幕墻支座組件金屬材料間的電偶腐蝕探究

楊東艷

（浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

建筑幕墻是多材料的集合體，鋁合金材料和碳鋼應用非常廣泛，在普遍的認識下，鋁合金與碳鋼間一定會發(fā)生電偶腐蝕，并且，這種腐蝕會對建筑幕墻的可視效果、品質(zhì)、功能和安全造成影響。但是，在實際的應用中，過度采取隔離措施也會對幕墻的效果、品質(zhì)、構(gòu)造和成本造成相應的影響，即行業(yè)所說的過度設計。本文以單元式幕墻與主體結(jié)構(gòu)連接處的支座組件為例加以分析。

1 幕墻支座組件的常規(guī)做法

由玻璃面板、鋁板面板、其他材料與支承框架在工廠制成的不小于一個樓層高度的幕墻結(jié)構(gòu)基本單位，直接安裝在主體結(jié)構(gòu)上組合而成的框支承建筑幕墻。這種幕墻的特點是高集成、整體安裝、美觀性，實現(xiàn)了工業(yè)化、預制化的生產(chǎn)。單元板塊的空間調(diào)節(jié)定位一部分是通過預埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳鋼槽式預埋件和具有調(diào)節(jié)功能的鋁合金型材支座以及連接用的T 型螺栓副共同完成。其具體做法見圖1。

圖1 單元式幕墻支座組件示意圖

2 電偶腐蝕的原理

電偶腐蝕是金屬構(gòu)件中常見的一種電化學腐蝕，一般發(fā)生于電解液環(huán)境中的兩種不同金屬或合金之間，也稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕[1]。電偶腐蝕的產(chǎn)生需具備三個必要條件[2]：第一，兩電極存在電位差，采用不同的金屬或合金材料作為陰陽極；第二，存在電子通道，陰陽極直接或間接實現(xiàn)點接觸；第三，存在離子通道，兩電極處于同一腐蝕性電解質(zhì)溶液中。

按照條件一，鋁合金支座與結(jié)構(gòu)鋼制成的T 型螺栓或者碳鋼槽式預埋件間存在電位差，鋁合金起到犧牲陽極保護的作用，即鋁先發(fā)生電偶腐蝕；按照條件二，鋁合金支座與結(jié)構(gòu)鋼接觸，存在電子通道；按照條件三，支座組件處于封閉的室內(nèi)環(huán)境中，空氣中的濕汽作為電解溶液為兩種金屬間提供了離子通道。

3 支座組件的電偶腐蝕分析

3.1 從選材上分析

根據(jù)實際工程案例槽式預埋件采用熱浸鍍鋅結(jié)構(gòu)鋼預埋槽。大部分工程中基本不太會采用不銹鋼材質(zhì)的預埋槽：一是經(jīng)濟成本造價太高，不適合大多工程上使用；二是不銹鋼材質(zhì)預埋槽的承載能力較碳鋼材質(zhì)的預埋槽小。只有長期處于潮濕條件下或暴露于大氣層的情況，才會用到不銹鋼材質(zhì)預埋槽。

T 型螺栓根據(jù)《建筑幕墻用槽式預埋組件》GB/T38525-2020 第5.4 條中給出了螺栓的材質(zhì)分為不銹鋼材質(zhì)和結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)。從安全使用上考慮，實際工程應用中基本采用強度更高的結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)T 型螺栓，這也是在規(guī)范允許范圍內(nèi)使用的。

鋁合金支座采用的是經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理的6061-T6 厚壁型材，維氏硬度可達580.3Hv。經(jīng)分析，牌號為6061 的鋁合金材料在電流大小為3.8A，溫度為室溫，硫酸濃度為1mol/L 的條件下，硬質(zhì)陽極氧化時間45min 時，其硬度達到最大，氧化膜表面孔隙結(jié)構(gòu)分布均勻，表面平整光滑，并且此時鋁合金的耐鹽霧腐蝕性能最佳[3]。

正確的選材，合理的設計，控制陰陽極金屬材料的面積比（陽極材料的腐蝕速度與陰、陽極的面積有關，大陽極、小陰極的腐蝕速度則非常緩慢）；基體材料合適的表面處理方式，可減小雙金屬材料間的電位差，以阻隔電子通道。

3.2 從腐蝕上分析

鋁合金支座與熱浸鍍鋅碳鋼槽式預埋件、T 型螺栓之間存在電位差，鋼的腐蝕電位高于鋁的腐蝕電位，由于這種電位差，鋼和鋁發(fā)生接觸時，鋼不會發(fā)生腐蝕，而鋁會產(chǎn)生腐蝕。因此經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理后的鋁合金支座表面會獲得一層致密的硬質(zhì)氧化膜，提高了鋁合金支座的硬度，增強了耐腐蝕性能，使鋁合金支座不被腐蝕或延緩腐蝕。碳鋼槽式預埋件基本都是預先擱置在鋼筋籠中，后期混凝土澆筑將其覆蓋，因此其表面基本上沉于混凝土表面下面。鋁合金支座基本上安裝在混凝土表面上，因此并未與碳鋼槽式預埋件直接接觸。如因現(xiàn)場施工偏差導致的接觸，鋁合金連接件與碳鋼槽式預埋件的接觸也僅是近似的線接觸。鋁合金支座在工廠預先設置了前后可調(diào)的條形孔（用于土建偏差），使得T 型螺栓與鋁合金支座僅在兩側(cè)邊發(fā)生點接觸；碳鋼螺母與鋁合金帶齒墊片之間，由于鋁合金帶齒墊片只承受壓應力，除此之外再無其它應力，故碳鋼螺母與鋁合金帶齒墊片之間也是發(fā)生點接觸。參考英國國家標準協(xié)會文件（表1），碳鋼材質(zhì)的T 型螺栓與鋁合金支座之間是不會因為兩者發(fā)生接觸從而有腐蝕產(chǎn)生的危險。根據(jù)上述分析，鋁合金支座與熱浸鍍鋅槽式預埋件、T 型螺栓之間存在的電子通道也只是有限的線接觸和點接觸，對金屬基體材料的腐蝕是有限的。

表1 基于電化腐蝕作用來選擇緊固件的指引

有研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)pHa 的測定方法，對辦公室、公共廁所、廚房等室內(nèi)小環(huán)境空氣樣品進行了空氣pHa監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)辦公室空氣的pHa 平均值為6.43（表2），這說明一般辦公室的空氣基本呈中性偏酸。實際案例中的鋁合金支座、T 型螺栓與槽式預埋件三者的位置均存在于室內(nèi)封閉環(huán)境中，屬于隱蔽工程，即使室內(nèi)空氣中存在少量的電解液，即上述描述的酸性溶液中，有也僅會造成輕微的腐蝕。待室內(nèi)封修全部完成，三者基本處于干燥環(huán)境中，前期腐蝕過程也會停止或延緩。

表2 室內(nèi)環(huán)境空氣的pHa 檢測結(jié)果

3.3 從安全上分析

通過上述雙金屬材料的腐蝕分析，隨著腐蝕周期的增加，鋁合金支座表面將會被腐蝕產(chǎn)物積累覆蓋，降低了基體材料的腐蝕速率，阻礙了基體材料的進一步腐蝕，對基體材料起到一定的保護作用[4-5]。在此腐蝕過程中，鋁合金支座的壁厚因受到腐蝕而變薄，從而與槽式預埋件之間形成了一定的間隙，兩者之間不再直接接觸，因而不會繼續(xù)發(fā)生雙金屬腐蝕。實際工程中鋁合金支座設計的厚度也遠超受力要求，富余度較多，因此鋁合金支座即使受到有限的腐蝕也是不會影響結(jié)構(gòu)安全的。

3.4 從效果上分析

絕大部分工程中雙金屬材料之間設置防腐隔離柔性墊片的原因：一是可見部位的基材基本上是薄壁材料，不同金屬材料之間如發(fā)生雙金屬腐蝕，腐蝕過后的壁厚變薄，導致基材的物理性能指標降低，不滿足受力要求，容易造成安全隱患；二是雙金屬材料之間屬于高精度配合工藝，且基材在室內(nèi)外均是可見的，如發(fā)生雙金屬腐蝕，則會大大影響基材交接位置的裝飾效果，以至于無法滿足建筑效果需求，從而使項目品質(zhì)降低。實際工程中連接立柱用、鋁合金支座、T 型螺栓以及槽式預埋件屬于隱蔽工程范圍，且鋁合金支座采用的是厚壁型材，精度要求不高，即使因不采取防腐隔離措施造成的雙金屬腐蝕，腐蝕現(xiàn)象室內(nèi)外均不可見，也不會影響裝飾效果[6]。

3.5 結(jié)論

通過對支座組件的電偶腐蝕分析，可知連接立柱用的支座組件間的雙金屬腐蝕情況是存在的且也是有限的，故在不影響結(jié)構(gòu)安全和建筑裝飾效果的情況下，雙金屬材料之間可以不采取防腐隔離措施。因此應加強注重分析基體材料自身表面的處理方式和實際工況條件下外界因素對雙金屬腐蝕的綜合影響，合理設計節(jié)點構(gòu)造措施。

4 結(jié)語

隨著中國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，對建筑的要求也越來越高，對于單元式幕墻的應用也越來越多，幕墻支座組件的應用也就相應的增加。本文主要針對個別實際工程幕墻組件雙金屬之間是否需要采取防腐隔離措施展開探究，希望此種構(gòu)造在節(jié)約成本的基礎上同時能滿足建設的需求，以供參考。