多因素耦合条件下锚索材料腐蚀演变规律_廖灵敏.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：中国长江三峡集团有限公司科研项目（）；新疆兵团重点领域科技攻关计划项目（）；国家自然科学基金青年基金项目（）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（）作者简介：廖灵敏（），女，湖北洪湖人，正高级工程师，博士，从事水工新材料开发及其耐久性研究。：，（）：多因素耦合条件下锚索材料腐蚀演变规律廖灵敏，肖 伟，王媛怡，梁 凯，（长江科学院 材料与结构研究所，武汉；国家大坝安全工程技术研究中心，武汉；水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉；长江勘测规划设计有限责任公司，武汉）摘 要：基于实际工程预应力锚索面临的复杂多因素腐蚀环境，为了更真实全面地掌握其材料腐蚀耐久性及规律，开展了 值、侵蚀性离子（、）、近真实荷载应力耦合作用下的锚索室内加速腐蚀试验。监测了运行中锚索钢绞线锚固荷载变化特性，采用材料微观表征和力学性能测试方法系统研究了锚索钢绞线表观腐蚀演化、产物结构特征以及单位长度质量损失、抗拉强度损失率等时变规律，并分析揭示了相应的腐蚀反应机理。研究表明，荷载应力对钢绞线腐蚀程度有一定加剧作用，与无应力状态下相比，高应力条件下钢绞线抗拉强度损失率显著增大。与 同时存在比 或 单一存在更加速了钢绞线腐蚀，碱性溶液中腐蚀程度相对低于酸性溶液中的腐蚀程度。加速腐蚀试验 后钢绞线单位长度质量损失最高可达 ，抗拉强度损失率最高达到近。该研究可为评估预测真实服役环境中锚索腐蚀耐久性寿命提供科学依据和数据支撑。关键词：锚索；腐蚀；多因素耦合；演变规律；加速试验中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ：；研究背景预应力锚索已广泛应用于国内外水电、矿山、铁路、公路、桥梁等工程领域，尤其是水电工程预应力锚索的应用正朝着大规模、高吨位的趋势迅猛发展，其应用寿命与工程长期运行安全密切相关。锚索材料耐久性是影响锚固工程寿命的关键问题之一。预应力锚索钢绞线为高碳钢，对腐蚀十分敏感，在高应力加载运行时常遭遇低 值地下水浸泡、腐蚀离子侵蚀等恶劣岩土环境，长期演变易发生材料腐蚀损伤或失效，进而导致锚固结构稳定性破坏。开展腐蚀环境下的预应力锚索耐久性研究，对于锚固工程安全性评估及防腐措施制定具有重要的科学指导意义。鉴于实际工程中对预应力锚索开挖取样测试非常受限且现场腐蚀规律观察所需时间漫长，促使研究者们开展室内模拟加速腐蚀试验研究，在接近真实环境基础上通过腐蚀加速实时再现各腐蚀因子作用过程，以探明锚索腐蚀行为规律和机理。一些研究者针对单一因素对锚固材料腐蚀的影响展开了加速腐蚀试验。如：等采用加速试验研究了侵蚀性碳酸环境下锚杆性能的变化。和通过一系列线性应力增加试验，研究了锚杆的应力腐蚀机理，确定了锚杆发生应力腐蚀的临界应力。李富民等研究了氯盐作用下无加载锚索内锚段的腐蚀发展规律，并基于 函数，建立了拉伸性能退化模型。但实际工程中预应力锚固材料腐蚀往往不仅受单一腐蚀因素影响，而是多种腐蚀因素的耦合效应导致其性能劣化。近年来部分研究者试图开展不同腐蚀因素耦合作用对锚固材料腐蚀影响的试验探索研究。汪剑辉等设计了 与荷载应力双因素耦合的锚杆加速腐蚀试验，研究了浓度和应力对其腐蚀过程的促进作用。梁健和 等分别考察了荷载应力、氯盐、硫酸盐复合作用下锚杆腐蚀扩散规律，以及这些因素对腐蚀效应的影响权重。朱杰兵等、王小伟等通过开展室内浸泡预应力锚杆加速腐蚀试验，研究了 值、应力、供氧浓度因素对锚杆腐蚀过程的影响规律。李英勇等、张思峰则以锚索为对象，考察了 值、应力耦合作用下锚索钢绞线单丝单位长度质量损失和断面损失率的时变规律。现场锚固工程中遇到的往往更多的是 值、侵蚀性离子（、）、荷载应力这些因素耦合的复杂腐蚀环境，要获得较全面真实的腐蚀数据，实现对实际工况下锚固结构腐蚀耐久性的科学评估，加速试验中应更全面综合地考虑以上因素的协同作用。目前，国内外对锚固件腐蚀特性的已有研究多是针对预应力锚杆锚筋或锚索钢绞线单丝进行的，虽也涉及了 值或侵蚀性离子（或）的影响，但同时考虑这三者作用的研究在当前文献中仍少见报道，且试验过程中未加载应力或应力水平设置偏离实际工况较多，难以真实反映锚固材料的应力腐蚀行为。因此，本研究采用与现场实际应力水平相当的锚索，开展了锚索钢绞线在荷载应力、值、和 等多重因素耦合作用下的室内加速浸泡腐蚀试验，重点研究锚索钢绞线宏观和微观腐蚀特征、单位长度质量和力学性能等随时间的变化规律及腐蚀机理，以期为评估预测真实服役环境中锚索腐蚀耐久性寿命提供重要的科学依据。预应力锚索加速腐蚀试验 试验材料与设备试验选用公称直径为、标准强度为 的高强度低松弛预应力钢绞线模拟预应力锚索试件。腐蚀加速用介质溶液采用、试剂（国药集团化学试剂有限公司）和蒸馏水配制而成。分别以 试剂、试剂作为、来源，溶液 值通过稀、稀 和 来调整。对于 含量和 含量均为 的情况，溶液 值通过醋酸和氨水来调整。自主设计了一套便于加载高应力和浸泡腐蚀液的目字形腐蚀试验槽，主体框架为 钢筋混凝土结构，分上下两层各穿孔加载 根钢绞线，能承受 孔的预应力。每根钢绞线穿过盛放腐蚀液的 管，以保证相应的试验段浸泡在腐蚀液中。长江科学院院报 年 测试期间使用 计定期检测腐蚀液 值，发现 值变化则更换溶液，以保证溶液成分、浓度、值基本保持恒定。试验槽的设计如图 所示。(a)(b)图 试验槽的设计 试验研究方法由于试验参数较多，为优化试验、节省试验工作量，对应力大小、及 含量、值等因素进行了正交组合试验。各因素水平取值范围主要结合典型工程服役环境实际情况和岩土工程勘察规范（）、水工预应力锚固技术规范（）等相关规范的要求来确定。每个因素取 个水平，其中 含量的 个水平设定为、，亦然；值的 个水平设定为、；应力大小以钢绞线强度利用系数来表示，其 个水平设定为、和。具体的试验组合见表。为了进行对比，另外选取钢绞线试件（无应力）置于空气环境（湿度）下进行相关试验。表 正交组合试验 试验编号因素水平 注：、分别指 含量、含量、值、应力大小。多个工程现场锚杆运行情况研究表明，处于干湿交替或接触水条件下锚杆年腐蚀率加快，承载力下降较大。本试验中对主要腐蚀环境因素进行了强化加速模拟，试验观测时间点可设定为 个月、个月、个月、个月、个月，按此间隔取样进行相关宏微观形貌、结构表征和性能试验。通过 型钢弦式锚索测力计对钢绞线的荷载状态进行定期监测。观察钢绞线腐蚀试样形态变化，包括腐蚀产物分布、厚度、颜色、致密度和附着性等。在钢绞线腐蚀试件表面获取腐蚀产物后，进一步采用稀盐酸进行锈蚀清理。采用天平和游标卡尺测量计算试样失重、单位长度质量损失、断面损失率等腐蚀特征。单位长度质量损失值的获取，即将钢绞线试样除锈后称重，并与原始单位长度质量比较，得到腐蚀前后的单位长度质量差值。利用荷兰帕纳科 射线衍射仪对腐蚀产物进行物相结构表征分析，通过数显液压万能试验机（）测试钢绞线破断力、抗拉强度、断裂伸长率等力学性能。试验结果及分析 钢绞线荷载状态监测情况图 为整个试验周期内监测得到的不同试验条件下钢绞线荷载损失率随时间的变化情况。可以看出，随着时间的推移，不同试验条件下钢绞线荷载或多或少会产生一定的损失，荷载变化趋势大部分都表现为：短期内先急速下降，然后下降趋势逐渐趋于缓和，经历一段时间后逐渐呈现为随季节小幅度周期性波动，与前人研究工作中所述锚索锚固力长期损失的三阶段特征具有一致性。且钢绞线最大荷载损失率均在 以内，与三峡等工程现场实际监测到的锚索荷载损失率变化规律、限值情况都基本一致，如三峡船闸高边坡及地下电站锚索荷载损失率大部分在 以内。这也进一步验证了本加速腐蚀试验模拟实际工程服役环境下锚索腐蚀行为演变的合理性、有效性。其中，试验编号 时，钢绞线荷载损失率在运行约 后由正转负，即存在荷载经历过下降阶段后呈微弱缓慢增加的情况，这主要是钢筋混凝土试验槽部分浇筑部位轻微应力松弛变形所致。由于增加率较小（），可忽略不计。同时，通过锚索锚固荷载下降百分比可以看出，荷载应力的大小对锚固的损失并无明显的影响。钢绞线腐蚀形貌结构演变与腐蚀机理图 为置于空气环境且无应力条件下不同时间的钢绞线宏观形貌变化情况。从图 可知，钢绞线表面发生的腐蚀情况较轻微，试验时间 个月后出现了少量的红色锈点，但主要为浮锈，不伤蚀截面。第 期廖灵敏 等 多因素耦合条件下锚索材料腐蚀演变规律图 不同试验条件下钢绞线荷载损失率随时间的变化情况 图 空气环境、无应力条件下不同腐蚀时间钢绞线宏观形貌变化情况 对比来说，加速腐蚀环境中的钢绞线腐蚀程度显著增强，随着时间增加腐蚀速率明显加快，且各个加速腐蚀条件下钢绞线腐蚀后的宏观形貌变化趋势基本一致。以试验编号的结果为典型，不同加速腐蚀时间点钢绞线的腐蚀宏观形貌如图 所示。可以看出，腐蚀初期，试件表面主要存在少量尺寸较小且深度较浅的点蚀，大多表现为红色粉末状物，少数表现为暗红色，用力擦拭即可去除。这一时期为应力腐蚀的第一阶段，即微裂纹的孕育萌生阶段。此阶段裂纹产生主要是由于拉应力和钢绞线自身的缺陷两者共同作用。随着时间的推移，这些微浅点状腐蚀逐渐演化为坑槽状腐蚀、条状腐蚀乃至片状腐蚀，试件表面也逐渐覆盖一层暗红色的膜，厚度达到 左右，与钢绞线表面粘接力增强，钢绞线表观体积显著增大。图 不同加速腐蚀时间钢绞线表面宏观形貌变化情况（试验编号）这些红色或暗红色的粉末状物和膜状物即为钢绞线腐蚀产物。图 和表 为不同试验条件下运行 个月后钢绞线表面腐蚀产物的 射线衍射测试与物相分析结果。可以看出，空气环境中供氧充足，钢绞线表面腐蚀产物主要是。对于加速腐蚀试验环境，腐蚀产物中的铁氧化物不仅包括，还包括、等，应与氧气不充足或弱碱性条件有关。根据各试验条件下腐蚀液中离子种类和浓度的不同，腐蚀产物中还相应包括了、（）及其水化物，以及、及其水化物。不同试验条件下腐蚀液组成有所区别，对钢绞线腐蚀反应过程的影响不同，因此腐蚀产物的物相结构亦有所区别。初步分析了不同试验条件下钢绞线的腐蚀反应过程和机理，如下：首先是 失去电子价态升高，同时在阴极发生氧的去极化过程：（）。（）然后在氧气作用下被进一步氧化：（）（）。（）（）失水后，会形成红色铁锈：（）。（）在氧气不充足或弱碱性环境下，可能发生如下反应生成、及：（）；（）（）。（）长江科学院院报 年 1 02 03 04 05 06 07 08 09 04 5 0 05 0 0 05 5 0 06 0 0 06 5 0 07 0 0 07 5 0 0F e (1 1 0)(2 1 0)/(a.u.)(0 0 1)8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 8 0 0 (0 2 0)(1 6 1)(0 3 1)(1 2 1)(1 1 0)(1 2 0)1 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 8 0 0 (1 3 2)(0 0 9)(3 1 1)(2 1 0)F e2O3H2OF e C l2F e3O4F e2O3H2OF e C l3H2OF e2(S O4)38 H2O-F e O O HF e2O3H2O-F e O O HF e2O3H2OF e C l36 H2OF e2O3H2O-F e O O HF e3O4F e2O3H2OF e2(S O4)38 H2O-F e O O Hx H2OF e2O3H2OF e2O3H2O1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0/(a.u.)/(a.u.)/(a.u.)/(a.u.)(a)(b)(c)试验编号(e)(f)(g)1