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第8章 钢结构锈蚀事故 钢结构纵然有许多的优点，但生锈腐蚀是一个致命的缺点。国内外因锈蚀导致的钢结构事故时有发生。生锈腐蚀将会引起构件截面减小，承载力下降，尤其是腐蚀产生的“锈坑”将使钢结构的脆性破坏的可能性增大。再者，在影响安全性的同时，也将严重影响钢结构的耐久性，使得维护费用昂贵。据有关资料统计，世界钢结构产量约十分之一因腐蚀而报废，据某些先进工业国家对钢铁腐蚀损失的调查，因腐蚀所损耗的费用约占总生产值的2%～4.2%。我国台湾仅1987年钢结构和建筑工业防腐费用约为30～40亿新台币，其中涂层维护费占62.55%。因此，开展钢结构锈蚀事故的分析研究有重要意义。 8.1 锈蚀的类型 通常，我们将钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏过程称为“腐蚀”，有时也叫“钢材锈蚀”。钢材锈蚀，按其作用可分为以下两类： （1）化学腐蚀 化学腐蚀是指钢材直接与大气或工业废气中含的氧气、碳酸气、硫酸气或非电介质液体发生表面化学反应而产生的腐蚀。 （2）电化学腐蚀 电化学腐蚀是由于钢材内部有其他金属杂质，具有不同电极电位，在与电介质或水、潮湿气体接触时，产生原电池作用，使钢材腐蚀。 实际工程中，绝大多数钢材锈蚀是电化学腐蚀或化学腐蚀与电化学腐蚀同时作用。 8.2 腐蚀的机理及影响因素 8.2.1电化学腐蚀的机理 钢材的电化学腐蚀是最重要的腐蚀类型，简单来讲是指铁与周围介质之间发生氧化还原反应的过程。腐蚀的原因与钢材并非绝对纯净有关，它总是含有各种杂质，其化学组成除铁(Fe)外，还含有少量其它金属(如Mn，V,Ti)和非金属(如Si，C，P，S，O,N)元素并形成固溶体、化合物或机械混合物的形态共存于钢材结构中。同时，还存在晶界面和缺陷。因此，当钢材表面从空气中吸附溶有C02，02或S02的水分时，就产生了一层电解质水膜，这层水膜的形成，使得钢材表层的不同成分或晶界面之间构成了千千万万个微电池，称为腐蚀电池。此时，铁按图8.1模式和下列方程式反应。 图8.1 电化学腐蚀示意 阳极：(放出电子，氧化反应) Fe→Fe2++2e- 40H→O2+2H2O+4e- 阴极：(接收电子，还原反应) O2+2H2O+4e-→4OH- 2H++2e-→H2 整个腐蚀过程由阳极和阴极反应构成。结果生成的氢氧化亚铁Fe(OH)2以下列方程式沉积于钢材表面。 2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2 在富氧条件下，Fe(OH)2又进一步被氧化成氢氧化铁Fe(OH)3： 4Fe(0H)2+02+2H20→4Fe(OH)3 Fe(OH)3脱水后变成疏松、多孔、非共格结构的Fe2O3(红锈)： 4Fe(0H)+6H2O→Fe2O3 钢材中的Fe变成Fe2O3体积膨胀4倍。在少氧条件下，Fe(OH)2氧化不很完全的部分形成Fe3O4(黑锈)，其体积约膨胀2倍。 8.2.2不同环境下的腐蚀机理及因素分析 一．大气腐蚀 钢材暴露在大气环境条件下，由于大气中水和氧等物质的作用而引起的腐蚀，称为大气腐蚀。 1．机理 腐蚀反应为 Fe+2H20＝Fe(0H)2+H2 2Fe(OH)2+O2+H2O=2Fe(OH)3 腐蚀特点与完全浸没在电解液内的腐蚀过程有所不同，因大气腐蚀的钢材表面含水分，相对湿度达70%时，还会在钢材表面结露，因此，使得上述反应易于进行。 2．影响因素 （1）湿度。湿度是决定大气腐蚀类型和速度的基本因素，相对湿度达60％(临界 湿度)以上时，铁的腐蚀急速增加。湿度越大，一般大气的腐蚀性越强。 （2）降水量。雨水的冲刷从冲掉腐蚀介质而言，起有利作用；但雨水又能破坏腐蚀产物的保护层，促进腐蚀的进行。 （3）温度。日气温变化越大，腐蚀越严重。 （4）日照量。日照使钢材保护层涂料老化，起间接的破坏作用。 （5）大气污染物质。大气中若存在SO2、海盐粒子、固体尘粒，则腐蚀加重。因此，一般来说工业区腐蚀最严重，沿海地区次之，而内陆无污染工业的地区腐蚀最小。 3．防治措施 （1）采用耐蚀钢材。如掺铜、铬、镍等合金组合的低合金钢，耐蚀性较好。 （2）使用涂层和金属镀层保护。 （3）降低大气湿度。降低大气湿度的措施很多，如钢结构构造设计、防止缝隙中存水、除尘、加入吸湿剂、空调等等。 二．淡水腐蚀 指不含盐、碱和酸等水的腐蚀。腐蚀机理原则上讲，与大气腐蚀相同。 重要影响因素有温度、氧气浓度和水流。淡水中常溶解有钙、镁等矿物，其含量高时，称为硬水。在硬水中，钢材的腐蚀速度有所减慢，因为碳酸钙等沉积在钢材表面会阻碍氧气通过，因而使腐蚀减慢。 三．酸腐蚀 1．腐蚀机理 在非氧化性酸中(盐酸、稀硫