碳鋼人工加速腐蝕試驗(yàn)研究

趙婷婷,徐善華,孔正義,2,陳 露

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木學(xué)院,陜西 西安710055;2.宿遷學(xué)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(huán)境的作用下引起的破壞或變質(zhì)現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)每年因腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失,占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的4%,英國(guó)為3%～5%,日本為1%～2%;在我國(guó),據(jù)1980年統(tǒng)計(jì),腐蝕約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的4%[2]。金屬材料腐蝕不僅帶來巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失,其間接損害及其惡劣影響也是難以估量的。1967年,美國(guó)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(jìn)行腐蝕試驗(yàn)研究,了解鋼材腐蝕機(jī)理及耐蝕性能,對(duì)鋼材防護(hù)和應(yīng)用具有重要意義。

由于自然腐蝕試驗(yàn)周期長(zhǎng),試驗(yàn)區(qū)域性強(qiáng),不利于試驗(yàn)結(jié)果的推廣和應(yīng)用。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了大量室內(nèi)的短期加速腐蝕試驗(yàn),并與自然腐蝕相對(duì)照,進(jìn)而提出了許多加速試驗(yàn)方法。本文采用了四種加速試驗(yàn)方法,并與自然腐蝕構(gòu)件相對(duì)比,從而提出一種有效的加速試驗(yàn)方案。

1 試驗(yàn)方案

室內(nèi)加速試驗(yàn)必須滿足模擬性、加速性和重現(xiàn)性三個(gè)基本條件,它直接影響到人工加速試驗(yàn)和自然腐蝕的相關(guān)性。

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

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(shí);將3組(每組3塊)鋼板,按照順序(以免字跡被腐蝕而無(wú)法區(qū)分)平放在3個(gè)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(yīng)疏松;從市場(chǎng)上購(gòu)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(rùn);將塑料箱放置在室外,以保證自然環(huán)境;為保證土壤的疏松、濕潤(rùn)與酸性,每周對(duì)土壤進(jìn)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(rùn)(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(shí);將3組(每組3塊)鋼板,按照順序(以免字跡被腐蝕而無(wú)法區(qū)分)平放在3個(gè)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(yīng)疏松;從市場(chǎng)上購(gòu)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(rùn);將塑料箱放置在室外,以保證自然環(huán)境;為保證土壤的疏松、濕潤(rùn)與氯離子濃度,每周對(duì)土壤進(jìn)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(rùn)(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(wú)法區(qū)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(cè);每周重復(fù)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(wú)法區(qū)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(cè);每周重復(fù)一次(以下稱為大氣鹽)。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

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

圖1 土壤酸腐蝕產(chǎn)物

圖2 土壤鹽腐蝕產(chǎn)物

圖3 大氣酸腐蝕產(chǎn)物

圖4 大氣鹽腐蝕產(chǎn)物

圖5 土壤酸除銹后構(gòu)件

圖6 土壤鹽除銹后構(gòu)件

圖7 大氣酸除銹后構(gòu)件

圖8 大氣鹽除銹后構(gòu)件

為了與自然腐蝕構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比,從長(zhǎng)期廢棄在外(自然腐蝕)的鋼框架上隨機(jī)截取部分構(gòu)件,該框架銹蝕程度已比較嚴(yán)重,如圖9所示,除銹前后構(gòu)件如圖10、圖11。

銹蝕產(chǎn)物:土壤酸與土壤鹽腐蝕產(chǎn)物為黑色,大氣鹽、大氣酸與自然腐蝕產(chǎn)物為紅褐色,產(chǎn)物不一致主要是由于土壤腐蝕機(jī)理與大氣腐蝕機(jī)理不一致造成的,但大氣酸的腐蝕機(jī)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(chǎn)物成剝離狀,像蛻皮一樣,只有大氣鹽與自然腐蝕的腐蝕產(chǎn)物符合較好。

除銹后構(gòu)件表面:自然腐蝕構(gòu)件表面布滿銹坑,其形狀、尺寸隨機(jī)性很大;土壤酸和土壤鹽除銹后構(gòu)件表面較光滑,只有局部有個(gè)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(gòu)件有很好的擬合性。

銹蝕速率:根據(jù)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(shù)據(jù),可以看出:

土壤酸,腐蝕速率為0.0012 mm/a,銹蝕率隨時(shí)間呈線性變化;

土壤鹽:腐蝕速率為0.0004 mm/a,銹蝕率隨時(shí)間呈線性變化;

大氣酸:腐蝕速率較快,可以達(dá)到0.0036 mm/a,銹蝕率隨時(shí)間呈線性變化;

大氣鹽:腐蝕速率為0.0003 mm/a,銹蝕率隨時(shí)間呈線性變化。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤酸、土壤鹽的銹蝕產(chǎn)物呈黑色,呈泥狀,且表面有泥土包裹,形成了一層保護(hù)膜,阻礙了氧氣的擴(kuò)散,使得銹蝕速率低于大氣腐蝕速率。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過以上試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)頻率,即在露天中進(jìn)行掛片,每天定時(shí)向構(gòu)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(xiàn)性的要求。

[1]劉秀晨,安成強(qiáng).金屬腐蝕學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[2]魏瑞演.鋼結(jié)構(gòu)在海洋氣候腐蝕條件下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].福建建筑高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2001,3(9):37-42.

[3]張遠(yuǎn)聲.腐蝕破壞事故100例[M].北京:化學(xué)工業(yè)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(xué)與防護(hù)技術(shù),2002,14(7):247.