金屬材料的耐久性

① 大氣腐蝕。鋼和鑄鐵大多數(shù)是在大氣中使用,水汽和雨水會在金屬表面形成液膜并溶入O和CO而成為電介質(zhì)液，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。工業(yè)大氣中含有的各種氣體（特別是SO,常有較高濃度）和微粒也能加劇腐蝕。近海地區(qū)的海鹽微粒，可在金屬表面形成氯鹽液膜而具有很強(qiáng)的腐蝕性。鐵銹的質(zhì)地疏松，不能阻止腐蝕的發(fā)展。因此，廣泛應(yīng)用有機(jī)涂層（主要為油漆）作防護(hù)層，也可用金屬涂層。在鋼中加入少量磷、銅等合金元素，能有效地增強(qiáng)抗大氣腐蝕性能。

混凝土中的高堿度環(huán)境，有助于鋼筋的抗腐蝕能力(pH≥11.5)。如果混凝土存在高滲透性、裂縫、保護(hù)層過薄等缺陷,則CO的侵入可使鋼筋周圍介質(zhì)的堿度降低，當(dāng)pH值降至10以下時,則混凝土的保護(hù)作用將失效。Cl較多時，即使在高堿度的介質(zhì)中也能導(dǎo)致鋼筋腐蝕。常用的防護(hù)方法有：提高混凝土的密實性；使保護(hù)層的厚度符合規(guī)定；不使用對鋼筋有腐蝕性的外加劑，或在使用時加入適當(dāng)?shù)淖桎P劑；所使用的水泥和摻合料能使混凝土硬化后保持一定的堿度;采用聚合物浸漬混凝土,或在混凝土表面涂刷如環(huán)氧樹脂等作防護(hù)層。此外，還可采用鍍鋅鋼筋，或在鋼筋表面浸涂適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)物質(zhì)。具有耐腐蝕性能的鋼筋也在發(fā)展中。

鋁合金是優(yōu)良的建筑材料。鋁在初期受蝕后形成致密而牢固附著的膜層，從而能有效地阻止腐蝕的發(fā)展。應(yīng)用陽極氧化的處理后，更能形成堅硬、耐磨而有光澤的表面層。

② 水中腐蝕。碳鋼和鑄鐵在淡水中的腐蝕,因水中所含物質(zhì)的性質(zhì)和濃度而有差別。海水是良好的電介質(zhì)，并含有高的Cl等物質(zhì),故對碳鋼和鑄鐵有很強(qiáng)的腐蝕作用，必須在有效的保護(hù)下使用。用于海水中的結(jié)構(gòu)件還常選用不銹鋼、銅合金和其他耐腐蝕的金屬(合金)。

③ 土壤腐蝕。不同的土壤對建筑金屬的腐蝕作用差別很大。土壤對金屬腐蝕的性質(zhì)常用測定其電阻值作為指標(biāo)，高電阻的干土壤一般腐蝕性不大。地下構(gòu)筑物，包括管道等，一般都用碳鋼和鑄鐵。

建筑金屬的防腐蝕　除使用各種涂層外，還常應(yīng)用極為重要的陰極保護(hù)法。

陰極保護(hù)法有兩種：①用電位比被保護(hù)金屬(碳鋼)為賤的金屬，例如鎂和鋅,作為陽極,與作為陰極的金屬構(gòu)筑物相連接，則陽極受腐蝕，構(gòu)筑物受保護(hù)。此法適用于閘門、地下容器等有限范圍的物體。②大體積的構(gòu)筑物和地下管道，則適宜用外加直流電流進(jìn)行保護(hù)（見圖）。以石墨或高硅鐵等為隋性陽極接電源正端，以金屬構(gòu)筑物為陰極接電源負(fù)端，施加至少與腐蝕電流大小相等、方向相反的電流，構(gòu)筑物即受到陰極保護(hù)。使用時金屬構(gòu)筑物仍應(yīng)使用保護(hù)涂層，以節(jié)省費(fèi)用。

金屬材料的耐久性陽極保護(hù)法也在發(fā)展中，但在土木建筑工程中尚未應(yīng)用。2100433B

金屬材料在使用過程中經(jīng)受環(huán)境的作用，而能保持其使用性能的能力。由于工程中大量使用的金屬，如鋼材等都易受腐蝕，所以討論耐久性時，應(yīng)該著重研究金屬腐蝕及其防護(hù)方法。金屬的腐蝕使工程構(gòu)筑物的使用期限縮短，并常導(dǎo)致其功能失效而引起事故和造成損害。金屬的腐蝕主要是由于電化學(xué)作用的結(jié)果，在某些條件下，化學(xué)以及機(jī)械、微生物等因素也能促進(jìn)腐蝕。

電化學(xué)腐蝕　在電化學(xué)反應(yīng)中，電介質(zhì)液中的陽極是處于較低電位（賤電位），發(fā)生氧化反應(yīng)，金屬離子進(jìn)入液中，產(chǎn)生腐蝕；電子則由導(dǎo)線流向陰極。陰極是處于較高電位(貴電位),發(fā)生還原反應(yīng)。以鐵為例,其陽極反應(yīng)為Fe→Fe 2e;陰極反應(yīng)為;綜合反應(yīng)為Fe(OH)繼續(xù)與O反應(yīng)生成4Fe(OH),可能脫水成FeO。上述反應(yīng)產(chǎn)物的混合物即為鐵銹。

金屬的電位決定于金屬的本性和所處介質(zhì)的狀況。因此,不但不同的金屬在相同的介質(zhì)中具有不同電位,即或同一金屬（合金），也由于各部分的化學(xué)成分、應(yīng)力狀態(tài)等的差異而具有不同電位。而且，同一金屬由于各部分所接觸的介質(zhì)的組分和濃度的差異，也使各部分的金屬具有不同的電位。所以，建筑金屬的腐蝕，在宏觀和微觀范圍內(nèi)都普遍存在電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)。

在金屬腐蝕的試驗中，常應(yīng)用電化學(xué)方法快速測定相對腐蝕率,如線性極化法就具有較廣泛的應(yīng)用價值,其簡化公式為。由于在腐蝕電位正負(fù)10毫伏以內(nèi)，外加電流Δ與電極電位ΔE呈線性關(guān)系,根據(jù)公式可得腐蝕電流，進(jìn)而換算得金屬的相對腐蝕率。

建筑金屬腐蝕的主要形態(tài)?、倬鶆蚋g。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此，常用年平均的厚度減損值作為腐蝕性能的指標(biāo)（腐蝕率）。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。②孔蝕。金屬腐蝕呈點(diǎn)狀并形成深坑?？孜g的產(chǎn)生與金屬的本性及其所處介質(zhì)有關(guān)。在含有氯鹽的介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕?？孜g常用最大孔深作為評定指標(biāo)。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。③電偶腐蝕。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產(chǎn)生的腐蝕。④縫隙腐蝕。金屬表面在縫隙或其他隱蔽區(qū)域部常發(fā)生由于不同部位間介質(zhì)的組分和濃度的差異所引起的局部腐蝕。⑤應(yīng)力腐蝕。在腐蝕介質(zhì)和較高拉應(yīng)力共同作用下，金屬表面產(chǎn)生腐蝕并向內(nèi)擴(kuò)展成微裂紋，常導(dǎo)致突然破斷?；炷林械母邚?qiáng)度鋼筋（鋼絲）可能發(fā)生這種破壞。

建筑金屬在不同環(huán)境中的腐蝕　建筑金屬大量應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)、鋼筋、管道和板樁等。由于所處環(huán)境不同而有不同的腐蝕和防護(hù)特點(diǎn)。

建筑材料往往要求在環(huán)境和條件差、影響因素復(fù)雜的情況下長期使用，因此它的耐久性就顯得特別重要。它是材料科學(xué)和使用經(jīng)濟(jì)中的一個重大問題。建筑材料在使用中逐步變質(zhì)失效，有其內(nèi)部因素和外部因素。材料本身組分和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定、低密實度、各組分熱膨脹的不均勻、固相界面上的化學(xué)生成物的膨脹等都是其內(nèi)部因素。使用中所處的環(huán)境和條件（自然的和人為的），諸如日光曝曬、介質(zhì)侵蝕（大氣、水、化學(xué)介質(zhì)）、溫濕度變化、凍融循環(huán)、機(jī)械摩擦、荷載、疲勞、電解、蟲菌寄生等，都是其外部因素。這些內(nèi)外因素，最后都?xì)w結(jié)為機(jī)械的、物理的、化學(xué)的、物理化學(xué)的和生物的作用，單獨(dú)或復(fù)合地作用于材料，抵消了它在使用中可能同時存在的有利因素的作用，使之逐步變質(zhì)而導(dǎo)致喪失其使用性能。各種作用對于材料性能的影響，視材料本身的組分、結(jié)構(gòu)而不同。在建筑材料中，金屬材料主要易被電化學(xué)腐蝕（見金屬材料的耐久性）；水泥砂漿、混凝土、磚瓦等無機(jī)非金屬材料，主要是通過干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、溫度變化等物理作用，以及溶解、溶出、氧化等化學(xué)作用（見混凝土的耐久性）；高分子材料主要由于紫外線、臭氧等所起的化學(xué)作用(見高分子材料的耐久性)，使材料變質(zhì)失效；木材雖主要是由于腐爛菌引起腐朽和昆蟲引起蛀蝕而使其失去使用性能，但環(huán)境的溫度、濕度和空氣又為菌類、蟲類提供生存與繁殖的條件（見竹材和木材的耐久性）。在材料的變質(zhì)失效過程中，其外部因素往往和內(nèi)部因素結(jié)合而起作用；各外部因素之間，也可能互相影響。建筑材料的耐久性指標(biāo)，對于傳統(tǒng)材料生產(chǎn)中的質(zhì)量控制、使用條件的規(guī)定，特別是新材料的能否推廣使用都是關(guān)鍵性的。目前，還只能把材料處在比實際使用狀況強(qiáng)化得多的模擬環(huán)境和條件（一般只突出一、二種因素）下，進(jìn)行加速的或短期試驗，確定一個表征材料受損、變質(zhì)、失效以至破壞程度的對比性評價指標(biāo)。如據(jù)此預(yù)言材料的遠(yuǎn)期行為，則仍是困難的，還要求助于類同材料的長期使用經(jīng)驗。由于近代材料科學(xué)和統(tǒng)計數(shù)學(xué)的發(fā)展，看來有可能把材料在使用中的變質(zhì)失效作為某種隨機(jī)過程來處理，通過數(shù)學(xué)模擬，并輔以短期試驗，從而預(yù)測比較可靠的安全使用年限，作為耐久性指標(biāo)，進(jìn)行安全使用年限的預(yù)測。事實上，對某些金屬材料耐久性的研究試驗，已開始向這個方向努力。從單一破壞因素著手，分析清楚材料變質(zhì)失效的機(jī)理和過程，對于獲得和理解近期評價指標(biāo)，提出有效的防止變質(zhì)措施，以至為發(fā)展中的理論預(yù)測作基礎(chǔ)準(zhǔn)備等，都是很有價值的。在實際使用環(huán)境中，在各種因素綜合作用下進(jìn)行考驗的長期數(shù)據(jù)，則尤為可貴，據(jù)此可建立材料在單一因素和復(fù)合因素作用下，它的有關(guān)行為之間的關(guān)系，并可直接檢驗長期性能預(yù)測的可靠性。 2100433B

試驗驗證

為了驗證各種高分子材料的實際使用性能對外界影響的反應(yīng)，需要進(jìn)行各種老化試驗。其方法大體分為大氣老化試驗和人工加速老化試驗。老化是影響高分子材料耐久性的重要因素。因此，土木建筑工程中露天使用的高分子材料，其質(zhì)量必須符合有關(guān)大氣老化試驗國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。關(guān)于耐久性的評定，應(yīng)當(dāng)選擇符合真實反映高分子材料老化的評價指標(biāo)。例如，涂料的老化程度主要是通過漆膜的外觀檢查；塑料制品則以斷裂伸長率、沖擊強(qiáng)度；橡膠以測定可塑性、凝膠量、防老劑和防氧劑的消耗量、斷裂強(qiáng)度等；對某些高分子材料，還可根據(jù)其老化機(jī)理選擇一些特定的評價指標(biāo)，如對聚氯乙烯，可測定其熱分解速度、分解溫度和熱穩(wěn)定時間等。為了得到可靠的結(jié)論，有時應(yīng)選用幾個評價指標(biāo)，通過理論和實驗相結(jié)合的途徑，可望逐步做到預(yù)測高分子材料的使用壽命?！≡谕饬ψ饔孟率褂盟芰蠎?yīng)注意塑料的蠕變和強(qiáng)度降低。例如，熱塑性塑料管用于有壓力的輸水管路，則應(yīng)測定不同溫度（20～60°C）和長期液壓荷載作用下的管材破裂強(qiáng)度值，從而確定管材的設(shè)計應(yīng)力和壁厚。

為了提高高分子材料的耐久性，可根據(jù)其老化的內(nèi)外因素采取不同措施。例如，在配方中加入紫外線吸收劑、防老劑(抗氧劑)，以抑制光、熱、氧等外因?qū)Ω叻肿硬牧系淖饔?改進(jìn)聚合和成型加工工藝,或采用共混改性等方法，以提高高分子材料本身對外因作用的穩(wěn)定性。在應(yīng)用方面,應(yīng)根據(jù)材料性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)挠猛?。例?應(yīng)避免使制品直接暴露于大氣中或日光的照射下，也可以采用物理防護(hù)方法使高分子材料避免受到外因的作用。

中國應(yīng)用硬聚氯乙烯塑料管材做室內(nèi)排水管道已有20余年的歷史，有些國家已使用40余年；聯(lián)邦德國應(yīng)用聚氯乙烯塑料窗已20余年；許多國家大量在室內(nèi)使用聚氯乙烯塑料彈性地板，也已有40余年的歷史。2100433B

由于金屬的電子傾向脫離，因此具有良好的導(dǎo)電性，且金屬元素在化合物中通常帶正價電，但當(dāng)溫度越高時，因為受到了原子核的熱震蕩阻礙，電阻將會變大。金屬分子之間的連結(jié)是金屬鍵，因此隨意更換位置都可再重新建立連結(jié)，這也是金屬伸展性良好的原因。

在自然界中，絕大多數(shù)金屬以化合態(tài)存在，少數(shù)金屬例如金、銀、鉑、鉍以游離態(tài)存在。金屬礦物多數(shù)是氧化物及硫化物，其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽。

屬于金屬的物質(zhì)有金、銀、銅、鐵、錳、鋅等。在一大氣壓及25攝氏度的常溫下，除汞（液態(tài)）外，其他金屬都是固體。大部分的純金屬是銀白（灰）色，只有少數(shù)不是，如金為黃赤色，銅為紫紅色。金屬大多帶“钅”旁。

通常將具有正的溫度電阻系數(shù)的物質(zhì)定義為金屬。金屬元素位于“硼-砹分界線”的左下方，在s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)、f區(qū)等5個區(qū)域都有金屬元素，過渡元素全部是金屬元素。

在固態(tài)金屬導(dǎo)體內(nèi)，有很多可移動的自由電子。雖然這些電子并不束縛於任何特定原子，但都束縛於金屬的晶格內(nèi)；甚至于在沒有外電場作用下，因為熱能，這些電子仍舊會隨機(jī)地移動。但是，在導(dǎo)體內(nèi)，平均凈電流是零。挑選導(dǎo)線內(nèi)部任意截面，在任意時間間隔內(nèi)，從截面一邊移到另一邊的電子數(shù)目，等于反方向移過截面的數(shù)目。