用實(shí)地數(shù)據(jù)幫你選材：不銹鋼與其它建筑常用金屬耐腐蝕性比較

建筑師、業(yè)主、結(jié)構(gòu)工程師和其它選材人員經(jīng)常會遇到金屬材料的選用問題。選材決策需要科學(xué)的數(shù)據(jù)，而不能僅憑經(jīng)驗(yàn)。如果選錯了材料而出現(xiàn)問題，不僅名譽(yù)受損，還要付出高昂的代價來修正。

　　要預(yù)測某種金屬在外部應(yīng)用環(huán)境、土壤或混凝土中的性能表現(xiàn)，需要了解影響腐蝕的各種因素。遺憾的是，較難獲得可靠的不同金屬間的比較性腐蝕數(shù)據(jù)。本文對已公布的比較不同金屬性能及應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)和其它選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)，便于選材人員利用現(xiàn)有的研究成果。

　　大氣腐蝕

　　在選用金屬材料時，必須考慮大氣污染物、風(fēng)攜帶的海水鹽份、除冰鹽、溫度、濕度和降水量等因素。相距不過幾公里的不同地點(diǎn)，可能由于局部污染和風(fēng)向等原因而具有不同程度的腐蝕性。

　　腐蝕需要有雨水、潮濕氣、凝結(jié)水或霧氣等水分存在，才會發(fā)生。因此，干燥的氣候條件腐蝕性較弱。如果設(shè)計方案利用了雨水的自然清洗能力，即便是特別潮濕的氣候條件，腐蝕性也可能較弱。輕微的降雨、高濕度或霧氣帶來的經(jīng)常性的少量水分，與材料表面的腐蝕性沉積物結(jié)合，就會在表面形成一層高腐蝕性的潮濕膜。較高的溫度通常也會加快腐蝕速度。

　　使用環(huán)境

　　使用環(huán)境可分為鄉(xiāng)村、城市、工業(yè)或海洋環(huán)境。在每種環(huán)境中，都存在高、中、低水平的腐蝕風(fēng)險，這些風(fēng)險水平取決于降雨量、空氣溫度、污染和其它因素。在評估任何環(huán)境時，都要考慮所在區(qū)域的未來發(fā)展情況。

　　沒有兩種環(huán)境是完全相同的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和表1所示的指導(dǎo)原則，為污染水平和氣候條件相似的地區(qū)提供了一般性的指導(dǎo)意見。

　　鄉(xiāng)村地區(qū)不受工業(yè)污染、沿海大氣條件或除冰鹽的影響。低人口密度和無污染輕工業(yè)的郊區(qū)也可以歸為鄉(xiāng)村環(huán)境。工業(yè)污染的遷移也會使原本為鄉(xiāng)村環(huán)境的地區(qū)其分類發(fā)生改變。

　　城市地區(qū)的污染水平為輕度至中度，主要來自交通工具和類似的來源，但也可能受到大量除冰鹽的影響。例如居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和輕工業(yè)區(qū)屬城市地區(qū)。

　　工業(yè)地區(qū)存在中度至重度的大氣污染，污染通常是來自火電廠和化工廠的硫氧化物和氮氧化物。煙灰或氧化鐵等顆粒物的存在，會使這類地區(qū)的腐蝕性更強(qiáng)。

　　沿海和海洋地區(qū)通常暴露在鹽霧和干鹽粒的氯化物條件下,濕度水平?jīng)Q定了發(fā)生腐蝕的可能性。在中等至高濕度的條件下，鹽會吸收空氣中的水分在材料表面形成一種腐蝕性的潮濕薄膜，甚至在通常的干燥條件下也如此。高鹽濃度與高環(huán)境溫度和中等濕度相結(jié)合，會形成最具腐蝕性的環(huán)境條件。通常，距海水9公里至18公里的地區(qū)被認(rèn)為存在與氯化物相關(guān)的腐蝕風(fēng)險。海洋環(huán)境若存在腐蝕性工業(yè)污染，則發(fā)生腐蝕的可能性更高。

　　噴灑在街道地面的除冰鹽會污染附近的土壤，并會在道路霧氣和風(fēng)力作用下，遷移到很遠(yuǎn)的地方。人們在距繁忙的高速公路數(shù)百英尺的12層高樓上發(fā)現(xiàn)了除冰鹽。當(dāng)鹽份與中等到高濕度環(huán)境、小雨或霧氣中的水份結(jié)合時，會形成一層腐蝕性潮濕薄膜。暴露在除冰鹽環(huán)境的地區(qū)可能比沿海地區(qū)更具腐蝕性，因?yàn)榍罢叩柠}濃度普遍更高。金屬的性能表現(xiàn)取決于其對氯化物腐蝕的敏感性和清洗的頻率。

　　被遮蔽的外部應(yīng)用環(huán)境（如建筑物屋檐）可能比暴露在外的環(huán)境腐蝕性更強(qiáng)。含有腐蝕性硫化物、海鹽、除冰鹽、氧化鐵和其它污染物的大氣灰塵會在這些區(qū)域聚積。如果不經(jīng)常清洗這些被遮蔽的區(qū)域去除腐蝕性灰塵，而且濕度為中等到高，則這些部位易于發(fā)生腐蝕。

　　大氣腐蝕試驗(yàn)

　　世界各地都進(jìn)行過各種應(yīng)用環(huán)境下的金屬腐蝕性能比較試驗(yàn)。以碳鋼為標(biāo)準(zhǔn)樣品對這些試驗(yàn)地點(diǎn)的腐蝕性進(jìn)行了比較。表2給出了標(biāo)準(zhǔn)樣品在北美試驗(yàn)地點(diǎn)的腐蝕率數(shù)據(jù)。盡管某些地點(diǎn)處于經(jīng)常使用除冰鹽的地區(qū)，但樣品并未暴露于除冰鹽之下。

　　表3至表6的數(shù)據(jù)來自于日本、巴拿馬、Kure 海灘（北卡萊羅納州）和南非的試驗(yàn)地點(diǎn)?？衫眠@些數(shù)據(jù)在類似環(huán)境中選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧?，進(jìn)行生命周期成本分析。

　　以下照片所示的大氣腐蝕試驗(yàn)樣品位于Corrosion Technology公司的LaQue研究中心，它是位于北卡羅萊納州Kure Beach 的國際著名腐蝕研究機(jī)構(gòu)。這些樣品一直暴露在外，僅靠雨水沖洗。除特殊注明外，這些樣品均位于距海洋平均高潮250 米（800 英尺）的地方。

　　土壤的腐蝕

　　影響土壤腐蝕性的因素有很多，包括土壤類型、質(zhì)地、滲透性、礦物成份、氣候、水份、地下水位深度、電阻率、可溶性離子含量、微生物、氧化還原電位和土壤pH值等。通常，腐蝕性最強(qiáng)的土壤是那些pH值最低、氯化物和硫酸鹽含量最高、及排水不良的土壤。通常使用土壤探測棒來評估土壤的腐蝕電位。

　　鑄鐵在多種土壤中使用壽命達(dá)到了100年，但是如果土壤中含有高濃度的有機(jī)分解物質(zhì)、堿、鹽及采礦、工業(yè)及市政垃圾，則會腐蝕鑄鐵。多項研究表明，自20世紀(jì)60年代以來，因腐蝕導(dǎo)致鑄鐵管滲漏的情況呈上升趨勢，這常常與除冰鹽使用量的增加有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)的一些最重要的影響因素包括：電阻率、氯化物含量以及雜散電流。

　　陰極保護(hù)和涂層能夠防止埋地鋼結(jié)構(gòu)的外部腐蝕，但涂層損壞、劣化、缺陷或缺乏有效陰極保護(hù)則會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失效。涂層劣化現(xiàn)象在粘土含量高、有土壤運(yùn)動或沉降的土壤中最常見。高溫或陰極保護(hù)過度，也可能加速涂層的劣化。

　　NIST曾經(jīng)在多種土壤中對未采取保護(hù)措施的不銹鋼進(jìn)行試驗(yàn)。304和316不銹鋼在大多數(shù)土壤中都具有很高的耐點(diǎn)蝕和耐均勻腐蝕性能。在腐蝕性較強(qiáng)（如氯化物含量較高）的土壤中，304不銹鋼易發(fā)生點(diǎn)蝕，但316不銹鋼在包括潮汐沼澤和粘土在內(nèi)的所有試驗(yàn)土壤內(nèi)均表現(xiàn)出良好的耐蝕性。316不銹鋼僅在被海水淹沒的海濱砂土土壤中發(fā)生了點(diǎn)蝕。

　　嵌入混凝土的金屬

　　現(xiàn)在，人們對延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命越來越感興趣。美國技術(shù)評估局認(rèn)為，與腐蝕有關(guān)的鋼筋混凝土橋面板性能劣化是一個“嚴(yán)重的全國性問題。在美國，每年有5000多座橋梁在建或重建，有超過20萬座的橋梁面臨嚴(yán)重的問題。而歐洲、加拿大和美國的州級和國家級公路交通部門組織開展了很多現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室鋼筋試驗(yàn)。

　　美國聯(lián)邦公路管理局進(jìn)行了一項為期5年的研究，旨在找到一種在75至100年內(nèi)不需要進(jìn)行腐蝕維修的鋼筋材料。他們對熱軋棒材、環(huán)氧樹脂涂層棒材、不銹鋼、包銅鋼、鍍鋅鋼和噴涂金屬復(fù)合鋼進(jìn)行了試驗(yàn)。316不銹鋼的腐蝕率比熱軋棒材低800倍。他們得出的結(jié)論是，在因腐蝕造成的損壞很難修復(fù)或修復(fù)成本高昂的地點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮采用316不銹鋼，如交通量較大的停車場、海堤、碼頭、隧道以及橋梁。其它研究得出的結(jié)果與此類似。

　　根據(jù)橋梁的規(guī)模和復(fù)雜程度的不同，采用不銹鋼鋼筋使項目的初期成本增加了1%至20%。但如果將維修成本和交通中斷的成本考慮在內(nèi)，則對于氯化物環(huán)境中的應(yīng)用，不銹鋼在100年的使用壽命中，生命周期成本大大降低。

　　專業(yè)人士所面臨的一項挑戰(zhàn)，是選擇一種金屬和表面處理，它能夠在20年、50年甚至100年的時間里持續(xù)滿足客戶對功能和美觀的要求。必須進(jìn)行仔細(xì)的地點(diǎn)評估，并對現(xiàn)有腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時考慮項目的成本限制、生命周期成本、所要求的使用壽命、維護(hù)和外觀期望。