海洋环境下钢结构的腐蚀机理

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1、海洋环境下钢结构的腐蚀机理1海洋环境下钢的电化学腐蚀机理所谓海洋环境是指从海洋大气到海底泥浆这一范围内的任一种物理状态，诸如温度、风速、日照、含氧量、盐度、PH值以及流速等，一般可分成性质不同的几种类型:海洋大气区、浪溅区、水位变动区、全浸区以及泥下区。钢结构在海洋环境的五个区域中都有电化学腐蚀发生，这个电化学腐蚀过程与电解质电池反应相同，构成这种反应的三个要素是阳极、阴极及导电解质。钢铁是铁元素和渗碳体的混合物，铁元素的电位较低，渗碳体的电位较高，电位不等的两种元素在电解质溶液的作用下，构成了以铁元素为阳极，渗碳体为阴极的微电池网络，产生电流。在阳极区，由于极性

2、水分子的作用，铁素体被析出，呈自由状态的铁离子因而进入溶液，这就是金属的活性溶解过程。在阴极区，由于电位差的作用，阳极区的电子经钢铁本体流到阴极，被溶液中的某些物质所吸收。在通常情况下，即溶液的PH值大于4时，表现为氧的还原;当溶液的PH值小于4时，则表现为氢的析出:阳极产物铁离子与阴极产物氢氧根离子相结合，生成初步的腐蚀产物氢氧化亚铁而沉淀，氢氧化亚铁进一步为溶液中的氧所氧化，转变为氢氧化铁(即铁锈)。氢氧化铁的溶解度较小，呈疏松的薄膜状包裹于钢铁的表面，有一定的保护作用，但抗渗能力很弱，性质不稳定，当溶液中有充足的氧气供应时，则腐蚀过程一直进行，直至钢铁成为铁

3、锈为止。2海洋环境下钢腐蚀的热力学机理钢发生腐蚀是由它本身的性质所决定的。任何一种元素，包括金属元素和非金属元素在自然界都有一种最稳定状态，即能量最低状态。如果用某种方法，例如通过化学法或电化学法改变元素的状态，使其成为较高能量状态，则该元素具备了一种恢复到稳定态的能量，一旦条件合适便自发地回到原来状态，这就像水总是要流到最低处，即能量最低状态一样。如果把水用某种方法提到较高的位置，则水便具备了一种回到原来状态(低处)的能量(势能)，一旦条件合适，水便自发的从高处流向低处，恢复到原来的状态。钢是由铁制成的。而铁是在高炉中用焦炭中的碳对赤铁矿(Fe2O3)还原而得到

4、的。铁锈是铁氧化物的水合物，其成分类似于赤铁矿，从而可以解释在大多数情况下钢为何容易生锈，可以认为这个生锈的过程就是形成钢铁原始矿石的自然反应。由于自然界的矿石更为稳定，因此钢有转变为其原始状态的趋势。这种腐蚀过程热力学计算的反应趋向与化学系统的平衡态以及所发生的能量变化有关，这个过程的反应方向也可以用热力学上的吉布斯自由能判据来描述。3典型海洋环境从海洋大气到海泥的不同海洋环境区域，各种环境因素变化很大，对钢结构的腐蚀作用也有所不同，对整体钢桥的危害也不同，主要的影响因素有:阴、阳离子组成及含量、充气种类及其饱和度、生物活性影响、温度变化、海水流速、海域环境污染

5、、PH值的大小、海域的天然环境和变化等。3.1钢结构在大气区的腐蚀海洋大气是指海面飞溅区以上的大气区和沿岸大气区，在此区域中主要含有水蒸气、氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫以及悬浮于其中的氯化盐、硫酸盐等，它具有比普通大气湿度大、盐分高、温度高及干、湿循环效应明显等特点。由于海洋大气湿度很大，水蒸气在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下，附着在钢材表面上形成一层肉眼看不见的水膜，CO2、SO2和一些盐分溶解在水膜中，使之成为导电性很强的电解质溶液。由于钢材的主体元素铁和微量元素碳等元素的标准电极电位不同，当它们同时处于电解质溶液中时，就形成了很多原电池，铁作为

6、阳极在电解质溶液(水膜)中被氧化而失去电子，变成铁锈。这一过程的反应速度取决于相对湿度、温度、降水量以及大气组成、含盐量、灰尘、大气污染等因素，这一点与内陆大气环境下的腐蚀是相同的。但由于海洋大气环境相对湿度较大，水膜较厚，含盐量较高，水膜电解能力更强，同时海洋大气环境中的钢结构，白天经日光照射，水分蒸发提高了表面盐度，晚间又形成潮湿表面，这种干湿循环使得腐蚀速度大大加快。此外水膜中溶解的其他物质，如氧气、二氧化碳、二氧化硫及另外一些氯化物和硫酸盐也沉积在钢材表面，一方面，盐分在水膜中溶解，二氧化碳和二氧化硫使水膜呈酸性，提高了水膜的导电能力;另一方面，氯离子有穿

7、透作用，它能加速钢材的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。由此可见，海洋大气腐蚀环境远比内陆大气环境恶劣。3.2钢结构在浪溅区的腐蚀海洋浪溅区是指平均高潮线以上海浪飞溅所能湿润的区段。在此区域钢结构表面几乎连续不断地被充分而又不断更新的海水所湿润，由于波浪和海水飞溅，海水与空气充分接触，海水含氧量达到最大程度，浪溅区海水的冲击也加剧材料的破坏。此外海水中的气泡对钢表面的保护膜及涂层来说具有较大的破坏性，漆膜在浪花飞溅区通常老化得更快。对钢铁构筑物来说，浪溅区是所有海洋环境中腐蚀最为严重的部位。据资料研究表明，在浪溅区干湿交替过程中，钢的阴极电流比在海水中

8、的阴极电流