碳鋼人工加速腐蝕試驗研究

趙婷婷,徐善華,孔正義,2,陳 露

(1.西安建筑科技大學 土木學院,陜西 西安710055;2.宿遷學院 建筑工程系,江蘇 宿遷223800)

0 引 言

腐蝕是指金屬在其周圍環境的作用下引起的破壞或變質現象[1]。據統計,美國每年因腐蝕帶來的經濟損失,占國民經濟總產值的4%,英國為3%～5%,日本為1%～2%;在我國,據1980年統計,腐蝕約占國民經濟總產值的4%[2]。金屬材料腐蝕不僅帶來巨大的直接經濟損失,其間接損害及其惡劣影響也是難以估量的。1967年,美國西弗吉尼亞州的俄亥俄橋因鋼梁腐蝕造成整橋坍塌,死亡46人[3]。因此,進行腐蝕試驗研究,了解鋼材腐蝕機理及耐蝕性能,對鋼材防護和應用具有重要意義。

由于自然腐蝕試驗周期長,試驗區域性強,不利于試驗結果的推廣和應用。為此,國內外學者采用了大量室內的短期加速腐蝕試驗,并與自然腐蝕相對照,進而提出了許多加速試驗方法。本文采用了四種加速試驗方法,并與自然腐蝕構件相對比,從而提出一種有效的加速試驗方案。

1 試驗方案

室內加速試驗必須滿足模擬性、加速性和重現性三個基本條件,它直接影響到人工加速試驗和自然腐蝕的相關性。

從市場上購買一批鋼板(Q235),加工成280 mm×50 mm×8 mm試件;試驗前用電子天平稱取每塊鋼板的重量,并予以編號。

方案一:在1000 mm×500 mm×500 mm的塑料箱底層放置25 cm厚的土壤,并將其壓實;將3組(每組3塊)鋼板,按照順序(以免字跡被腐蝕而無法區分)平放在3個裝有土壤的塑料箱子中;用5 cm厚土層覆蓋,為保證充足氧氣,上部土壤應疏松;從市場上購買36%的濃鹽酸,用水稀釋至18%,取適量均勻澆在土壤上,使土壤完全濕潤;將塑料箱放置在室外,以保證自然環境;為保證土壤的疏松、濕潤與酸性,每周對土壤進行一次疏松,并把鋼板翻身,使得兩面銹蝕基本一致,然后再噴灑適量的濃度為18%的鹽酸,使得土壤完全濕潤(以下稱為土壤酸)。

方案二:在1000 mm×500 mm×500 mm的塑料箱底層放置25 cm厚的土壤,并將其壓實;將3組(每組3塊)鋼板,按照順序(以免字跡被腐蝕而無法區分)平放在3個裝有土壤的塑料箱子中;用5 cm厚土層覆蓋,為保證充足氧氣,上部土壤應疏松;從市場上購買氯化鈉試劑,用水溶解至飽和,取適量均勻澆在土壤上,使土壤完全濕潤;將塑料箱放置在室外,以保證自然環境;為保證土壤的疏松、濕潤與氯離子濃度,每周對土壤進行一次疏松,并把鋼板翻身,使得兩面銹蝕基本一致,然后再噴灑適量的飽和氯化鈉溶液,使得土壤完全濕潤(以下稱為土壤鹽)。

方案三:將3組(每組3塊)鋼板,按照順序(以免字跡被腐蝕而無法區分)斜靠在室外墻角;將稀釋至18%的鹽酸倒入噴壺中;將鹽酸以霧狀噴在試件兩側;每周重復一次(以下稱為大氣酸)。

方案四:將3組(每組3塊)鋼板,按照順序(以免字跡被腐蝕而無法區分)斜靠在室外墻角;將飽和的氯化鈉溶液倒入噴壺中;將溶液以霧狀噴在試件兩側;每周重復一次(以下稱為大氣鹽)。

2 數據處理及分析

試驗分半年進行,每個月取出一組構件,觀察腐蝕產物,而后將其加入緩沖劑為12%(質量比)的鹽酸溶液中浸泡20～30 min后,清除表面腐蝕產物,再用氫氧化鈣溶液中和,清水沖洗,最后用烘干機烘干,用電子電平稱取除銹后重量。四種方案的表面銹蝕產物見圖1、圖2、圖3、圖4。除銹后構件表面見圖5、圖6、圖7、圖8。

圖1 土壤酸腐蝕產物

圖2 土壤鹽腐蝕產物

圖3 大氣酸腐蝕產物

圖4 大氣鹽腐蝕產物

圖5 土壤酸除銹后構件

圖6 土壤鹽除銹后構件

圖7 大氣酸除銹后構件

圖8 大氣鹽除銹后構件

為了與自然腐蝕構件進行對比,從長期廢棄在外(自然腐蝕)的鋼框架上隨機截取部分構件,該框架銹蝕程度已比較嚴重,如圖9所示,除銹前后構件如圖10、圖11。

銹蝕產物:土壤酸與土壤鹽腐蝕產物為黑色,大氣鹽、大氣酸與自然腐蝕產物為紅褐色,產物不一致主要是由于土壤腐蝕機理與大氣腐蝕機理不一致造成的,但大氣酸的腐蝕機理與大氣鹽、自然腐蝕也不一致,通過圖3可以看到大氣酸的產物成剝離狀,像蛻皮一樣,只有大氣鹽與自然腐蝕的腐蝕產物符合較好。

除銹后構件表面:自然腐蝕構件表面布滿銹坑,其形狀、尺寸隨機性很大;土壤酸和土壤鹽除銹后構件表面較光滑,只有局部有個別蝕坑;大氣酸雖銹蝕率較大,但表面也很光滑,且坑不明顯;大氣鹽雖銹蝕率很小,但坑分布較多,與自然腐蝕構件有很好的擬合性。

銹蝕速率:根據銹蝕前后重量,建立銹蝕率與月份擬合圖,見圖12～圖15。

圖9 銹蝕鋼框架

圖10 除銹前試件

圖11 除銹后試件

圖12 土壤酸擬合圖

圖13 土壤鹽擬合圖

圖14 大氣酸擬合圖

圖15 大氣鹽擬合圖

從上述數據,可以看出:

土壤酸,腐蝕速率為0.0012 mm/a,銹蝕率隨時間呈線性變化;

土壤鹽:腐蝕速率為0.0004 mm/a,銹蝕率隨時間呈線性變化;

大氣酸:腐蝕速率較快,可以達到0.0036 mm/a,銹蝕率隨時間呈線性變化;

大氣鹽:腐蝕速率為0.0003 mm/a,銹蝕率隨時間呈線性變化。

試驗發現土壤中的銹蝕率明顯低于大氣中的銹蝕率,這主要是由于鋼材在大氣可以得到充足的氧氣,而在土壤中,腐蝕主要受氧輸送控制[4],實驗發現土壤酸、土壤鹽的銹蝕產物呈黑色,呈泥狀,且表面有泥土包裹,形成了一層保護膜,阻礙了氧氣的擴散,使得銹蝕速率低于大氣腐蝕速率。

3 結 語

通過以上試驗及綜合分析,表面大氣鹽具有較好的擬合性,但由于本文中試驗頻率較低(每周一次),腐蝕速率較低,即不能滿足加速性要求,但若加大試驗頻率,即在露天中進行掛片,每天定時向構件噴NaCl溶液,以保證干濕交替的頻率和氯離子濃度,則可以滿足模擬性、加速性和重現性的要求。

[1]劉秀晨,安成強.金屬腐蝕學[M].北京:國防工業出版社,2002.

[2]魏瑞演.鋼結構在海洋氣候腐蝕條件下的力學性能試驗研究[J].福建建筑高等專科學校學報,2001,3(9):37-42.

[3]張遠聲.腐蝕破壞事故100例[M].北京:化學工業出版社,2000.

[4]席艷君,孫成,李洪錫,高立群,等.酸性土壤腐蝕[J].腐蝕科學與防護技術,2002,14(7):247.