚀后的试件进行了拟静力试验，不同腐蚀周期下试件的破坏模式见图9。试验结果表明，腐蚀后的试件呈现典型的脆性破坏，腐蚀会显著降低试件的塑性性能。

王友得等^[39]指出盐雾加速腐蚀试验与一般大气暴露试验的锈蚀特征有所差别，一般大气环境下钢材腐蚀的不均匀性较盐雾加速腐蚀环境更加明显，如图10所示，这种差异可能会导致盐雾试验与大气试验下钢结构的抗震性能表现有所不同。基于此，对H型钢柱试件进行了一般大气环境加速腐蚀试验，并对腐蚀后试件开展了拟静力试验。试验结果表明，一般大气环境下钢材的腐蚀特征为不均匀锈蚀，这种不均匀锈蚀虽然不会改变钢柱的破坏机理，但会引入初始刚度损伤，屈曲加快发展，从而引起构件承载力、刚度、延性的显著退化，且轴压比较大的钢柱表现更加明显。

陈尧^[24]开展了锈蚀H形和方形钢柱的轴心受压试验研究。试验发现，在相同腐蚀率下，构件的承载力折减系数与板件宽厚比呈负相关趋势，而构件的正则化长细比对承载力折减系数的影响相对较小。