淺談「鋼材腐蝕類型與防蝕方法」

文章索引

前言

腐蝕的定義係指材料在使用的環境,諸如:水、水蒸氣、潮濕空氣、高溫氣體、或具腐蝕性之氣體或液體中,由於受到化學或電化學的作用而導致其性質退化的現象,稱為腐蝕。鋼鐵在潮濕空氣中的氧化,或者鋅溶解於酸中,皆是腐蝕的現象。鑄鐵、碳鋼、合金鋼等鐵系金屬材料的腐蝕產物就是「銹」。其他非鐵材料的腐蝕,並不一定會產生肉眼可見的銹。鋼材的腐蝕無時無刻不在發生或進行中,鋼材腐蝕會減低效用或甚至不堪使用,除會造成困擾外,嚴重者,如工業廠房構材腐蝕,導致颱風時產生局部破壞,而造成設備或貨物損失(見照片1);尤有甚者,產生工業廠房倒塌或橋梁塌落,例如新北市三芝區根德吊橋之垂吊索全部銹蝕斷裂塌落(見照片1及2),造成人員傷亡或設備財產之損失。在工業發達的今日,腐蝕對人類的影響仍然既深且鉅(見照片3基礎錨栓銹蝕嚴重),而土木工程師須具備鋼材腐蝕及防蝕的基本常識,才能在結構物除因結構力學行為之破壞模式以外,尚能因應因防蝕方法不當所產生之破壞模式,如此才能達到真正符合經濟性、耐久性及安全性的需求。

金屬在自然界中最穩定的狀態通常是以化合物型態存在,例如,氧化物、硫化物、碳酸鹽等。故大部分的金屬在空氣中會逐漸從金屬態轉化成化合物或離子態,而失去金屬原有的特性,這種現象即為腐蝕。在這種轉化過程中,會釋出能量,使金屬在環境系統中趨於較低能階的穩定態,腐蝕現象亦即大自然依循熱力學定律自發的反應之必然結果。

鋼材腐蝕類型

腐蝕現象非常複雜,吾人經常會發現,在正常狀況下有較佳耐蝕性的材料,卻在某些特殊的條件下發生腐蝕現象。相反地,吾人認為耐蝕性較差的材料,卻有時表現出有良好的耐蝕性。譬如,鐵在稀硝酸溶液中,會發生嚴重的腐蝕;而鐵在濃硝酸溶液中,其腐蝕程度卻非常輕微。又鐵如在自來水中,如果與銅或白金接觸,則鐵會加速腐蝕;但鐵如與鋅或鎂接觸,則會抑制鐵的腐蝕現象。因為材料以及其所使用的環境差異很大,故腐蝕的類型也有顯著的不同。同一地點大氣腐蝕性會隨著氣候變遷與周邊之人文及工業發展而改變。因此,於鋼材防蝕設計前,應查詢最新之腐蝕環境資料。若無相關資料,或資料調查時的氣象、地理、人文背景條件與現況已有差異時,應進行大氣腐蝕性分類之評定。調查項目應包括調查地點之氣象、地形地物、土地區分與人文背景條件等資料。

鋼材之腐蝕類型,依其細部設計、斷面形狀、材料、使伽凡尼腐蝕、孔蝕、應力腐蝕破裂、腐蝕疲勞、氫脆破壞、氣體腐蝕、鋼筋混凝土腐蝕及其他等型態。

1.大氣腐蝕:大氣中的濕度(或水分)、溫度、鹽分、酸度、灰塵(或固體浮懸物)、

風速或風向等,會引起鋼材不同程度的腐蝕。

2.浸泡腐蝕:鋼橋若有構件長期浸泡或曝露在水中,則水溶液的各種腐蝕型態,皆可能顯現。以混凝土或鋼材作為橋墩,鋼筋或樑柱可能遭遇的腐蝕即為一例。

3.間隙腐蝕:鋼橋許多液體不易流動的接縫(或接觸面)都是發生間隙腐蝕的可能位置,這種腐蝕不易由目視檢測,所以會造成保固上的困擾。接觸面的兩側可能都是金屬,但也有可能僅有一面是金屬。

4.伽凡尼腐蝕:不同金屬的直接接觸,若有電解質(如:水膜等)存在,則因其電化學電位的差異,較活潑的金屬發生腐蝕,這種腐蝕稱為伽凡尼腐蝕。通常只要有化學元素或成分或材料上有任何能量的差異時,就會有電化學的電位差。例如:鋼樑之螺栓接合處由不同的鋼材組成,就會有電位差。通常化學組成差異愈大,電位差就愈大,伽凡尼腐蝕的現象更明顯。

5.孔蝕:孔蝕是發生在局部位置(非全面性),滲透甚至穿孔的一種腐蝕現象。通常材料表面之局部材質、幾何形狀、或塗裝等不均勻因素,皆有可能發生孔蝕。一旦發生孔蝕,常會發生自我催化反應的作用,所以孔蝕的速率較一般所謂的均勻腐蝕速率更快。氯離子是自然環境中普遍存在且最容易促進孔蝕的一種物質,控制氯離子的存在或是其濃度,是抑制孔蝕的主要方法之一。不銹鋼等具有鈍化耐蝕特性的鋼料,較一般碳鋼容易發生孔蝕。

6.應力腐蝕破裂:當鋼料可發生腐蝕且其位置有應力集中的現象時,容易發生應力腐蝕破裂。一旦發生應力腐蝕,其初始裂縫常不易被偵測到。這種裂縫通常是活潑且會持續成長,其至鋼料破裂前的伸長率及所需應力值,遠小於一般過負載破壞之值,不易被感知,因此,容易造成非預期的橋梁斷裂。



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