鑄鐵支架在土壤中的腐蝕

鑄鐵支架在土壤中的腐蝕

腐蝕現象幾乎涉及國民經濟的一切領域。例如， 各種機器、裝置、橋樑在大氣中因腐蝕而生鏽。艦船、沿海的港口設施遭受海水和海洋微生物的腐蝕。埋在地下的輸油、輸氣管線和地下電纜因土壤和細菌的腐蝕而發生穿孔等。目前工業用材料，無論是金屬材料或非金屬材料，幾乎沒有一種材料是絕對不腐蝕的，因此腐蝕造成的危害也是非常驚人的，據估計全世界每年因腐蝕報廢的鋼鐵約佔年產量的30%，我國根據化工部門的調查，由於腐蝕造成的經濟損失為當年生產總值的3%~4%。

因此，研究材料的腐蝕規律 ，弄清腐蝕發生的原因及採取有效的防止腐蝕的措施 ，對於延長裝置壽命 、降低成本 、提高勞動生產率無疑具有十分重要的意義。

生活中的腐蝕主要發生在金屬件上，其腐蝕機理可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類，生活中常見的各種鐵製品如鐵鍋和鐵鍬的生鏽屬於化學腐蝕，用金屬支架做成的路標埋在地底下那部分的腐蝕則屬於電化學腐蝕。這裡主要研究與土壤接觸的金屬支架的化學腐蝕和電化學腐蝕的機理和防腐蝕的解決方法。

土壤是一個由多種不同型別膠狀物組成的物質，由於這些膠狀物之間存在間隙，所以非常容易包裹空氣以及水份、空氣、水、膠狀電解質，當這些因素組合在一起時，會使埋在土壤裡的鋼結構極易受到腐蝕的侵害。通常與土壤接觸的金屬的腐蝕主要受以下因素影響，如

通風率：空氣的流通提供了腐蝕所需的氧氣，

電解質：提供電化學腐蝕需要的環境，

電子因素，諸如電流、電阻等因素的高低影響著腐蝕速率大小，其他方面，諸如回填土、細菌等因素。總結而言就是，土壤的以下屬性會使其腐蝕環境更加惡劣：土質越細膩，吸水性越強；水份越多，電解質越豐富；通氣率越高，氧氣含量越高；ph值越小，防腐沉澱物越難形成；電阻率越小，氧化還原電子游離越容易；氧化還原電位越高，越容易發生電化學腐蝕；氯化物含量越高，陽極溶解越容易；生物細菌含量越高，抑制防腐沉澱物的生成；這些因素都會加速土壤中鋼結構材料的腐蝕速度，從而減少其使用壽命，造成經濟損失。下面主要就這一現象進行探討，力求得到一些有利於減少腐蝕速度和增加金屬使用壽命的防護方法。

金屬在土壤中常見的腐蝕形式有：

一、差異充氣引起的腐蝕

由於氧氣分佈不均勻而引起的金屬腐蝕，稱為差異充氣腐蝕。土壤的固體顆粒含有砂子、灰、泥渣和植物腐爛後形成的腐植土。在土壤的顆粒間又有許多彎曲的微孔（或稱毛細管），土壤中的水分和空氣可透過這些微孔而深入到土 壤中的水分和空氣可透過這些微孔而深入到土壤內部，土壤中的水分除了部分與土壤的組分結合在一起，部分粘附在土壤的顆粒表面，還有一部分可在土壤的微孔中流動。於是，土壤的鹽類就溶解在這些水中，成為電解質溶液，因此，土壤溼度越大含鹽量越多，土壤的導電性就越強。此外，土壤中的氧氣部分溶解在水中，部分停留在土壤的縫隙內，土壤中的含氧量也與土壤的溼度、結構有密切關係，在乾燥的砂土中，氧氣容易透過，含氧量較高；在潮溼的砂土中，氧氣難以透過，含氧量較低。；在潮溼而又緻密的粘士中，氧氣的透過就更加困難，故含氧量最低。埋在地下的各種金屬管道，如果透過結構和乾溼程度不同的土壤將會引起差異充氣腐蝕，假如，鐵管部分埋在砂士中，另一部分埋在粘土中，由腐蝕電池

陽極 Fe-2e→Fe‘+

陰極20+H；O+2e20H

不難看出，因砂土中氧的濃度大於粘士中氧的濃度，則在砂土中更容易進行還原反應，即在砂土中鐵的電極電勢高於在粘土中鐵的電極電勢，於是粘土中鐵管便成了差異充氣電池的陽極而遭到腐蝕。同理，埋在地下的金屬構件，由於埋設的深度不同，也會造成差異充氣腐蝕，其腐蝕往往發生在埋得深層的部位，因深層部位氧氣難以到達，便成為差異充氣電池的陽極，那些水平放置而直徑較大的金屬管，受腐蝕之處亦往往是管子的下部，這也是由差異充氣所引起的腐蝕。

二、微生物引起的腐蝕

據目前研究，能參與金屬腐蝕過程的細菌不止一種，它們並非本身使金屬腐蝕，而是細菌生命活動的結果間接地對金屬電化學腐蝕過程產生的影響。例如，有的細菌新陳代謝能產生某些具有腐蝕性的物質（如硫酸、有機酸和硫化氫等），從而改變了土壤中金屬構件的環境；有的細菌能催化腐蝕產物離開電極的化學反應，致使腐蝕速率加快。此外，許多細菌還能分泌粘液，這些粘液與土壤中的土粒、礦物質、死亡細菌、藻類以及金屬腐蝕產物等粘合併形成粘泥，覆蓋在金屬構件的表面，因區域性缺氧成為差異充氣電池的陽極，從而遭到嚴重的孔腐蝕。

微生物對土壤的腐蝕有很大的影響，並非它本身對金屬的侵蝕作用，而是微生物生命活動的結果，間接對金屬腐蝕電化學過程產生的影響。參與金屬腐蝕的微生物有鐵細菌、硫氧化菌、硝酸鹽還原菌、硫酸還原菌等。其中厭氧的硫酸鹽還原菌對腐蝕的影響最為顯著。以下為厭氧的硫酸鹽還原菌的腐蝕機理如下：

地下的金屬構件周圍有一種黑色腐蝕產物，這種黑色產物是硫化鐵，在土壤完全缺氧和不透氣的情況下，有一種厭氧性細菌被硫酸還原就會繁殖起來，它的繁殖活動對金屬管道起著促進腐蝕作用，它需要的氫和某些還原物質，將硫酸鹽還原成硫化物。埋設在地下土壤中的金屬管道，由於在腐蝕進行時陰極過程中有氫產生，如果它附著在金屬管道表面，成為氣泡溢位，它的存在造成陰極極化而使腐蝕減緩或停止。如果有硫酸還原菌存在並活動，它們利用金屬表面的氫使硫酸鹽還原成硫化物，發生陰極過程的去極化而加強金屬管道的腐蝕，硫酸鹽還原時產生的硫離子與鐵離子生成黑色的硫化鐵。

總之土壤是由固態、液態和氣態三相物質所組成的複雜的混合體系，它的結構、成分以及環境因素的相互作用，使土壤腐蝕比其他介質更為複雜，在任何地區多因素都是相互依存、相互作用，因此評價土壤的腐蝕性，只以任何一個因素作指標都有侷限性，唯有在特定的條件下才是正確的。

三、雜散電流引起的腐蝕

由於某種原因，一部分電流離開了指定的導體，而在原來不該有電流的導體內流動，這一部分電流，稱為雜散電流。它主要來自於電氣火車、直流電焊、地下鐵道及電解槽等電源的漏電。由雜散電流引起的腐蝕，如在金屬製作的電解槽中進行電解時，正常情況下電流應從正極透過電解液流向負極。但也有可能有部分電流先從正極流向靠近正極的金屬槽壁，然後從靠近負極的電解壁流出，並透過溶液回到負極。這樣，電流在從金屬電解槽壁流出之處便成為陽極而遭到腐蝕。又如電氣火車頂上有根架空線，其作用是接受從電站正極輸入的直流電，經過車廂後從地面鐵軌回到電站的負極。如果各段鐵軌間連線良好，則大部分電流能透過路軌回到電站。要是路面不平，路軌間連線又不好，而地面又潮溼，這時將有部分電流流入地下，透過埋在路軌下的金屬管道或其他金屬設施，最後返回路軌到電站的負極。這時，路軌下出現兩個串聯的大電解池。根據電流的流動方向，一個電解池的陽極是鐵軌，陰極是地下管線；另一電解池的陽極是地下管線，陰極是路軌。前者腐蝕的是路軌，暴露在地面上，易被發現，維修也方便；後者腐蝕的是地下管線，不易被發現，且維修也不便，問題更為嚴重。此外，雜散電流也能引起鋼筋混凝土結構的腐蝕，尤其冬季施工，為了防凍而在混凝土中加入氯化物（如NaCl、CaC12），其腐蝕就更為嚴重。

可見，土壤腐蝕同樣既廣泛又嚴重，研究並瞭解各類土壤的腐蝕規律，其目的在於防腐。就鑄鐵支架在土壤中的腐蝕而言，一、可對其進行塗抹無機防腐塗層延長其使用壽命。二、在外層鍍上一次較活潑金屬如鋅或者鎂，此方法是犧牲陽極（活潑金屬）的陰極保護法。三、對鑄鐵外加電流陰極，形成金屬保護膜。若要以相對經濟效益而言外加防腐塗層在設計壽命不長的金屬器材中有更高的效益。

下面是三種方法隨著時間的增加其防腐效果曲線