钢结构

21.在通常条件下，钢结构为什么一定要实施防腐蚀措施？ 简单地说，在通常自然环境中（大气、水、土壤等） ，钢铁是会被腐蚀的（我们随时可以看到钢铁生锈的情况） 。钢铁制品、建筑用钢结构，如果不实施防护措施，是不能够耐久使用的。在通常自然环境中，钢铁腐蚀的电化学过程是可以持续、顺利的进行，直到钢铁完全变成铁锈为止。只有采取有效的防护措施，才能阻止或减缓腐蚀过程。 如果要深一步理解和解释钢铁腐蚀，下面的电位-PH图是很有帮助的。图 21.1 是 Fe—H2O系电位—pH平衡示意图。表明了在水系统中，铁的电化学电位与水介质的酸碱度（pH）之间的平衡关系。纵坐标是铁的电位（E） ，横坐标是水介质的酸碱度（pH） 。电位与 pH的平衡构成三个区域。处在 a 区范围内，铁离子（Fe++）处于稳定状态，称作“腐蚀区” （铁变为铁离子的过程就是腐蚀） ；在 b区范围内，铁的氧化物（ Fe2 O 3）是处于稳定状态，称作 “钝化区” ； 处在 c 区范围内， 铁 （Fe） 处于稳定状态， 称作 “免蚀区” 。 在中性条件下 （pH=7） ，通常铁的电位与 pH 的交点是 M 点，是处在 a 区范围内，腐蚀是必然趋势。越是趋于酸性（pH越小） ，铁腐蚀性越强。也就是说，钢铁在中性、酸性条件下是一定会遭受腐蚀的。只有在强碱性条件下（如 pH＞12, N点） ，钢铁表面才能生成有保护作用的钝化膜。混凝土中钢筋为什么不腐蚀呢？正是因为混凝土是强碱性的，水泥水化产生的“碱”能够使混凝土中的 pH＞12，如图 21.1 中的 N 点在 b区范围内，铁的氧化状态（ Fe2 O 3）是处于稳定状态。由于钢筋表面生成一层“钝化膜” ，所以混凝土中的钢筋可以长期保持不锈。当混凝土中的碱度降低的时候（如“碳化” ） ，就会由 b区移到 a 区范围内，钢筋就要腐蚀了。c 区范围内铁是处于稳定状态（免蚀区） ，只有使铁的电位负向移动才能进入“免蚀区” （这正是阴极保护原理） 。应用电位—pH图，能够从理论与实际的结合上，对钢铁的腐蚀本质给与很好的解释。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/11/200811241936_120250_1623504_3.jpg[/img]由上分析可知，钢铁在弱碱性、中性、酸性环境中是会遭受腐蚀的，这是由铁的“本性”决定的。通常说所的自然环境（包括大气、水、土壤） ，大都是中性、弱酸性，在此环境中的钢结构，如果不进行防腐蚀处理，是不能耐久使用和保证安全的。在受污染的环境、工业环酸、碱、盐等苛刻环境中，钢结构更需要可靠的防护。 22.钢结构防护有哪些主要技术思路？ 简单说来，在设计阶段主要有以下三方面的技术思路可供选择： ——选材：不同钢种的耐腐蚀性能是不一样的。比如，耐候钢就比普通碳钢、合金钢的耐腐蚀性能好，不锈钢就更耐腐蚀。这是从提高钢种本身其抗腐蚀能力的技术思路，但有一定局限性。比如，即使是耐候钢也可能还需要进一步防护，不锈钢虽好，但由于价格贵，目前还不能大量应用于钢结构中； ——防护涂层：这是把钢结构封闭起来、与腐蚀环境隔绝的技术路线，也是目前国内外最普遍应用的防护方法。涂层品种繁多，有金属涂（镀）层、有机涂层、无机涂层等。用涂层将钢结构与环境完全隔离是很难做到的，因为涂层总会有缺陷，并且涂层本身性能也随时间而变化（如老化） 。作为防腐蚀涂层还需要考虑强化防腐方面的技术因素。其中重要的因素之一就是添加能够阻止锈蚀的“颜料” （缓蚀剂）到涂层之中； ——阴极保护：这是一种电化学保护方法。由图 21.1 可以看出， ，当铁处于 c 区范围内时，铁就处于稳定状态。给与钢结构以负电（更多的电子） ，就能够使其进入“免蚀区” （变成阴极而不腐蚀） ，称做阴极保护。阴极保护方法多用于水、土介质条件下的钢体、钢结构，如钢桩、海洋钢结构平台、地下油气管线等。 如果采用单一措施达不到设计寿命期的要求时， 可选择复合技术措施， 如涂层加阴极保护，或其他综合措施。 23．什么叫做耐候钢？ 它是合金钢的一个种类。通过改变钢的添加成分，不仅能提高钢的力学、机械性能，而且能提高和改善钢的耐腐蚀性能。某些合金元素的加入（甚至是微量） ，就可以明显改变钢的微观结构和表面状态，从而提高了对环境腐蚀的适应能力。如加入钨、锰、铜、磷等元素而成的合金钢，在海洋大气中，比普通钢有较好的耐腐蚀性能。依据这种“合金化”原理生产出来的钢叫做耐蚀钢或耐候钢。 耐蚀钢在国内外都有生产和应用，但在钢结构中的应用面还不够广泛。原因可能是，虽然耐蚀钢能提高防腐蚀能力，但在严酷的腐蚀环境中，仍不能解决长时期不腐蚀的问题；另一方面，耐蚀钢价格较高也是因素之一。 目前，采取“合金化”的方法提高钢自身的防护能力，仍然是人们努力的目标之一。价格适中而又耐蚀性能好的耐蚀钢，肯定是受欢迎的。此外，耐蚀钢的低温冲击韧性比一般的结构钢要好（相关标准可参考《焊接结构用耐候钢》 （GB4172-84） ） 。 24.什么叫做有机涂层？怎样分类? 有机涂层是与无机涂层对应的称谓，并没有严格的定义。有机涂层还常常称作涂料，早期的涂料通常叫做油漆。其主要成膜物质和溶剂等，是以有机材料为主体的。有机涂层的主要构成大体是：

论坛里有搞钢结构设计的大神没啊，下面是我草拟的三维图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/11/201611281117_01_2462198_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/11/201611281118_01_2462198_3.jpg

14．钢铁构件经常处在受力状态，力与腐蚀有关系吗？ 按照腐蚀的定义，腐蚀是指物质（结构）与环境的作用所发生的破坏。力是否属于环境因素尚无定论。如果把力看成单纯的物理机械作用，也许可能与腐蚀无关（腐蚀是指物理化学、电化学作用） 。但有些力却能促进物理化学、电化学过程或损害腐蚀防护体系，那么，这样的力就不能说与腐蚀无关，甚至还有十分密切的关系。世界上曾经发生过多起桥梁突然塌跨的事故，有些就是应力腐蚀或腐蚀疲劳的结果。 15．什么叫做应力腐蚀破裂？ 简言之，就是钢铁或其他金属在拉应力和腐蚀介质共同作用下所发生的破坏。拉应力有多种形式，如外加应力（荷载、预应力等）或金属内部的残余应力等。应力腐蚀破裂的突出特点或者说其危险性，就是发生突然断裂。应力腐蚀破裂的机理可能有多种解释。以下是简单通俗的说法，如一根钢丝在拉应力下，表面可能产生微小裂纹，而腐蚀介质（如氯离子）进入裂纹促进腐蚀的发展。裂纹周围、裂纹深处，可能形成多种形式的腐蚀电池，加速裂纹的开展和深向发展，而拉应力的存在，无疑促进裂纹的进一步开裂。两种作用的交替、叠加，就会最终导致断裂。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/11/200811241927_120249_1623504_3.jpg[/img]A. 应力腐蚀断裂 B. 非应力腐蚀断裂如上所述，应力与腐蚀的共同作用使裂纹深向迅速发展，使钢丝的截面迅速缩小（单位截面应力加大） ，当达到极限抗拉强度时便发生断裂。断裂时缩径很小或没有缩径发生。而不受应力的钢丝，在拉断之前，先有一个缩径过程（达到屈服强度）而后才断裂。因此，从断口的特征可以区分是应力腐蚀破坏还是一般腐蚀破坏。 应力腐蚀破坏的发生、发展速度，取决于应力小和腐蚀介质的性质、浓度等因素。发生应力腐蚀，特定材料对特定环境有一定敏感性。如碳钢与低合金钢对氢氧化钠和某些氯盐敏感，高强钢对氯化物、硫化物敏感，甚至在潮湿大气也会发生应力腐蚀破坏，铝合金更易发出应力腐蚀破坏，强碱介质、氯盐环境（海水、海洋大气等） 、被二氧化硫污染的环境等，都可能是敏感环境。 应力腐蚀破裂大致可分为三个阶段： ——潜伏诱导阶段：逐渐形成和具备了腐蚀环境和表面产生裂纹的条件。即应力腐蚀开始前的一段“引发”过程； ——裂纹扩展期：裂纹出现后，在裂纹的尖端进行电化学反应，其结果使裂纹沿尖端方向发展。此阶段电化学腐蚀对于裂纹的扩展起着主导作用； ——失效阶段：裂纹继续发展直至断裂发生。此阶段裂纹的扩展是应力起着主导作用。 三个阶段的时间划分，一般情况下第一阶段周期最长，第三周期最短。而表面已经有裂纹、缺陷、腐蚀坑等的情况下，可能没有第一阶段，应力腐蚀破裂可在短期内发生。从而可知使金属表面保持良好状态，对于防止和减缓应力腐蚀破裂的发生是极其重要的。

10．钢铁表面一旦具备了形成腐蚀电池的条件，腐蚀就持续进行下去，是这样吗？ 钢铁表面一旦具备了形成腐蚀电池的条件，腐蚀变会发生和发展，但发展速度还要取决于其他条件。为说明问题，还是以“干电池”作为例子。我们知道， “干电池”是典型的腐蚀电池，它伴随着阳极（锌皮）的腐蚀而提供电流。而电流的大小就代表腐蚀速度的大小。当“干电池”用了一段时间之后，会发现电压不到原来的 1.5V 了，所提供的电流也会变小了。到后来锌皮锈穿（阳极面积变小） ，电流、电压都会降低，腐蚀速度就降下来。当达不到使用要求时，该电池就废弃了。 我们要问，为什么电压（电流）会降低？这里需要引出“极化”和“去极化”的概念，它们在解释腐蚀的运行、发展和腐蚀速度等方面是必不可少的。我们知道“干电池”中心的碳棒只是起导电作用，真正的“阴极”是碳棒周围所填充的“氧化剂” ，是它不断夺取由阳极（锌腐蚀）所传递过来的电子（还原反应） ，使两极之间保持 1.5V 的电位差（电压） 。需知，氧化剂是有一定数量的，当它消耗的一定程度，它不断夺取电子、还原反应的速度就慢下来，电子不能及时取走，就在阴极发生“积累” ，其结果使阴极电位负向变化、阴阳极之间的电位差（电压）变小（比如由原来的 1.5V 减少到 1.2V 了） 。当氧化剂全部耗尽是，阴阳极之间的电位差也不存在了，这个腐蚀电池便“寿终” 。使阴极还原反应受阻、迫使阴极电位负向变化的现象，称作“阴极极化” ；同理，阳极面积变小，回使阳极反应变得困难，还有一些其他因素会促使阳极氧化反应受阻、迫使阳极电位正向变化，这种现象，称作“阳极极化” 。可以看出，不论阴极极化还是阳极极化，都能使腐蚀电池的电位差缩小，使腐蚀速度放慢或终止。从减少腐蚀危害的观点看，极化现象是有利的，或者说是可以利用的思路与方法。所谓“去极化”就是不使其发生“极化”现象，比如在阴极有不断补充的氧化剂。通常的氧气就是起到阴极“去极化”作用，因此氧是促进腐蚀电池不断运行、加速腐蚀的物质。 除了“极化”因素外，腐蚀电池阴极与阳极之间的电阻，也是控制腐蚀速度的重要因素。 通常钢铁表面要用涂层保护， 一方面是为了隔离环境， 使钢铁表面不能形成腐蚀电池 （完全做到是困难的） ，另一方面，就是加大阴极与阳极之间的电阻，最大限度地降低钢铁表面的腐蚀速度。 如前面已经阐明过，在自然环境中，钢铁腐蚀是“自发”的，完全阻止钢铁腐蚀是困难的。然而，依据腐蚀原理，最大限度地降低其腐蚀速度，是可以做到的，从而达到延长钢铁使用寿命的目的。 钢铁腐蚀有多个控制因素，这对于认识和理解防腐蚀原理来说，是非常重要的。每一个图 11-1“电解电池”示意图。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/11/200811241924_120247_1623504_3.jpg[/img]图 11-1 所示“电解电池”中，如果溶液是中性水，那么，电化学反应是： 阳极反应（氧化反应）式为： Fe - 2e = Fe ++ (11-1) 阴极反应（还原反应）的表达式是： 2O2 + H2O + 4e = 4 OH - (11-2) 综合电化学过程（氧化还原反应） ： 2Fe +O2 +2 H2O = 2Fe （OH）2 （11-3） 如果电解液中含有足够量的铜离子，那么，阴极反应会变为： Cu++ + 2e = Cu （11-4） 作为阴极的铁棒表面回沉积一层铜，这正是电镀铜的原理，也是其他金属镀层生成的基本原理。电镀是钢铁防护的有效方法之一。

6．怎样理解金属“电位”的概念与术语？上面的表 4-.1 给出了主要金属的电化学电位序，可以看出，不同金属的“电位”也不同。 “电位”是涉及金属腐蚀的重要概念，同时又有非常广泛的使用意义。 现在要解释“电位”的含义，一方面非常必要，另一方面，还需要费一些周转方能说的明白些。我们先看图 6-1，铁浸在溶液中，铁的表面存在一个“双电层” ，这个“双电层”的正极是溶液中紧靠铁表面带正电的铁离子，而负极是留在铁表面上的电子（带负电） ，这个“双电层”的电位差就定义为在此条件下铁“绝对电位” 。很可惜，科学发展到现在，这个“绝对电位”还是无法测量的。于是，人们设想出测量其“相对电位”的办法。那就是把氢与氢离子所构成的双电层的“绝对电位”定义为零值（实际值并不知道，但在标准条件下，这个值是固定不变的） ，然后用氢的“绝对电位”与铁（或其他金属）的“绝对电位”做“比较” ，凡高于氢的“绝对电位”者（大于零）为正值，相反为负值。这样，就像人们先定义一把尺的长度（如 1 米） ，在用这把尺子量度那些未知的长度一样。以标准氢电极作为标准，来测量那些未知“绝对电位”值，所测得的是一个相对比较值，但它已经能够达到区分不同金属“双电层”表征的目的。此相对比较值（表 6-1）就是通常所说的某金属的电化学电位，简称电位。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/11/200811171751_118957_1623504_3.jpg[/img]实际中，氢电极是难以在现场使用的，于是就出现许多类型的“参比电极” (表6-1)，以便用于各种场合下测量不同金属的电位值。常见的有甘汞电极、氯化银电极、饱和硫酸铜电极、金属铂电极等。在标准条件下，这些电极都有固定的电位值（与氢电极比较） ，可以用这些参比电极进行测量，并可换算成氢电极比较电位。通常不换算时，必须注明所用参比电极的种类。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/11/200811171752_118958_1623504_3.jpg[/img]钢铁处在不同的介质中，其电位值也不一样。一般说来，电位负值越高，表明其腐蚀活性越大。因此，可以用测量电位的方法，7． 气候与钢铁腐蚀的关系如何？图7-1是我国按气候划分的腐蚀影响程度的区分图，颜色深的部分表示是重腐蚀区（高温高湿）,颜色浅的部分表示轻腐蚀区。可以看出，我国东南部大多处在重腐蚀区内。 就温度与腐蚀的关系而言， 有资料表明，温度每提高 10℃，钢铁的腐蚀就增加 1 倍。预测金属（包括钢铁）的腐蚀情况。 而湿度与腐蚀的关系更为密切。图 7-2 表明了钢铁腐蚀与相对湿度（RH）的关系，可以看出，低相对湿度（如 RH≤60%） ，钢铁不腐蚀或腐蚀速度很低，而 RH在 90—98%范围内，钢铁腐蚀速度最高。大气污染严重区的区域，也往往是腐蚀的“重灾区” 。二氧化硫、氮氧化物、粉尘、酸雨等都能够大大加速钢铁和其它金属的腐蚀。