洪佳，張舒寧，甘振杰

中科認(rèn)證技術(shù)服務(wù)(廣州)有限公司，廣東 廣州 510000

輕鋼龍骨(以下簡(jiǎn)稱“龍骨”)具有密度低、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)便等特性，被廣泛應(yīng)用于屋頂裝飾、內(nèi)外墻體及棚架式吊頂，一般通過(guò)表面鍍鋅進(jìn)行防銹[1-3]。但鍍鋅層在一些酸性氣氛及海洋性氣氛中的耐蝕性較差，因此鍍鋅鋼龍骨在放置和使用過(guò)程中要采取適宜的防潮措施[4-8]。南方某小區(qū)對(duì)房屋進(jìn)行吊頂施工時(shí)使用的材料主要是龍骨和難燃膠合板(以下簡(jiǎn)稱“難燃板”)。施工方在對(duì)房屋封石膏板的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)龍骨(包括吊頂覆面龍骨和收邊龍骨)均發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，且銹蝕部位都與難燃板直接接觸，未接觸部位無(wú)銹蝕。

本工作對(duì)該小區(qū)“房屋吊頂”結(jié)構(gòu)中的龍骨銹蝕原因進(jìn)行調(diào)查和分析，初步認(rèn)為龍骨銹蝕與難燃板密切相關(guān)。先采用能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對(duì)銹蝕物進(jìn)行定性和定量分析，初步判斷可能導(dǎo)致龍骨銹蝕的物質(zhì)，接著采用離子色譜法(IC)分析了涉事難燃板阻燃劑的組分，最后通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)龍骨的銹蝕確由難燃板引起。

1 銹蝕的宏觀特征

由圖1a和圖1b可見(jiàn)，龍骨的銹蝕部位均與難燃板接觸，其余部位均未發(fā)生銹蝕。由圖1c和圖1d可見(jiàn)，銹蝕部位呈現(xiàn)出兩種狀態(tài)，外緣有大量白色晶體(簡(jiǎn)稱“白銹”)，內(nèi)圈以紅色物質(zhì)(簡(jiǎn)稱“紅銹”)為主。

圖1 龍骨的銹蝕部位(a、b)及其形態(tài)(c、d)Figure 1 Corrosion positions (a, b) of light steel keel and their appearance (c, d)

2 銹蝕物分析

2.1 銹蝕物的組成

采用Zeiss Sigma-300型掃描電子顯微鏡搭載的能譜儀(EDS)對(duì)龍骨的銹蝕部位進(jìn)行元素分析。由表1可知，銹蝕物除了含有鍍鋅鋼的主體元素Zn和Fe，還含有C、O、N、P和S。

表1 銹蝕物的元素組成Table 1 Elemental compositions of corrosion products（單位：%）

采用丹東通達(dá)TD-3500 X射線衍射儀對(duì)銹蝕物進(jìn)行物相分析，發(fā)現(xiàn)白銹的主要物相為NH4ZnPO4，紅銹的主要物相為(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O。進(jìn)一步確定銹蝕物中除了含有Zn和Fe，還含有N、P和S，而這3種元素在水溶液中一般分別以的形式存在。

銹蝕物中的C可能源自空氣中的CO2或難燃板，O源自龍骨腐蝕的氧化反應(yīng)，N、P和S的來(lái)源有待進(jìn)一步分析。

2.2 銹蝕物組分的來(lái)源

根據(jù)金屬腐蝕的原理，金屬只有在接觸外界物質(zhì)時(shí)才能被腐蝕，與龍骨接觸的外界物質(zhì)是空氣和難燃板?！胺课莸蹴敗彼谛^(qū)是住宅區(qū)，空氣中P、S的含量很低，N含量雖然高，但基本上以極不活潑的N2形式存在，不參與腐蝕反應(yīng)，因此銹蝕物中的N、P和S來(lái)自空氣的可能性很小，來(lái)自難燃板的可能性較大。

將難燃板切成碎屑，稱取5 g，加入500 mL超純水中，48 h后即得浸取液。采用Thermo Fisher Scientific ICS-5000離子色譜儀對(duì)浸取液進(jìn)行分析。由表2可知，涉事難燃板浸出液中含有三種離子，說(shuō)明龍骨銹蝕物中的N、P和S來(lái)自難燃板。

表2 難燃板中不同離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass concentrations of different ions in fire-retardant plywood

為了驗(yàn)證龍骨銹蝕是由涉事難燃板引起的，進(jìn)行加速溫濕模擬試驗(yàn)。先將難燃板切成25 cm × 10 cm大小，用螺絲緊固在龍骨上，再置于溫度為40 °C、相對(duì)濕度為95%的溫濕箱中168 h，每24 h觀察一次龍骨的銹蝕情況。從表3可知，鍍鋅龍骨與難燃板在濕熱環(huán)境下接觸48 h后出現(xiàn)黑斑和少量白銹(見(jiàn)圖2a)，96 h后龍骨表面產(chǎn)生大量白銹(見(jiàn)圖2b)，168 h后表面出現(xiàn)少量紅銹。

表3 加速溫濕模擬試驗(yàn)不同時(shí)間后鍍鋅龍骨的銹蝕情況Table 3 Corrosion states of hot-dip zinc-coated light steel keel after accelerated damp heat test for different time

圖2 加速溫濕模擬試驗(yàn)不同時(shí)間后鍍鋅龍骨與難燃板接觸部位的銹蝕特征Figure 2 Appearance of corrosion products at the contact position between hot-dip zinc-coated light steel keel and fire-retardant plywood after accelerated damp heat test for different time

綜上所述，涉事龍骨銹蝕物中的N、P和S元素確實(shí)來(lái)源于難燃板，龍骨的腐蝕與難燃板有直接關(guān)系。

3 銹蝕原因分析

根據(jù)以上分析可知，龍骨的銹蝕屬于電化學(xué)腐蝕。龍骨發(fā)生腐蝕的必要條件是其與氧氣、水分和腐蝕介質(zhì)均有接觸。氧氣來(lái)源于空氣，水分可能來(lái)源于空氣或難燃板，或兩者皆有，而腐蝕介質(zhì)來(lái)源于難燃板。

表4 難燃板的吸濕率Table 4 Moisture absorption rate of fire-retardant plywood

綜合上述分析，可推測(cè)龍骨發(fā)生銹蝕的過(guò)程如下：

(1) 難燃板在高濕環(huán)境下吸濕，阻燃劑中的腐蝕性成分(磷酸銨、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨中的一種或幾種以及硫酸銨)以溶液形式從板材中滲出到與之接觸的龍骨上。與此同時(shí)，空氣中的水分聚集在龍骨表面形成水膜。

(2) 阻燃劑溶液融入水膜中形成腐蝕性的電解質(zhì)溶液，鍍鋅層開(kāi)始發(fā)生電化學(xué)腐蝕。鍍鋅層外層的鈍化膜最先發(fā)生腐蝕而出現(xiàn)黑斑。

(3) 鈍化膜被破壞而令鍍鋅層裸露后，鋅開(kāi)始腐蝕。鋅的電位較低，作為陽(yáng)極失去電子而生成Zn2+，O2作為陰極和去極化劑吸收電子形成 OH-。阻燃劑溶液中的銨鹽與 OH-形成氨水，和 Zn2+反應(yīng)生成Zn3(PO4)2沉淀，而Zn3(PO4)2溶于氨水或銨鹽中生成了NH4ZnPO4。主要反應(yīng)如下：

在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，由于磷酸和硫酸的銨鹽均為強(qiáng)酸弱堿鹽，在溶液中呈酸性，對(duì)腐蝕起加速作用，同時(shí)溶液中的銨鹽提高了其導(dǎo)電性，也加快了腐蝕的進(jìn)程。

(4) 剛開(kāi)始腐蝕時(shí)，由于外面有一層鍍鋅層保護(hù)，鋼基體還未接觸到電解質(zhì)溶液和氧氣而未被腐蝕。根據(jù)電偶腐蝕的原理，此時(shí)鍍鋅層先被腐蝕，而鋼基體不被腐蝕。當(dāng)龍骨的鍍鋅層腐蝕到一定程度時(shí)，鋅消耗過(guò)多，鋼基體不再受到保護(hù)，此時(shí)鋼基體中的Fe開(kāi)始被腐蝕而形成紅銹。主要反應(yīng)如下：

4 結(jié)語(yǔ)

房屋吊頂結(jié)構(gòu)中輕鋼龍骨發(fā)生銹蝕的主要原因是：難燃板中含有吸濕性阻燃劑，因未進(jìn)行有效的防潮處理，致使抗潮濕性能差，最終在潮濕的空氣環(huán)境中吸收水分而形成腐蝕性電解質(zhì)溶液，并滲透出來(lái)流到與之接觸的龍骨上，令龍骨發(fā)生銹蝕。為了預(yù)防以上現(xiàn)象發(fā)生，提出以下建議：

(1) 選用抗潮性或者吸濕性低的阻燃劑(有機(jī)阻燃劑、樹(shù)脂性阻燃劑及反應(yīng)型阻燃劑)來(lái)制作難燃板。

(2) 在難燃板上負(fù)載具有防水功能的納米材料，使難燃板具有一定的防潮性能。