房屋吊顶结构中镀锌轻钢龙骨腐蚀原因分析

洪佳，张舒宁，甘振杰

中科认证技术服务(广州)有限公司，广东 广州 510000

轻钢龙骨(以下简称“龙骨”)具有密度低、强度高、施工简便等特性，被广泛应用于屋顶装饰、内外墙体及棚架式吊顶，一般通过表面镀锌进行防锈[1-3]。但镀锌层在一些酸性气氛及海洋性气氛中的耐蚀性较差，因此镀锌钢龙骨在放置和使用过程中要采取适宜的防潮措施[4-8]。南方某小区对房屋进行吊顶施工时使用的材料主要是龙骨和难燃胶合板(以下简称“难燃板”)。施工方在对房屋封石膏板的过程中发现龙骨(包括吊顶覆面龙骨和收边龙骨)均发生严重锈蚀，且锈蚀部位都与难燃板直接接触，未接触部位无锈蚀。

本工作对该小区“房屋吊顶”结构中的龙骨锈蚀原因进行调查和分析，初步认为龙骨锈蚀与难燃板密切相关。先采用能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对锈蚀物进行定性和定量分析，初步判断可能导致龙骨锈蚀的物质，接着采用离子色谱法(IC)分析了涉事难燃板阻燃剂的组分，最后通过试验证实龙骨的锈蚀确由难燃板引起。

1 锈蚀的宏观特征

由图1a和图1b可见，龙骨的锈蚀部位均与难燃板接触，其余部位均未发生锈蚀。由图1c和图1d可见，锈蚀部位呈现出两种状态，外缘有大量白色晶体(简称“白锈”)，内圈以红色物质(简称“红锈”)为主。

图1 龙骨的锈蚀部位(a、b)及其形态(c、d)Figure 1 Corrosion positions (a, b) of light steel keel and their appearance (c, d)

2 锈蚀物分析

2.1 锈蚀物的组成

采用Zeiss Sigma-300型扫描电子显微镜搭载的能谱仪(EDS)对龙骨的锈蚀部位进行元素分析。由表1可知，锈蚀物除了含有镀锌钢的主体元素Zn和Fe，还含有C、O、N、P和S。

表1 锈蚀物的元素组成Table 1 Elemental compositions of corrosion products（单位：%）

采用丹东通达TD-3500 X射线衍射仪对锈蚀物进行物相分析，发现白锈的主要物相为NH4ZnPO4，红锈的主要物相为(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O。进一步确定锈蚀物中除了含有Zn和Fe，还含有N、P和S，而这3种元素在水溶液中一般分别以的形式存在。

锈蚀物中的C可能源自空气中的CO2或难燃板，O源自龙骨腐蚀的氧化反应，N、P和S的来源有待进一步分析。

2.2 锈蚀物组分的来源

根据金属腐蚀的原理，金属只有在接触外界物质时才能被腐蚀，与龙骨接触的外界物质是空气和难燃板。“房屋吊顶”所在小区是住宅区，空气中P、S的含量很低，N含量虽然高，但基本上以极不活泼的N2形式存在，不参与腐蚀反应，因此锈蚀物中的N、P和S来自空气的可能性很小，来自难燃板的可能性较大。

将难燃板切成碎屑，称取5 g，加入500 mL超纯水中，48 h后即得浸取液。采用Thermo Fisher Scientific ICS-5000离子色谱仪对浸取液进行分析。由表2可知，涉事难燃板浸出液中含有三种离子，说明龙骨锈蚀物中的N、P和S来自难燃板。

表2 难燃板中不同离子的质量分数Table 2 Mass concentrations of different ions in fire-retardant plywood

为了验证龙骨锈蚀是由涉事难燃板引起的，进行加速温湿模拟试验。先将难燃板切成25 cm × 10 cm大小，用螺丝紧固在龙骨上，再置于温度为40 °C、相对湿度为95%的温湿箱中168 h，每24 h观察一次龙骨的锈蚀情况。从表3可知，镀锌龙骨与难燃板在湿热环境下接触48 h后出现黑斑和少量白锈(见图2a)，96 h后龙骨表面产生大量白锈(见图2b)，168 h后表面出现少量红锈。

表3 加速温湿模拟试验不同时间后镀锌龙骨的锈蚀情况Table 3 Corrosion states of hot-dip zinc-coated light steel keel after accelerated damp heat test for different time

图2 加速温湿模拟试验不同时间后镀锌龙骨与难燃板接触部位的锈蚀特征Figure 2 Appearance of corrosion products at the contact position between hot-dip zinc-coated light steel keel and fire-retardant plywood after accelerated damp heat test for different time

综上所述，涉事龙骨锈蚀物中的N、P和S元素确实来源于难燃板，龙骨的腐蚀与难燃板有直接关系。

3 锈蚀原因分析

根据以上分析可知，龙骨的锈蚀属于电化学腐蚀。龙骨发生腐蚀的必要条件是其与氧气、水分和腐蚀介质均有接触。氧气来源于空气，水分可能来源于空气或难燃板，或两者皆有，而腐蚀介质来源于难燃板。

表4 难燃板的吸湿率Table 4 Moisture absorption rate of fire-retardant plywood

综合上述分析，可推测龙骨发生锈蚀的过程如下：

(1) 难燃板在高湿环境下吸湿，阻燃剂中的腐蚀性成分(磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种或几种以及硫酸铵)以溶液形式从板材中渗出到与之接触的龙骨上。与此同时，空气中的水分聚集在龙骨表面形成水膜。

(2) 阻燃剂溶液融入水膜中形成腐蚀性的电解质溶液，镀锌层开始发生电化学腐蚀。镀锌层外层的钝化膜最先发生腐蚀而出现黑斑。

(3) 钝化膜被破坏而令镀锌层裸露后，锌开始腐蚀。锌的电位较低，作为阳极失去电子而生成Zn2+，O2作为阴极和去极化剂吸收电子形成 OH-。阻燃剂溶液中的铵盐与 OH-形成氨水，和 Zn2+反应生成Zn3(PO4)2沉淀，而Zn3(PO4)2溶于氨水或铵盐中生成了NH4ZnPO4。主要反应如下：

在电化学反应过程中，由于磷酸和硫酸的铵盐均为强酸弱碱盐，在溶液中呈酸性，对腐蚀起加速作用，同时溶液中的铵盐提高了其导电性，也加快了腐蚀的进程。

(4) 刚开始腐蚀时，由于外面有一层镀锌层保护，钢基体还未接触到电解质溶液和氧气而未被腐蚀。根据电偶腐蚀的原理，此时镀锌层先被腐蚀，而钢基体不被腐蚀。当龙骨的镀锌层腐蚀到一定程度时，锌消耗过多，钢基体不再受到保护，此时钢基体中的Fe开始被腐蚀而形成红锈。主要反应如下：

4 结语

房屋吊顶结构中轻钢龙骨发生锈蚀的主要原因是：难燃板中含有吸湿性阻燃剂，因未进行有效的防潮处理，致使抗潮湿性能差，最终在潮湿的空气环境中吸收水分而形成腐蚀性电解质溶液，并渗透出来流到与之接触的龙骨上，令龙骨发生锈蚀。为了预防以上现象发生，提出以下建议：

(1) 选用抗潮性或者吸湿性低的阻燃剂(有机阻燃剂、树脂性阻燃剂及反应型阻燃剂)来制作难燃板。

(2) 在难燃板上负载具有防水功能的纳米材料，使难燃板具有一定的防潮性能。