1、钢铁腐蚀与钢结构防护系列问答（2）洪乃丰:钢铁腐蚀与钢结构防护系列问答(2)钢铁腐蚀与钢结构防护系列问答(2)洪乃丰(中冶集团建筑研究总院北京 100088)SERIESOFQUESTIONSANDANSWERSTOCORROSIONOFIRONSTEELANDPROTECTIONOFSTEELSTRUCTURE(2)HongNaJfeng(CentralResearchInstituteofBuildingandConstruction,MCCGroupBeijing100088)6 怎样理解金属“电位“ 的概念与术语 ?表 1 给出了主要金属的电化学电位序,可以看出,不同金属的“电位 “也
2、不同.“电位“是涉及金属腐蚀的重要概念 ,同时又有非常广泛的使用意义.“电位 “的含义 .如图 4 所示 ,铁浸在溶液中,铁的表面存在一个“双电层 “,这个“双电层“的正极是溶液中紧靠铁表面带正电的铁离子.而负极是留在铁表面上的电子(带负电).这个 “双电层“的电位差就定义为在此条件下铁的“绝对电位“. 很可惜.科学发展到现在 ,这个“ 绝对电位“还是无法测量的.于是.人们设想出测量其“相对电位“ 的办法. 那就是把氢与氢离子所构成的双电层的“绝对电位“ 定义为零值(实际值并不知道.但在标准条件下,这个值是固定不变的),然后用氢的“绝对电位“ 与铁 (或其他金属) 的“ 绝对电位“做“比较 “
3、.凡高于氢的 “绝对电位“者(大于零)为正值,相反为负值.这洋.就像人们先定义一把尺的长度(如 lm),再用这把尺子度量那些未知的长度一样.以标准氢电极作为标准,来测量那些未知“绝对电位 “值,所测得的是一个相对比较值.但它已经能够达到区分不同金属“双电层“ 表征的目的 .此相对比较值(表 2)就是通常所说的某金属的电化学电位,简称电位.实际中,氢电极是难以在现场使用的,于是就出现许多类型的“参比电极 “(表 2),以便用于各种场合下测量不同金AA图 4 双电层示意双电层属的电位值.常见的有甘汞电极,氯化银电极,饱和硫酸铜电极,金属铂电极等.在标准条件下,这些电极都有固定的电位值(与氢电极比较
4、), 可以用这些参比电极进行测量,并可换算成氢电极比较电位.通常不换算时,必须注明所用参比电极的种类.表 2 常用参比电极的电极电位种类电位/v标准氢电极甘汞电极(饱和)甘汞电极/(1tool?L)甘汞电极/(o1mol?LI1)银/氯化银电极铜/硫酸铜电极(饱和)O+O241+0283+0336+0.288+0318钢铁处在不同的介质中,其电位值也不一样.一般说来,电位负值越高,表明其腐蚀活性越大.因此,可以用测量电位的方法,预测金属(包括钢铁)的腐蚀情况.7 气候与钢铁腐蚀的关系如何?我国东南部地区大都处在重腐蚀区内.就温度与腐蚀的关系而言,有资料表明,温度每升高 1O,钢铁的腐蚀就增加
5、1 倍.而湿度与腐蚀的关系更为密切.图 5 表明了钢铁腐蚀与相对湿度(RH)的关系,可以看出,低相对湿度(如60%)时,钢铁不腐蚀或腐蚀速度很低;当 RId 在 90%98%范围内 ,钢铁腐蚀速度最快.大气污染严重的区域,也往往是腐蚀的“重灾区“. 二氧化硫 ,氮氧化物,粉尘,酸雨等都能够大大加速钢铁和其他金属的腐蚀.8 钢试片半浸在水中,为什么“水线“ 部分最容易腐蚀 ?这在实际中有何重要意义?这是一个常见的现象,也是一种重要的腐蚀类型.解释这种现象,还需要由“腐蚀电池 “说起.我们知道,出现阴 ,阳作者:洪乃丰男 1938 年 1 月出生教授级高工收稿日期:20030825SteelCon
6、struction.2003(6),Vo1.18,No.6865钢结构防护图 5 钢铁腐蚀速度与相对湿度(RH)的关系示意极和电位差是构成腐蚀电池的必要因素.而造成阴,阳极和电位差的条件是多种多佯的.水线腐蚀现象,是由于氧的“浓差电池“ 造成的 .在大气中氧是丰富的 (浓度高), 而一旦进入水中,氧只能以溶解的形式存在,而水中溶解氧的含量是很低的.这样,水线上下,氧的浓度陡然变化,出现明显的“浓差 “.钢试片接近水线上侧部分,处于富氧状态,使钢表面的电位偏正向(电位高).而钢试片接近水线下侧部分,由于氧的浓度突然降低,使钢表面的电位偏负向(电位低).这样在水线附近就出现了所谓的“浓差电池“.
7、富氧区为阴极 ,而钢试片接近水线下侧部分,作为阳极而遭受腐蚀,通常叫做水线腐蚀.“浓差电池“ 不仅仅由氧造成.其他“介质“的浓差也可造成.因此具有普遍意义.而水线腐蚀现象,在实际中也是广泛存在的.半浸于水中的钢结构,混凝土中钢筋都可能存在此现象.因此,水线部位是防腐蚀的重点区段.推而广之,处在土与大气交界面,地下水界面附近的基础设旋,建(构) 筑物(钢,钢筋等) 也会产生氧的“ 浓差电池 “.这些部位,还常常受到“干湿交替 “的作用工程设计,旋工和使用维护人员,应该理解和重视此现象,对这些“特殊“ 部位重点保护.9 为什么海水环境中的钢桩不同部位腐蚀不一样?在世界上,海洋环境与海水是最具有腐蚀
8、性的自然条件.海水,海风,海雾均含有大量盐分,而盐分是最具有腐蚀性的介质之一.我国具有漫长的海岸线和众多岛屿,我国海洋开发和大规模跨海桥的兴建,包括港口码头,跨海大桥等已经和正在大量使用钢结构和钢桩的重要基础设施(要求50100 年的使用寿命),都将经受海洋环境与海水环境腐蚀的考验.图 6 是钢桩在海水环境中,不同区段腐蚀速率分布的示意.可以看出,腐蚀速度最快的是浪溅区,其次是潮差区,再次是浪溅区以上(410m)的大气区段,而海水中和海底泥土中,腐蚀速度反而是最小的.用“ 水线腐蚀“ 可以解释浪溅区 ,潮差区腐蚀严重的原因,而水中腐蚀速度小可以理解为:腐蚀需要几个条件 (上面已有阐述),其中之
9、一就是需要氧气的参与.大气中大约含有 21%的氧气,而在水中,溶解氧的量相对来说就低了很多.搅动的海水(深度 020m)含氧达到饱和状态时,其含腐蚀速率图 6 钢桩在海水环境中不同区段腐蚀速率分布示意量也只有 510mL/L 更深处的水,其氧含量更低:由于氧的缺少,腐蚀反应就快不起来,这就是深水中腐蚀慢的原因.虽然海水中含有大量盐分,但在水下部分的腐蚀速度仍然是较小的:钢桩处在潮差区,特别是飞溅区时,这里氧的供给是充足的,由于干湿交替.盐分被浓缩,又有足够的水分参与,腐蚀条件最为充分,因此,腐蚀速度也就最快.可见,氧气在腐蚀过程中起着非常重要,乃至关键作用:为了进一步描述氧的作用,下面再就图
10、7 进行解释:该图描述了钢在不同浓度的盐水中的腐蚀速率.按常规的想法,盐的浓度越高,似乎钢的腐蚀速度越快,其实不然.为什么高浓度的盐水中,钢的腐蚀速度反而低?主要是随着盐浓度的提高.溶解氧的浓度下降.因此腐蚀速度也下降:由图 7 可以看出,在通常大气条件下.3%6%的 NaCI 水溶液的腐蚀性是最强的.一般做腐蚀试验,常用 3%5%的 NaCI 水溶液是有道理的.海水含盐量为 3%3.5%,因此具有强腐蚀性NaC1 含量图 7 在不同浓度的盐水溶液中钢腐蚀速率的示意冬季为融雪向路,桥上撒的氯盐或盐水.被雪水稀释成低浓度盐溶液,对于金属结构,管道,钢筋混凝土等均有很强的腐蚀性.有人曾用钢试验片浸泡在高浓度的氯盐融雪剂中,以检验其腐蚀性,得出结论是这种融雪剂的腐蚀性小(其实是溶解氧减少的结果).在此试验条件下.氯盐浓度已经不起主导作用,因此,用这种试验方法检验,比较氯盐融雪剂的腐蚀性,就很值得商榷了金属(钢铁 )腐蚀是多种因素作用的结果,了解和掌握这些因素,对工程设计,施工,维护,管理人员是十分必要的:I 待续)66 钢结构 2003 年第 6 期第 18 卷总第 68 期静耋墼
