钢材在碱性条件下腐蚀性能的试验研究.docx

阳王天稳王曦明高（武汉大学土木建筑工程学院，武汉 ；黑龙江省电力勘察设计研究院，哈尔滨 ）摘 要：在纯水、弱酸、碱性条件下，对钢材腐蚀性能进行对比试验研究 。 试验结果表明：在强碱条件下（），钢材基本无锈蚀现象，而在纯水和弱酸条件 下 钢 材 的 锈 蚀 情 况 较 为 严 重；随 着 值 的 增 大 及 在 碱 性 条 件 下 存 储 时间的增加，钢材曝露在自 然 环境下所需 锈蚀时间 相 对 增 加。 此 研 究 对 钢 材 长 期 存 储 具 有 较 好 的 指 导 作 用，且 较 现有的一些方法经济和环保 。关键词：碱性条件；钢材腐蚀性能； 值；锈蚀率 （ ，）： ， ， ， ， ， ， ， ：； ；引 言有关资料表明，全球每年因腐蚀报废的钢材，约 占年产量的，许多钢材在存储阶段就开始腐蚀， 造成了巨大的经济损失 。 为了防止或控制钢材 的腐蚀，根据腐蚀机理，迄今为止已提出了多种保护 措施 ：涂刷防护层，改变金属内部结构制成不锈 钢，采用电化学保护，磷化等。 上述方法主要是针对 钢材投入使用后采取的防腐蚀措施，且在经济性，环 保性及操作的简易性上都存在一定缺陷。实践表明，工程中的钢筋混凝土结构中的钢筋 在一定时期内具有较好的抵抗腐蚀的能力，这是由 于混凝土中，初始碱度较高， 值达 ， 在钢筋表面生成致密氧化膜，可以保护钢筋免受腐 蚀。基于这一实践经验，本文设计了 组在碱性、 酸性、中性溶液及自然环境中存储钢材与 组经碱 性环境储存投入到自然环境使用的试验来探究钢材 的抗腐蚀性能。 本试验的主要目的是在碱性条件下 为钢材在投入使用前存储阶段的防腐研究提供试验 依据。混凝土抗腐蚀（短期）机理新 拌 混 凝 土 中 水 泥 浆 体 中 含 有 丰 富 的 碱 组 份（如 、（） 等），这 些 碱 组 份 使 得 混凝土孔溶液中初始碱度 较 高（ 值 大 于 ）， 钢筋表面会形成致密钝化膜，使得腐蚀侵蚀降低到 可以忽略的程度。 只要钝化膜持续存在，腐蚀就难以发生。 当混凝土投入使用以后，大气中的 不断向混凝土内部扩散，并与其中碱组份发生反应，使 值下降，这 便 是 混 凝 土 的 碳 化 过 程。 随 着 碱 性 的降低，钢筋表面的钝化膜就难以维持稳定，而逐渐 脱钝。脱钝后混凝土中的钢筋的锈蚀是一个电化学过（），在 阳 极 区 发 生 氧 化 反 应：程图 ；在阴 极 区 发 生 还 原 反 应： ；阳极区释放的电子通过钢筋流向阴极区，同时生 成 向 四 周 迁 移 扩 散，与 阴 极 区 生 成 的第一作者：高阳，男， 年出生，硕士研究生。：收稿日期： 高 阳，等：钢材在碱性条件下腐蚀性能的试验研究 反应： （） 。钝化膜的存在实质上阻止了空气中的氧气和水的渗入，使得腐蚀反应无法发生。 短期内，混凝土中的钢 筋能得到较好的保护，但随着钝化膜的逐渐破坏，钢 筋的腐蚀就会发生。不同的存储钢材的环境（表 ）。 以 水作为溶剂，添 加 不 同 量 的 （强 碱 性 ）， （弱酸 性，以 下 简 写 为 ）等 溶 质 以 调 解 值，并且在 溶 液 表 面 覆 盖 一 层 植 物 油 作 为 保 护 层。 根据文献可知溶液中酸碱度存在如下关系：（ ）（ ） 值与 的物质量浓度之间满足： （ ）（）（）结合式（）、式（），溶 剂 的 体 积 及 的 摩尔质量可 推 算 出 试 验 中 给 定 下 需 添 加 质量的理论公式：（）（ ） 图钢筋电化学腐蚀原理由式（）可以直接算出、 时所需 分别为，实际操作过程中所加的 依 次 为 ，用 精 度 为 的 试纸校核发现，实测 与设定的 值误差较小， 可忽略不计。碱性湿法护钢试验研究酸碱环境储钢试验基于上述的抗 腐 蚀 原 理，本 文 从 调 解 值 和保护各组试验环境免受外界破坏两个层面设计 组表钢块腐蚀情况对比试验条件（溶液 ）组别锈前 锈后 锈前质量 锈后质量 净增 锈蚀率水 水 油层 油层 油层 油层 室外结果与分析通过观测发现，处于强碱环境下的钢块几乎无 腐蚀现像发生，、 三 组 呈 现 出 与 试 验 前 钢 块一样的银白色，说明钢块在强碱环境下，其表面形 成了一层钝 化 膜，有 效 阻 止 了 电 化 学 腐 蚀 的 发 生。 部分试验后的效果见图 图。加 条件下钢块锈蚀效果（）图 组溶液在试验后期有少量赤褐色的铁锈生成，表明溶液 与空气中 已发生反应，使 得溶液 值降低到不足以维持钝化膜的稳定。 由 文献可知，当 低于 时，钝化膜开始破坏； 而 未 见 铁 锈 生 成，这 表 明 溶 液 表 面 加 油 层 可 以图 纯水条件下钢块锈蚀效果（） 与 溶 液 发 生 反 应。 在 纯有效地阻止 空 气 中 的 水中及弱酸潮湿环境中的钢块 、，其表 （），防火与防腐度是影响钢材锈蚀率的重要因素。图 时钢块锈蚀效果（）面呈现赤褐色及黑褐色，说明在此种情况下钢材的腐蚀比自然环境下更严重。 各组试验后净增量及锈蚀率如表 所示。 其中锈蚀率 由式（）表示如下： 无油层保护； 有油层保护图锈蚀率随 变化曲线强碱环境护钢试验由上述试验可知，与外界空气隔绝的强碱环境 是储存钢材的最佳环境。 为了进一步探究经强碱环 境储存后钢材投入使用后，在自然环境下的抗腐蚀 性能，本文设计一组强碱环境（分组见表），将钢块 投入密闭强碱环境中储存，取出置于自然环境 下存放约两个月，定期测量钢块质量的变化，其变化 曲线如图 图 所示。（）对比各组试验效果及表 中的锈蚀率变化关系曲线如图 所示，可 知：钢 材 存 储 环 境 的 越 低， 锈蚀情况越严重，且覆盖油层的 组相比同条件下 无油层覆盖的 组腐蚀要轻微；对比 、 可 以看出，储存环境的湿度对钢材腐蚀影响较大。 可 见，储存环境的 值、与空气接触情况、环境的湿表自然环境下锈蚀率随时间的变化时间试件组 值图 的溶液中取出的钢块在空气中质量变化曲线图 的溶液中取出的钢块在空气中质量变化曲线由图 图 可知，在自然环境下， 钢块的质量将有较大幅度下降，这是因为钢块从碱性溶 液中取出时带出少量溶液，较为湿润，随着存放时间 的增加，表面的水份逐渐挥发到空气中，致使各钢块质量快速减少。 随后，由于各钢块质量与空气发生氧化反应最 终 均 呈 现 出 缓 慢 增 加 的 趋 势。 从 图 、图 可以看出，当溶液 值较高时，钢块的质量在几 乎 保 持 不 变，呈 现 出 在 碱 性 溶 液 中 储 存 时一样的银白色（图），随后钢块开始出现不均匀 的锈蚀，质量缓慢增加。 随着 值的降低，质量增 加开始变快，由图 可以看出， 组中，内钢结构 年第 期第 卷总第 期高 阳，等：钢材在碱性条件下腐蚀性能的试验研究正比，所以 组的钢块钝化膜最先破坏完全，锈蚀最早发生。 根据文献可知，溶液中钝化膜稳定存在的必要条件是 大于， 组溶液 仅为，钢块并没有在碱性溶液中形成钝化膜，所以取出 之后 组钢 块 已 经 开 始 锈 蚀，随 后 在 空 气 中 由 于 得不到有效的保护，锈蚀一直在发生，质量曲线变化 较快。 由 式 （）可 以 计 算 出 各 组 钢 块 在 ， 中 的 锈 蚀 率。 各 组 锈 蚀 率 变 化 对 比 曲 线见图。图 的溶液中取出的钢块在空气中质量变化曲线； 图自然环境中钢块锈蚀率变化对比曲线图 的溶液中取出的钢块在空气中质量变化曲线控制钢材腐蚀的方法比较目前，钢材防腐蚀方法主要有：钢铁的磷化防腐法，金属镀层防腐法，油漆涂料防腐法，外加电流阴质量几 乎 没 有 变 化， 后 质 量 开 始 明 显 增 加，而 时（图 ），质量变化曲线变 得 越 来 越 陡 峭，储存时间不足时，质量便开始增加。 极保护防腐法以及牺牲阳极防腐法。磷化防腐是指用磷酸锰盐或磷酸锌盐进行磷化在钢材表面形成两种磷化膜层以达到保护钢材的功 效。 磷化防腐蚀效果明显，但是施工工艺十分复杂， 主要工序就达到 种，对钢铁表面处理要求严格， 磷化中用磷酸盐进行钝化会带来严重环境污染和废 水处理问题。金属镀层防腐包括镀镍、镀锌、镀铝等。 与磷化 防腐一样，金属镀层施工工艺也很复杂，在施工过程 中若温度不均匀或镀前钢件处理不好，导致镀层粗 糙或剥落，对环境的影响也较大。油漆涂料防腐法是在产品表面涂刷涂料、镀覆 比钢材更耐腐蚀的镀层，使之与腐蚀介质隔离达到 防护目的。涂料外加电流阴极保护和牺牲阳极防腐法都属 于电化学保护法，即通过改变金属的电位，使其极化 到金属电 位 图 的 免 腐 蚀 区 或 钝 化 区，从 而 降低金属腐蚀的一种方法。 电化学方法的最大弱点 就是安全性能较差，因为其在投用时需要外加电流， 若输出电压过高，就有可能打出电火花，如果该区域图 在大气中储存的效果结果与分析由 中的 试 验 不 难 得 出， 中 钢 块 从 强碱溶液中取出后表面覆盖了一层钝化膜，钝化膜 的存在使得钢块投入到空气中后仍然能够阻止外界 空气与钢块表面直接发生氧化反应而引起锈蚀现象 的发生，所以 中钢块 在 前 期 质 量 几 乎 不 发 生变化，但后期钝化膜遭受空气侵蚀开始破坏，钢块 上钝化膜最先破坏完全的表面开始锈蚀引起质量的 增加。 其中 组中的钢块锈蚀发生比 、 中要 早，这说明钝化膜的厚度与 溶 液 中 值 的 大 小 呈 （），防火与防腐又恰恰有易燃易爆物就有可能酿成安全事故，所以这种方法需要在安全管理上有较大的投入。与上述方法相比，碱性湿法护钢防腐法的经济 性、环保性及可操作性都有较大优势。 市面上，配置 碱性环境所需的 的价格较低，比劣质防护油 漆都要低，如 果 将 换 成 石 灰，其 成 本 还 有 进 一步降低的空间。 碱性护钢也是十分环保的，防护 后的溶液废弃物不会造成环境的污染。 防腐法是比 较成熟的方法，其在工业上有大量的运用，而碱性护 钢现阶段只是一个试验模型，其投入使用后在施工 工艺上有待进一步的发展和完善。 而且该法主要是 针对存储阶段的钢材进行保护，对于其投入使用后 的防腐蚀问题，应集中在如何更好地保护在存储阶 段就已形成的钝化膜上面。研究。）常见防腐 蚀 方 法 在 经 济 和 环 保 上 都 存 在 一 定缺陷，在这两方面，碱性湿法护钢具有优势，宜尽 快形成施工工艺，进而推广使用。参考文献 葛燕，朱锡昶 混凝土中钢筋的腐蚀 与阴极保护 北京：化学工业出版社， 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测北京：科学出 版 社， 王立成 氯盐环境条件下混凝土氯 离 子 侵 蚀 模 型 及 其 研 究 进展水运工程，（）： ， ，（）： ， ， ，（）： 结 语）强碱环境下，由于钢材形成钝化膜，能较好 地保护钢材，而在纯水、酸性环境下，钢材腐蚀情况 比自然状态更为严重。）钝化膜容易被氧化，当其赖以存在的碱性环 境遭到破坏时，钝化膜也会随之破坏，故对碱性环境 进行覆盖油层保护能较好地防止钝化膜过早破坏。）由于钝化膜短期保护作用，碱性环境存储后 的钢块投入到空气中后，抗腐蚀性能有所改善，其钝 化膜的厚度与碱性溶液的 值大小有关。 关于钝 化膜的成分以及 值钝化膜厚度的定性分析亟待 曹楚南 腐蚀电化学原理 北京：化学工业出版社， 国家机械工业委员会 化学基础知识 北京：机械工业出版社， 李异 环保型钢铁酸 法 氧 化 防 锈 工 艺 的 研 究 电 镀 与 保护，（）： 东南大学，天津大学，同 济 大 学，等 混 凝 土 结 构 设 计 原 理北京：中国建筑工业出版社， ： ， 杨鸣皋 金属结构及建 筑 物 防 腐 防 水 技 术 北 京：中 国石化出版社，（上接第 页）刚度的屈服和破坏。 结果显示，几何初始缺陷在屈摘 要：局 部 屈 曲 显 著 影 响 薄 壁 受 压 构 件 的 性 能。局部屈曲将会引起薄壁构件失去轴向受压刚度，并 导致受压承载力显著降低。 用有限元模拟薄壁工字 型和箱型截面压杆的屈曲后效应，并考虑了构件几 何初始缺陷和材料非线性影响，给出了局部屈曲后 应力发展和应力重分布、荷载作用下开始屈服和屈 服发展的详细计算。 详细介绍了构件截面平面