通过在实验室建立潮湿和湿热两种大气环境，对纯铁和碳钢在模拟大气环境中初期腐蚀行为进行研究。尽管对碳钢和耐候钢在大气环境中形成的锈层的结构、组成以及生长动力学了解较多，但对初期的腐蚀行为了解得并不多。耐候钢相对于碳钢来说，有较好的耐大气腐蚀的性能，其原因是在表面形成了一层致密的氧化层，阻碍了腐蚀介质的进入。在含SO2的污染大气中，SO2可促进锈层状态的转变。......
2023-06-22
如何防护钢材腐蚀？-土木工程材料
【摘要】：钢材在大气中的腐蚀实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用的结果。耐候钢的强度级别与常用碳素钢和低合金钢一致，技术标准也相近，但其耐腐蚀性的能力却高出数倍。覆盖法防腐它是把钢材与腐蚀介质隔离开来，以达到防腐目的。
1.钢材腐蚀的概念
钢材表面与周围介质发生作用引起破坏的现象叫作腐蚀（或锈蚀）。腐蚀的结果是使构件的截面积减小，从而降低承载能力。而局部腐蚀会造成应力集中，从而使结构破坏。构件若承受冲击荷载或反复变化荷载的作用，会产生腐蚀疲劳，从而大大降低钢材的疲劳强度以及塑性、韧性等力学性能，甚至出现脆性断裂。钢材的腐蚀现象普遍存在，根据钢材与环境介质作用的原理，腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。
（1）化学腐蚀
钢材与周围介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫、水和氯气等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物使钢材损坏的现象称为化学腐蚀（Chemical Rust）。其实质是氧化反应，在钢材表面生成相应的氧化物、硫化物、氯化物等。当周围环境干燥时，化学腐蚀的速度缓慢；但当环境的温度较高、湿度较大时，化学腐蚀的速度大大加快。
化学腐蚀的特点是只有单纯的化学反应，在反应过程中没有电流产生，腐蚀过程的产物生成于发生反应的钢材表面。例如，热轧时在钢材表面形成的氧化铁皮。
（2）电化学腐蚀
钢材内部是由不同的晶体结构组织组成，并含有杂质，它们的电极电位是不同的。根据微电池原理，当有电解质溶液（如水）存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池，如图7.13所示。
钢材是由铁素体和渗碳体两相组成的，铁素体的电极电位比渗碳体的电极电位低，在潮湿空气（或水）中，钢材表面形成一层液膜（电解质溶液），两相组织互相接触而导通，形成微电池，铁素体成为阳极从而被腐蚀。整个电化学腐蚀（Electrochemical Rust）过程如下：
图7.13 碳钢电化学腐蚀示意图
1—电解质溶液；2—铁素体；3—渗碳体
水是弱电解质溶液，但溶有CO2的水则成为有效的电解质溶液，加速了电化学腐蚀的过程。钢材在大气中的腐蚀实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用的结果。其中，以电化学腐蚀为主。
2.钢材的防护
由上述分析可知，钢材的腐蚀既有内因（钢材品种），又有外因（环境介质）。要防止或减少钢材的腐蚀，可以从三个方面考虑：改变钢材自身的易腐蚀性；隔离环境中的侵蚀性介质；改变钢材表面的电化学过程。钢材的防护方法有：
（1）采用耐候钢
耐候钢是在碳素钢和低合金钢中加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素经冶炼而成。这种钢在大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐保护层膜，起到耐大气腐蚀的作用，同时又保持了钢材良好的焊接性能。如武汉钢铁集团公司为援建坦赞（坦桑尼亚和赞比亚）铁路而研制的耐候钢种16MnCu，耐非洲热带雨林气候腐蚀性能很好。耐候钢的强度级别与常用碳素钢和低合金钢一致，技术标准也相近，但其耐腐蚀性的能力却高出数倍。
（2）覆盖法防腐
它是把钢材与腐蚀介质隔离开来，以达到防腐目的。方法有：
①金属覆盖。根据电化学腐蚀原理，用耐蚀性好的金属以电镀或喷镀的方法覆盖一层或多层在钢材表面上，提高钢材的耐腐蚀能力。如镀锌（白铁皮）、镀锡（马口铁）、镀铜或镀铬等。根据防腐作用原理分为阴极覆盖和阳极覆盖。
②非金属覆盖。在钢材表面覆盖非金属材料作为保护膜（隔离层），使之与环境介质隔离避免或减缓腐蚀。常用的非金属材料有油漆、搪瓷、合成树脂涂料等。
油漆通常分为底漆、中间漆和面漆，它们的作用是不同的。底漆要求与钢材表面有比较好的附着力和防锈能力；中间漆为防锈漆；面漆要有较好的牢固度和耐候性，以保护底漆不受损伤或风化。
3.混凝土用钢筋的防锈
正常情况下，混凝土中的pH值约为11，这时可在钢材表面形成碱性氧化膜（钝化膜），从而保护钢筋不被腐蚀。一旦混凝土碳化后，由于碱性降低（中性化），就失去对钢筋的保护作用；若混凝土中的氯离子达到一定浓度，会严重破坏钢筋表面的钝化膜。
为防止钢筋锈蚀，应保证混凝土密实和钢筋外面的混凝土保护层的厚度，在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，限制含氯盐外加剂掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂。对预应力混凝土，应禁止使用含氯盐的集料和外加剂。钢筋涂覆环氧树脂或镀锌也是一种有效的防锈措施。
4.钢材的防火
钢材虽是不燃性的材料，但是抵抗火灾的能力是有限的。因为随着温度的升高，其性能会发生变化。试验数据表明，无保护层时，钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露的钢梁其耐火极限为0.15h。温度在200℃以内，钢材的性能基本不变化；在300℃以上，弹性模量、屈服点和极限强度都开始下降，应变急剧增加；达到600℃时已失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，延缓钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆包裹钢结构件。
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