金属材料的耐久性特点

① 大气腐蚀。钢和铸铁大多数是在大气中使用,水汽和雨水会在金属表面形成液膜并溶入O和CO而成为电介质液，导致电化学腐蚀。工业大气中含有的各种气体（特别是SO,常有较高浓度）和微粒也能加剧腐蚀。近海地区的海盐微粒，可在金属表面形成氯盐液膜而具有很强的腐蚀性。铁锈的质地疏松，不能阻止腐蚀的发展。因此，广泛应用有机涂层（主要为油漆）作防护层，也可用金属涂层。在钢中加入少量磷、铜等合金元素，能有效地增强抗大气腐蚀性能。

混凝土中的高碱度环境，有助于钢筋的抗腐蚀能力(pH≥11.5)。如果混凝土存在高渗透性、裂缝、保护层过薄等缺陷,则CO的侵入可使钢筋周围介质的碱度降低，当pH值降至10以下时,则混凝土的保护作用将失效。Cl较多时，即使在高碱度的介质中也能导致钢筋腐蚀。常用的防护方法有：提高混凝土的密实性；使保护层的厚度符合规定；不使用对钢筋有腐蚀性的外加剂，或在使用时加入适当的阻锈剂；所使用的水泥和掺合料能使混凝土硬化后保持一定的碱度;采用聚合物浸渍混凝土,或在混凝土表面涂刷如环氧树脂等作防护层。此外，还可采用镀锌钢筋，或在钢筋表面浸涂适当的防护物质。具有耐腐蚀性能的钢筋也在发展中。

铝合金是优良的建筑材料。铝在初期受蚀后形成致密而牢固附着的膜层，从而能有效地阻止腐蚀的发展。应用阳极氧化的处理后，更能形成坚硬、耐磨而有光泽的表面层。

② 水中腐蚀。碳钢和铸铁在淡水中的腐蚀,因水中所含物质的性质和浓度而有差别。海水是良好的电介质，并含有高的Cl等物质,故对碳钢和铸铁有很强的腐蚀作用，必须在有效的保护下使用。用于海水中的结构件还常选用不锈钢、铜合金和其他耐腐蚀的金属(合金)。

③ 土壤腐蚀。不同的土壤对建筑金属的腐蚀作用差别很大。土壤对金属腐蚀的性质常用测定其电阻值作为指标，高电阻的干土壤一般腐蚀性不大。地下构筑物，包括管道等，一般都用碳钢和铸铁。

建筑金属的防腐蚀　除使用各种涂层外，还常应用极为重要的阴极保护法。

阴极保护法有两种：①用电位比被保护金属(碳钢)为贱的金属，例如镁和锌,作为阳极,与作为阴极的金属构筑物相连接，则阳极受腐蚀，构筑物受保护。此法适用于闸门、地下容器等有限范围的物体。②大体积的构筑物和地下管道，则适宜用外加直流电流进行保护（见图）。以石墨或高硅铁等为隋性阳极接电源正端，以金属构筑物为阴极接电源负端，施加至少与腐蚀电流大小相等、方向相反的电流，构筑物即受到阴极保护。使用时金属构筑物仍应使用保护涂层，以节省费用。

金属材料的耐久性阳极保护法也在发展中，但在土木建筑工程中尚未应用。2100433B

金属材料在使用过程中经受环境的作用，而能保持其使用性能的能力。由于工程中大量使用的金属，如钢材等都易受腐蚀，所以讨论耐久性时，应该着重研究金属腐蚀及其防护方法。金属的腐蚀使工程构筑物的使用期限缩短，并常导致其功能失效而引起事故和造成损害。金属的腐蚀主要是由于电化学作用的结果，在某些条件下，化学以及机械、微生物等因素也能促进腐蚀。

电化学腐蚀　在电化学反应中，电介质液中的阳极是处于较低电位（贱电位），发生氧化反应，金属离子进入液中，产生腐蚀；电子则由导线流向阴极。阴极是处于较高电位(贵电位),发生还原反应。以铁为例,其阳极反应为Fe→Fe 2e;阴极反应为;综合反应为Fe(OH)继续与O反应生成4Fe(OH),可能脱水成FeO。上述反应产物的混合物即为铁锈。

金属的电位决定于金属的本性和所处介质的状况。因此,不但不同的金属在相同的介质中具有不同电位,即或同一金属（合金），也由于各部分的化学成分、应力状态等的差异而具有不同电位。而且，同一金属由于各部分所接触的介质的组分和浓度的差异，也使各部分的金属具有不同的电位。所以，建筑金属的腐蚀，在宏观和微观范围内都普遍存在电化学腐蚀的反应。

在金属腐蚀的试验中，常应用电化学方法快速测定相对腐蚀率,如线性极化法就具有较广泛的应用价值,其简化公式为。由于在腐蚀电位正负10毫伏以内，外加电流Δ与电极电位ΔE呈线性关系,根据公式可得腐蚀电流，进而换算得金属的相对腐蚀率。

建筑金属腐蚀的主要形态　①均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄。因此，常用年平均的厚度减损值作为腐蚀性能的指标（腐蚀率）。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。②孔蚀。金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生与金属的本性及其所处介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。③电偶腐蚀。不同金属的接触处，因所具不同电位而产生的腐蚀。④缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域部常发生由于不同部位间介质的组分和浓度的差异所引起的局部腐蚀。⑤应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下，金属表面产生腐蚀并向内扩展成微裂纹，常导致突然破断。混凝土中的高强度钢筋（钢丝）可能发生这种破坏。

建筑金属在不同环境中的腐蚀　建筑金属大量应用于金属结构、钢筋、管道和板桩等。由于所处环境不同而有不同的腐蚀和防护特点。

建筑材料往往要求在环境和条件差、影响因素复杂的情况下长期使用，因此它的耐久性就显得特别重要。它是材料科学和使用经济中的一个重大问题。建筑材料在使用中逐步变质失效，有其内部因素和外部因素。材料本身组分和结构的不稳定、低密实度、各组分热膨胀的不均匀、固相界面上的化学生成物的膨胀等都是其内部因素。使用中所处的环境和条件（自然的和人为的），诸如日光曝晒、介质侵蚀（大气、水、化学介质）、温湿度变化、冻融循环、机械摩擦、荷载、疲劳、电解、虫菌寄生等，都是其外部因素。这些内外因素，最后都归结为机械的、物理的、化学的、物理化学的和生物的作用，单独或复合地作用于材料，抵消了它在使用中可能同时存在的有利因素的作用，使之逐步变质而导致丧失其使用性能。各种作用对于材料性能的影响，视材料本身的组分、结构而不同。在建筑材料中，金属材料主要易被电化学腐蚀（见金属材料的耐久性）；水泥砂浆、混凝土、砖瓦等无机非金属材料，主要是通过干湿循环、冻融循环、温度变化等物理作用，以及溶解、溶出、氧化等化学作用（见混凝土的耐久性）；高分子材料主要由于紫外线、臭氧等所起的化学作用(见高分子材料的耐久性)，使材料变质失效；木材虽主要是由于腐烂菌引起腐朽和昆虫引起蛀蚀而使其失去使用性能，但环境的温度、湿度和空气又为菌类、虫类提供生存与繁殖的条件（见竹材和木材的耐久性）。在材料的变质失效过程中，其外部因素往往和内部因素结合而起作用；各外部因素之间，也可能互相影响。建筑材料的耐久性指标，对于传统材料生产中的质量控制、使用条件的规定，特别是新材料的能否推广使用都是关键性的。目前，还只能把材料处在比实际使用状况强化得多的模拟环境和条件（一般只突出一、二种因素）下，进行加速的或短期试验，确定一个表征材料受损、变质、失效以至破坏程度的对比性评价指标。如据此预言材料的远期行为，则仍是困难的，还要求助于类同材料的长期使用经验。由于近代材料科学和统计数学的发展，看来有可能把材料在使用中的变质失效作为某种随机过程来处理，通过数学模拟，并辅以短期试验，从而预测比较可靠的安全使用年限，作为耐久性指标，进行安全使用年限的预测。事实上，对某些金属材料耐久性的研究试验，已开始向这个方向努力。从单一破坏因素着手，分析清楚材料变质失效的机理和过程，对于获得和理解近期评价指标，提出有效的防止变质措施，以至为发展中的理论预测作基础准备等，都是很有价值的。在实际使用环境中，在各种因素综合作用下进行考验的长期数据，则尤为可贵，据此可建立材料在单一因素和复合因素作用下，它的有关行为之间的关系，并可直接检验长期性能预测的可靠性。 2100433B

试验验证

为了验证各种高分子材料的实际使用性能对外界影响的反应，需要进行各种老化试验。其方法大体分为大气老化试验和人工加速老化试验。老化是影响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，其质量必须符合有关大气老化试验国家标准的要求。关于耐久性的评定，应当选择符合真实反映高分子材料老化的评价指标。例如，涂料的老化程度主要是通过漆膜的外观检查；塑料制品则以断裂伸长率、冲击强度；橡胶以测定可塑性、凝胶量、防老剂和防氧剂的消耗量、断裂强度等；对某些高分子材料，还可根据其老化机理选择一些特定的评价指标，如对聚氯乙烯，可测定其热分解速度、分解温度和热稳定时间等。为了得到可靠的结论，有时应选用几个评价指标，通过理论和实验相结合的途径，可望逐步做到预测高分子材料的使用寿命。　在外力作用下使用塑料应注意塑料的蠕变和强度降低。例如，热塑性塑料管用于有压力的输水管路，则应测定不同温度（20～60°C）和长期液压荷载作用下的管材破裂强度值，从而确定管材的设计应力和壁厚。

为了提高高分子材料的耐久性，可根据其老化的内外因素采取不同措施。例如，在配方中加入紫外线吸收剂、防老剂(抗氧剂)，以抑制光、热、氧等外因对高分子材料的作用;改进聚合和成型加工工艺,或采用共混改性等方法，以提高高分子材料本身对外因作用的稳定性。在应用方面,应根据材料性质选择适当的用途。例如,应避免使制品直接暴露于大气中或日光的照射下，也可以采用物理防护方法使高分子材料避免受到外因的作用。

中国应用硬聚氯乙烯塑料管材做室内排水管道已有20余年的历史，有些国家已使用40余年；联邦德国应用聚氯乙烯塑料窗已20余年；许多国家大量在室内使用聚氯乙烯塑料弹性地板，也已有40余年的历史。2100433B

由于金属的电子倾向脱离，因此具有良好的导电性，且金属元素在化合物中通常带正价电，但当温度越高时，因为受到了原子核的热震荡阻碍，电阻将会变大。金属分子之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属伸展性良好的原因。

在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、银、铂、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物，其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。

属于金属的物质有金、银、铜、铁、锰、锌等。在一大气压及25摄氏度的常温下，除汞（液态）外，其他金属都是固体。大部分的纯金属是银白（灰）色，只有少数不是，如金为黄赤色，铜为紫红色。金属大多带“钅”旁。

通常将具有正的温度电阻系数的物质定义为金属。金属元素位于“硼-砹分界线”的左下方，在s区、p区、d区、f区等5个区域都有金属元素，过渡元素全部是金属元素。

在固态金属导体内，有很多可移动的自由电子。虽然这些电子并不束缚於任何特定原子，但都束缚於金属的晶格内；甚至于在没有外电场作用下，因为热能，这些电子仍旧会随机地移动。但是，在导体内，平均净电流是零。挑选导线内部任意截面，在任意时间间隔内，从截面一边移到另一边的电子数目，等于反方向移过截面的数目。