房屋吊頂結構中鍍鋅輕鋼龍骨腐蝕原因分析

洪佳，張舒寧，甘振杰

中科認證技術服務(廣州)有限公司，廣東 廣州 510000

輕鋼龍骨(以下簡稱“龍骨”)具有密度低、強度高、施工簡便等特性，被廣泛應用于屋頂裝飾、內外墻體及棚架式吊頂，一般通過表面鍍鋅進行防銹[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程中要采取適宜的防潮措施[4-8]。南方某小區(qū)對房屋進行吊頂施工時使用的材料主要是龍骨和難燃膠合板(以下簡稱“難燃板”)。施工方在對房屋封石膏板的過程中發(fā)現(xiàn)龍骨(包括吊頂覆面龍骨和收邊龍骨)均發(fā)生嚴重銹蝕，且銹蝕部位都與難燃板直接接觸，未接觸部位無銹蝕。

本工作對該小區(qū)“房屋吊頂”結構中的龍骨銹蝕原因進行調查和分析，初步認為龍骨銹蝕與難燃板密切相關。先采用能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對銹蝕物進行定性和定量分析，初步判斷可能導致龍骨銹蝕的物質，接著采用離子色譜法(IC)分析了涉事難燃板阻燃劑的組分，最后通過試驗證實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，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，銹蝕部位呈現(xiàn)出兩種狀態(tài)，外緣有大量白色晶體(簡稱“白銹”)，內圈以紅色物質(簡稱“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)對龍骨的銹蝕部位進行元素分析。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TD-3500 X射線衍射儀對銹蝕物進行物相分析，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，N、P和S的來源有待進一步分析。

2.2 銹蝕物組分的來源

根據(jù)金屬腐蝕的原理，金屬只有在接觸外界物質時才能被腐蝕，與龍骨接觸的外界物質是空氣和難燃板?！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，因此銹蝕物中的N、P和S來自空氣的可能性很小，來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離子色譜儀對浸取液進行分析。由表2可知，涉事難燃板浸出液中含有三種離子，說明龍骨銹蝕物中的N、P和S來自難燃板。

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

為了驗證龍骨銹蝕是由涉事難燃板引起的，進行加速溫濕模擬試驗。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(見圖2a)，96 h后龍骨表面產生大量白銹(見圖2b)，168 h后表面出現(xiàn)少量紅銹。

表3 加速溫濕模擬試驗不同時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 加速溫濕模擬試驗不同時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元素確實來源于難燃板，龍骨的腐蝕與難燃板有直接關系。

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、水分和腐蝕介質均有接觸。氧氣來源于空氣，水分可能來源于空氣或難燃板，或兩者皆有，而腐蝕介質來源于難燃板。

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

綜合上述分析，可推測龍骨發(fā)生銹蝕的過程如下：

(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，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溶液，鍍鋅層開始發(fā)生電化學腐蝕。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，鋅開始腐蝕。鋅的電位較低，作為陽極失去電子而生成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。主要反應如下：

在電化學反應過程中，由于磷酸和硫酸的銨鹽均為強酸弱堿鹽，在溶液中呈酸性，對腐蝕起加速作用，同時溶液中的銨鹽提高了其導電性，也加快了腐蝕的進程。

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

4 結語

房屋吊頂結構中輕鋼龍骨發(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溶液，并滲透出來流到與之接觸的龍骨上，令龍骨發(fā)生銹蝕。為了預防以上現(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(有機阻燃劑、樹脂性阻燃劑及反應型阻燃劑)來制作難燃板。

(2) 在難燃板上負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。