碳钢人工加速腐蚀试验研究

赵婷婷,徐善华,孔正义,2,陈 露

(1.西安建筑科技大学 土木学院,陕西 西安710055;2.宿迁学院 建筑工程系,江苏 宿迁223800)

0 引 言

腐蚀是指金属在其周围环境的作用下引起的破坏或变质现象[1]。据统计,美国每年因腐蚀带来的经济损失,占国民经济总产值的4%,英国为3%～5%,日本为1%～2%;在我国,据1980年统计,腐蚀约占国民经济总产值的4%[2]。金属材料腐蚀不仅带来巨大的直接经济损失,其间接损害及其恶劣影响也是难以估量的。1967年,美国西弗吉尼亚州的俄亥俄桥因钢梁腐蚀造成整桥坍塌,死亡46人[3]。因此,进行腐蚀试验研究,了解钢材腐蚀机理及耐蚀性能,对钢材防护和应用具有重要意义。

由于自然腐蚀试验周期长,试验区域性强,不利于试验结果的推广和应用。为此,国内外学者采用了大量室内的短期加速腐蚀试验,并与自然腐蚀相对照,进而提出了许多加速试验方法。本文采用了四种加速试验方法,并与自然腐蚀构件相对比,从而提出一种有效的加速试验方案。

1 试验方案

室内加速试验必须满足模拟性、加速性和重现性三个基本条件,它直接影响到人工加速试验和自然腐蚀的相关性。

从市场上购买一批钢板(Q235),加工成280 mm×50 mm×8 mm试件;试验前用电子天平称取每块钢板的重量,并予以编号。

方案一:在1000 mm×500 mm×500 mm的塑料箱底层放置25 cm厚的土壤,并将其压实;将3组(每组3块)钢板,按照顺序(以免字迹被腐蚀而无法区分)平放在3个装有土壤的塑料箱子中;用5 cm厚土层覆盖,为保证充足氧气,上部土壤应疏松;从市场上购买36%的浓盐酸,用水稀释至18%,取适量均匀浇在土壤上,使土壤完全湿润;将塑料箱放置在室外,以保证自然环境;为保证土壤的疏松、湿润与酸性,每周对土壤进行一次疏松,并把钢板翻身,使得两面锈蚀基本一致,然后再喷洒适量的浓度为18%的盐酸,使得土壤完全湿润(以下称为土壤酸)。

方案二:在1000 mm×500 mm×500 mm的塑料箱底层放置25 cm厚的土壤,并将其压实;将3组(每组3块)钢板,按照顺序(以免字迹被腐蚀而无法区分)平放在3个装有土壤的塑料箱子中;用5 cm厚土层覆盖,为保证充足氧气,上部土壤应疏松;从市场上购买氯化钠试剂,用水溶解至饱和,取适量均匀浇在土壤上,使土壤完全湿润;将塑料箱放置在室外,以保证自然环境;为保证土壤的疏松、湿润与氯离子浓度,每周对土壤进行一次疏松,并把钢板翻身,使得两面锈蚀基本一致,然后再喷洒适量的饱和氯化钠溶液,使得土壤完全湿润(以下称为土壤盐)。

方案三:将3组(每组3块)钢板,按照顺序(以免字迹被腐蚀而无法区分)斜靠在室外墙角;将稀释至18%的盐酸倒入喷壶中;将盐酸以雾状喷在试件两侧;每周重复一次(以下称为大气酸)。

方案四:将3组(每组3块)钢板,按照顺序(以免字迹被腐蚀而无法区分)斜靠在室外墙角;将饱和的氯化钠溶液倒入喷壶中;将溶液以雾状喷在试件两侧;每周重复一次(以下称为大气盐)。

2 数据处理及分析

试验分半年进行,每个月取出一组构件,观察腐蚀产物,而后将其加入缓冲剂为12%(质量比)的盐酸溶液中浸泡20～30 min后,清除表面腐蚀产物,再用氢氧化钙溶液中和,清水冲洗,最后用烘干机烘干,用电子电平称取除锈后重量。四种方案的表面锈蚀产物见图1、图2、图3、图4。除锈后构件表面见图5、图6、图7、图8。

图1 土壤酸腐蚀产物

图2 土壤盐腐蚀产物

图3 大气酸腐蚀产物

图4 大气盐腐蚀产物

图5 土壤酸除锈后构件

图6 土壤盐除锈后构件

图7 大气酸除锈后构件

图8 大气盐除锈后构件

为了与自然腐蚀构件进行对比,从长期废弃在外(自然腐蚀)的钢框架上随机截取部分构件,该框架锈蚀程度已比较严重,如图9所示,除锈前后构件如图10、图11。

锈蚀产物:土壤酸与土壤盐腐蚀产物为黑色,大气盐、大气酸与自然腐蚀产物为红褐色,产物不一致主要是由于土壤腐蚀机理与大气腐蚀机理不一致造成的,但大气酸的腐蚀机理与大气盐、自然腐蚀也不一致,通过图3可以看到大气酸的产物成剥离状,像蜕皮一样,只有大气盐与自然腐蚀的腐蚀产物符合较好。

除锈后构件表面:自然腐蚀构件表面布满锈坑,其形状、尺寸随机性很大;土壤酸和土壤盐除锈后构件表面较光滑,只有局部有个别蚀坑;大气酸虽锈蚀率较大,但表面也很光滑,且坑不明显;大气盐虽锈蚀率很小,但坑分布较多,与自然腐蚀构件有很好的拟合性。

锈蚀速率:根据锈蚀前后重量,建立锈蚀率与月份拟合图,见图12～图15。

图9 锈蚀钢框架

图10 除锈前试件

图11 除锈后试件

图12 土壤酸拟合图

图13 土壤盐拟合图

图14 大气酸拟合图

图15 大气盐拟合图

从上述数据,可以看出:

土壤酸,腐蚀速率为0.0012 mm/a,锈蚀率随时间呈线性变化;

土壤盐:腐蚀速率为0.0004 mm/a,锈蚀率随时间呈线性变化;

大气酸:腐蚀速率较快,可以达到0.0036 mm/a,锈蚀率随时间呈线性变化;

大气盐:腐蚀速率为0.0003 mm/a,锈蚀率随时间呈线性变化。

试验发现土壤中的锈蚀率明显低于大气中的锈蚀率,这主要是由于钢材在大气可以得到充足的氧气,而在土壤中,腐蚀主要受氧输送控制[4],实验发现土壤酸、土壤盐的锈蚀产物呈黑色,呈泥状,且表面有泥土包裹,形成了一层保护膜,阻碍了氧气的扩散,使得锈蚀速率低于大气腐蚀速率。

3 结 语

通过以上试验及综合分析,表面大气盐具有较好的拟合性,但由于本文中试验频率较低(每周一次),腐蚀速率较低,即不能满足加速性要求,但若加大试验频率,即在露天中进行挂片,每天定时向构件喷NaCl溶液,以保证干湿交替的频率和氯离子浓度,则可以满足模拟性、加速性和重现性的要求。

[1]刘秀晨,安成强.金属腐蚀学[M].北京:国防工业出版社,2002.

[2]魏瑞演.钢结构在海洋气候腐蚀条件下的力学性能试验研究[J].福建建筑高等专科学校学报,2001,3(9):37-42.

[3]张远声.腐蚀破坏事故100例[M].北京:化学工业出版社,2000.

[4]席艳君,孙成,李洪锡,高立群,等.酸性土壤腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术,2002,14(7):247.