Q235鋼板在模擬使用硫酸銨和硝酸銨化肥潮濕土壤中的腐蝕

黃衛(wèi)民，曹保衛(wèi)，楊偉峰

Q235鋼是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用最廣泛、用量最大的基本材料之一?？捎糜诠?、鐵路、水路用暗渠、涵洞、滲水井，便橋、橋梁承重結(jié)構(gòu)，地下管線(xiàn)敷設(shè)用管，小橋、涵洞改造及加固等。在上述諸多應(yīng)用中，鋼部件往往埋于土壤之中或與土壤近距離接觸，由此引起Q235鋼材在土壤中的腐蝕［1－2］。此外，由于當(dāng)前工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染，雨雪往往攜帶不同程度的酸性介質(zhì)，或者受工業(yè)、生活污水以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥的使用影響，土壤往往呈現(xiàn)一定的酸性。這種潮濕的酸性土壤無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步影響鋼材的腐蝕。

已有很多關(guān)于Q235鋼材在土壤中的腐蝕的研究工作［3－8］。研究指出：在土壤孔隙率、含水率和Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì) Q235鋼的腐蝕存在一個(gè)極大值［5］，隨著總含鹽量和SO42－質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，Q235鋼腐蝕速率逐漸增大；Cl元素的存在會(huì)加劇Q235碳鋼材料的腐蝕［6］；腐蝕產(chǎn)物主要由FeOOH和Fe3O4等組成［7］。對(duì)于Q235鋼材在肥料使用殘留土壤中的腐蝕目前研究報(bào)道較少，李喜明等［8］研究發(fā)現(xiàn)，土壤中尿素吸附在碳鋼表面，增大其電荷轉(zhuǎn)移電阻，抑制腐蝕。但目前已有的研究還沒(méi)有關(guān)于使用不同化肥造成的酸性潮濕土壤對(duì)Q235鋼的腐蝕對(duì)比研究報(bào)道。

本文對(duì)Q235鋼板，分別在使用硫酸銨和硝酸銨造成的酸性潮濕土壤條件下進(jìn)行加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，通過(guò)鋼板的重量變化和腐蝕區(qū)的形貌變化，揭示其腐蝕特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的Q235鋼板樣品名義尺寸為：厚度3 mm，長(zhǎng)度 100 mm，寬度100 mm。

實(shí)驗(yàn)所用的土壤取自西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)試驗(yàn)田。實(shí)驗(yàn)所用硫酸銨（NH4）2SO4為廣州光華科技有限公司生產(chǎn)，硝酸銨NH4NO3為西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。表1給出了2種試劑的組成。

表1 無(wú)水硫酸銨和硝酸銨的成分參數(shù)

1．2 腐蝕土壤配制

首先將采集好的土壤樣品用自來(lái)水反復(fù)浸泡、晾干，以盡可能去除土壤中原有酸堿離子對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。將浸泡晾干后的土壤稱(chēng)重，每份重量為5 kg。按照不同條件，用自來(lái)水配制硫酸銨（NH4）2SO4和硝酸銨NH4NO3的飽和水溶液（硫酸），配制溫度為20℃，此時(shí)（NH4）2SO4和 NH4NO3在水中的飽和溶解度分別為75．4和190。然后將干燥土壤、自來(lái)水、飽和肥料溶液按重量比為50∶10∶5和干燥土壤、自來(lái)水按重量比為50∶10配制腐蝕試驗(yàn)所用土壤。

1．3 酸性土壤加速腐蝕試驗(yàn)過(guò)程

首先將編號(hào)的試驗(yàn)樣品稱(chēng)重，并記錄其原始重量，之后在盛有配置好的試驗(yàn)用土壤的塑料桶放入試驗(yàn)樣品，保證樣品一半浸入土壤，一半裸露在空氣。然后將裝好試樣的塑料桶稱(chēng)重后放入數(shù)顯恒溫干燥箱，在50℃下進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。每經(jīng)過(guò)3 d，取出裝好試樣的塑料桶進(jìn)行稱(chēng)重，如重量變化大于50 g，則補(bǔ)充相應(yīng)的飽和肥料溶液至初始腐蝕重量，以保持腐蝕環(huán)境的一致。實(shí)驗(yàn)中，定期（每天）用標(biāo)智高靈敏數(shù)字溫濕度計(jì)測(cè)量記錄恒溫干燥箱濕度變化和實(shí)驗(yàn)桶中土壤溫度變化，并根據(jù)變化調(diào)整，確保恒溫箱內(nèi)腐蝕條件基本穩(wěn)定。

為了比較不同土壤的腐蝕，在數(shù)顯恒溫干燥箱同時(shí)放入3個(gè)實(shí)驗(yàn)塑料桶，分別為單一的含水土壤、含水土壤加飽和硫酸銨溶液和含水土壤加飽和硝酸銨溶液。

每隔2周，取出試驗(yàn)樣品，用自來(lái)水慢速反復(fù)沖洗干凈，然后自然干燥后觀察樣品表面變化，之后稱(chēng)重并記錄重量變化。

稱(chēng)重所用天平為上海光正醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的電子天平（YP20001，最大稱(chēng)重2 000 g，精度 0．1 g）。相對(duì)重量變化按下式計(jì)算：

式中：w0表示涂層樣品未經(jīng)高溫腐蝕的原始質(zhì)量；w1表示涂層樣品經(jīng)過(guò)高溫腐蝕一定時(shí)間后的質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1給出了50℃恒溫條件下Q235鋼板在不同土壤中的重量變化和腐蝕時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯觯涸趩渭兊某睗裢寥乐?，前38 d Q235鋼板試件有非常微弱的減重（最大相對(duì)減重量為－0．0257%），在38 d后開(kāi)始隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)非常微弱的緩慢增重；在含硝酸銨的土壤中，Q235鋼板試件的重量隨著腐蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)拋物線(xiàn)減少；在含硫酸銨的土壤中，Q235鋼板試件腐蝕重量隨時(shí)間關(guān)系變化表現(xiàn)為近似線(xiàn)性的失重；可以發(fā)現(xiàn)，前30 d Q235鋼板試件在含硫酸銨土壤中的腐蝕失重小于在含硝酸銨土壤的腐蝕失重，30 d后試件在含硫酸銨的的土壤中的腐蝕失重明顯高于在含硝酸銨的土壤中的腐蝕失重。這說(shuō)明試件埋在土壤中時(shí)，初始一段時(shí)間內(nèi)硝酸銨土壤造成的腐蝕比含硫酸銨土壤造成的腐蝕嚴(yán)重，之后，隨著時(shí)間的增加含硫酸銨土壤對(duì)Q235鋼板試件的腐蝕會(huì)超過(guò)含硝酸銨土壤對(duì)Q235鋼的腐蝕。

圖1 Q235鋼板在不同土壤中的重量變化和腐蝕時(shí)間關(guān)系

圖2 給出了Q235鋼板在不同土壤不同時(shí)間后的腐蝕圖。其中，標(biāo)號(hào)1的試件是在含硫酸銨的土壤中進(jìn)行腐蝕；標(biāo)號(hào)2的試件是在含硝酸銨的土壤中腐蝕；標(biāo)號(hào)3的試件是在普通潮濕土壤中腐蝕。可以看出：Q235鋼板在普通潮濕土壤中經(jīng)過(guò)23 d后，埋入線(xiàn)以下的邊緣處產(chǎn)生微弱腐蝕；在含硫酸銨的土壤中，Q235鋼板埋入線(xiàn)以下部分已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的不均勻腐蝕，部分腐蝕產(chǎn)物脫落并產(chǎn)生紅銹；在含硝酸銨的土壤中，Q235鋼板埋入線(xiàn)以下部分的邊緣處產(chǎn)生較為明顯的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物附著在試件表面上。實(shí)驗(yàn)中，在普通潮濕土壤中，Q235鋼板的腐蝕仍只發(fā)生在埋入線(xiàn)以下部分的邊緣處，隨著腐蝕時(shí)間的增加腐蝕區(qū)域緩慢增大。在含硫酸銨的土壤中，隨著時(shí)間的增加，腐蝕變得更為明顯，腐蝕區(qū)域增大，但腐蝕產(chǎn)物不斷剝落。在含硝酸銨土壤中，經(jīng)過(guò)30 d時(shí)的腐蝕情況最為嚴(yán)重，此時(shí)可以觀察到明顯凸起腐蝕產(chǎn)物粘附，而經(jīng)過(guò)第45 d和65 d的腐蝕情況比經(jīng)過(guò)30 d時(shí)除了腐蝕區(qū)域略有增加外，其他無(wú)明顯變化，這和圖1中的Q235鋼板在含硝酸銨土壤中的腐蝕重量變化隨時(shí)間增加的關(guān)系曲線(xiàn)相一致；對(duì)比同一時(shí)間未鍍鋅試件在三種土壤中的情況，可以看出，當(dāng)時(shí)間大于23 d后，Q235鋼在含硫酸銨的土壤中腐蝕情況最嚴(yán)重，說(shuō)明含硫酸銨的土壤對(duì)Q235鋼的腐蝕最為強(qiáng)烈。

在普通潮濕土壤中，Q235鋼的腐蝕主要是鋼板本身的腐蝕，在腐蝕過(guò)程中發(fā)生的是Fe的氧化以及O2的還原［9］：

反應(yīng)式（2）產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物 Fe（OH）3疏松易脫落，但是在中性土壤中，腐蝕產(chǎn)物會(huì)和土壤粘結(jié)在一起，和鋼板表面緊密結(jié)合在一起，這阻礙反應(yīng)式（2）的繼續(xù)進(jìn)行?；谏鲜鲈颍谄胀ǔ睗裢寥乐性嚰?huì)表現(xiàn)先微弱減重，在38 d后表現(xiàn)微弱增重。從上述反應(yīng)和圖3結(jié)果也可以看出，雖然實(shí)驗(yàn)后期樣品出現(xiàn)微弱增重，但腐蝕過(guò)程僅僅是受到了一定的阻礙而并未停止。

潮濕土壤中試件和土壤接觸面能夠形成一層水膜，硝酸銨和硫酸銨在潮濕土壤中存在如下可能反應(yīng)：

在酸性土壤中，由于反應(yīng)式（6）的存在，使得土壤中存在H＋，此時(shí)Q235鋼存在如下反應(yīng)：

由于在酸性環(huán)境下Fe（OH）3不易與土壤粘結(jié)，而且 Fe（OH）3疏松易脫落，反應(yīng)式（7）～ 式（10）促進(jìn)了Fe向 Fe（OH）3的轉(zhuǎn)化，Q235鋼板在硫酸銨土壤中是反復(fù)進(jìn)行的 Fe（OH）3生成和脫落，因此，Q235鋼的腐蝕失重顯著大于潮濕土壤，且隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為較為明顯的失重。

在含硝酸銨的土壤中，除反應(yīng)式（2）、式（3）、式（8）和式（9）外，還會(huì)進(jìn)行反應(yīng)［10］：

反應(yīng)式（11）促使陽(yáng)極區(qū)鐵的溶解，導(dǎo)致試件腐蝕逐漸加快。因此，腐蝕初期，Q235鋼板在含硝酸銨土壤中的腐蝕最為明顯，失重較快。腐蝕開(kāi)始時(shí)還不能形成腐蝕層，當(dāng)腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，生成的Fe2O3能夠形成腐蝕層，覆蓋在Q235鋼的表面。由Fe2O3形成的腐蝕層比較致密，當(dāng)這種腐蝕層厚度增加到一定厚度時(shí)，對(duì)試件有一定的保護(hù)作用，可以減慢Q235試件的腐蝕速率。因而，一定時(shí)間后，Q235鋼板在含硝酸銨土壤中的腐蝕變得緩慢，除了腐蝕區(qū)域略有增加外，腐蝕形貌其他無(wú)明顯變化，同時(shí)樣品失重變得平緩且小于在含硫酸銨土壤中的腐蝕失重。所以Q235鋼板試件在含硝酸銨土壤中腐蝕速率先快后慢，腐蝕重量變化隨時(shí)間增加呈拋物線(xiàn)減少。

圖2 Q235鋼板在不同土壤中的腐蝕不同時(shí)間后的腐蝕圖

3 結(jié) 論

對(duì)Q235鋼板，分別在使用硫酸銨和硝酸銨造成的酸性潮濕土壤條件下的加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究了Q235鋼板的腐蝕特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)：

（1）Q235鋼在單純潮濕土壤的腐蝕最為輕微；在含硫酸銨的土壤中，Q235鋼板腐蝕重量隨腐蝕時(shí)間增加表現(xiàn)為近似線(xiàn)性的失重；在硝酸銨含土壤中，Q235鋼板腐蝕重量量隨著腐蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)拋物線(xiàn)減少，在腐蝕初期失重較快，且大于在含硫酸銨的土壤中的失重，之后的腐蝕失重變小且小于在含硫酸銨的土壤中的失重。

（2）在普通潮濕土壤中的Q235鋼板的腐蝕主要產(chǎn)生在埋入線(xiàn)以下的邊緣處，腐蝕產(chǎn)物粘附在鋼板上，隨著時(shí)間的增加，腐蝕情況變化不明顯。在含硫酸銨土壤中，Q235鋼板產(chǎn)生明顯的不均勻腐蝕，腐蝕產(chǎn)物在腐蝕中同時(shí)不斷脫落導(dǎo)致腐蝕情況隨時(shí)間增加而嚴(yán)重。在含硝酸銨的土壤中，Q235鋼板產(chǎn)生不均勻腐蝕，腐蝕產(chǎn)物牢固粘附在鋼板上，腐蝕情況在30 d時(shí)最為嚴(yán)重，但此后無(wú)明顯變化。腐蝕時(shí)間大于一定天數(shù)（本實(shí)驗(yàn)中為23 d），含硫酸銨的土壤對(duì)Q235鋼的腐蝕最為強(qiáng)烈。

（3）Q235鋼板在單純潮濕土壤中初始形成的腐蝕產(chǎn)物會(huì)和土壤粘結(jié)在一起，并和鋼板表面緊密結(jié)合，減緩腐蝕。在含硫酸銨土壤中，腐蝕形成的Fe（OH）3疏松，不易與土壤粘結(jié)，反復(fù)進(jìn)行的 Fe（OH）3的生成和脫落，致使Q235鋼的腐蝕嚴(yán)重。在含硝酸銨土壤中，NO3－的存在致使陽(yáng)極區(qū)鐵的溶解，導(dǎo)致試件腐蝕逐漸加快，但同時(shí)Fe2O3逐漸增加，使得腐蝕初期失重較為明顯；而一段時(shí)間后，生成的Fe2O3能夠粘附在Q235鋼表面形成比較致密腐蝕層，減慢腐蝕速率，致使腐蝕重量變化隨時(shí)間增加呈拋物線(xiàn)減少。

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