酸性土壤腐蝕對錨索力學性能的影響研究

周瑋博

摘 要：針對成都市某建設項目基坑支護所采用的錨索腐蝕問題，分別將施加預應力鋼絞線裸筋、施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋、未施加預應力鋼絞線裸筋和未施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋試樣埋設至人工配制的高腐蝕性土中，在不同時間段內(nèi)測試4種試樣的力學性能，并繪制出力學性能指標隨時間的變化曲線。研究成果對于推斷一定腐蝕條件下錨索錨筋的斷裂荷載及安全評價具有一定的參考價值。

關鍵詞：酸性腐蝕土 錨索 力學性能

Abstract： In order to solve the problem of anchorage corrosion in foundation pit support of a construction project in Chengdu， prestressed steel wire strand was applied to the bare tendon， and prestressed grouting hole of anchor cable was applied respectively. And the unconfined grouting cavities were implanted into the highly corrosive soils. The mechanical properties of the four samples were tested at different time intervals and the mechanical properties were plotted with time. curve. The research results have certain reference value for estimating the fracture load and the safety evaluation of the anchor bar under certain corrosion conditions.

Key words： Acid corrosion soil； Anchor cable； Mechanical property

成都市某建設項目設3層地下室，基坑深度在±0.00以下14.40 m，設計基礎頂面標高為492.35 m，根據(jù)《成都地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》（DB51/T5026-2001）第11.5.3條確定，該工程基坑安全等級為一級。結(jié)合場地周邊條件，擬建場地四周均為市政道路，北為龍港路，東為華泰路，南為成泰路，西華甸路，基坑與道路邊線距離1～3 m，設計應對周邊道路管線進行調(diào)查。建議采用排樁+錨索支護，并應加強支護體系整體結(jié)構(gòu)設計。按照成都市安監(jiān)站文件的要求，錨索應采用擴大頭錨索。

在26#、38#號鉆孔中共取得2件土試樣，根據(jù)土的化學分析報告，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）2009年版第12.2的規(guī)定，對場地土中Cl-含量及pH值進行測定，做場地土對錨索腐蝕性能評價（如表1）。

通過表1可以看出，土中Cl-含量達到70 mg/kg左右，pH值為6.9，土質(zhì)偏酸性，對錨索具有輕微腐蝕性。

長期處于土體、巖石中的錨索錨筋或多或少都會受到不同程度的腐蝕，從而影響其使用壽命。錨筋長期浸泡在水中，由于氧溶入較少，不易發(fā)生電化學反應，錨筋不易被腐蝕，但干濕交替與存在Cl-的環(huán)境對錨索錨筋腐蝕影響極大，其基本原理如下：

Fe→Fe2++2e

2H++2e→H2↑

陰、陽極產(chǎn)生的離子生成初步腐蝕物：

Fe2++2Cl-→Fe（Cl）2

并進一步生成：

2Fe（Cl）2+2Cl-+2H+→2Fe（Cl）3+H2↑

Fe（Cl）3+3H2O→Fe（OH）3+3HCl

Fe（OH）3溶解度較低，呈疏松多孔的薄膜包裹鋼絞線表面，其保護作用較差，腐蝕作用可以持續(xù)進行。

1 錨索腐蝕試驗設計

為了使試驗環(huán)境與錨索實際所處環(huán)境接近，試驗場地定在附近邊坡坡腳。為縮短腐蝕周期，通過加入NaCl和HCl，提高實驗所用土的腐蝕等級，HCl用于控制腐蝕土的pH值。

原始土樣含水量8.14%，pH值6.9。

腐蝕性物質(zhì)含量為Cl-：365 mg/kg，SO24-：6 383 mg/kg；折算后的Cl-含量為：365+6383×0.25=1960.75 mg/kg，腐蝕等級為中等。根據(jù)計算，向每1 kg原始土樣中加入15 g的NaCl，使折算后Cl-的含量大于7 500 mg/kg強腐蝕環(huán)境土的要求；再加入一定量的HCl及適量的水，使腐蝕土處于酸性環(huán)境中，加入量根據(jù)試驗確定。

實驗用土配制好后，取3組樣品進行腐蝕性測定，其中腐蝕性離子含量如下：Cl-：11 575 mg/kg，SO42-：3 427 mg/kg，含水量20%，pH值為6.74，符合強腐蝕等級土的要求。

試驗用錨筋采用單孔錨筋1φ15.24mm，其標準強度為1 860 MPa，由高強度低松弛預應力鋼絞線制作，設計的試驗類型及組數(shù)如下。

（1）原狀鋼絞線1組（3根/組）。

（2）未施加預應力的鋼絞線裸筋9組（3根/組），未施加預應力的注漿空洞缺陷錨索9組（3根/組）。

（3）施加預應力的鋼絞線裸筋9組（5根/組）、施加預應力的注漿空洞缺陷錨索9組（5根/組），施加預應力100 kN/孔，施加的預應力與現(xiàn)場實際錨索錨筋承受的預應力相當。

腐蝕試樣的選取：除原狀鋼絞線外，其余4種腐蝕樣品，每隔2個月取一組進行力學試驗，并通過肉眼對其進行腐蝕情況檢查。

2 錨索腐蝕試樣的力學性能試驗結(jié)果與分析

對4種類型的腐蝕試樣分別進行彈性模量、屈服荷載、斷裂荷載以及伸長率試驗，并繪制了各指標隨時間的變化曲線，如圖1、2、3、4所示，通過計算分析可以得到以下幾個方面。

（1）未施加預應力鋼絞線裸筋腐蝕70 d以后，各項力學性能指標均無明顯降低現(xiàn)象，70 d以后力學性能指標降低較均勻，彈性模量、屈服荷載、斷裂荷載以及伸長率平均降低速率分別為 0.021 5 GPa/d、0.027 8 kN/d、0.065 kN/d、1.955×10-3%/d。330 d內(nèi)，各項力學性能指標平均降低速率均較緩。

（2）施加預應力鋼絞線裸筋、施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋和未施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋試樣的彈性模量曲線在70 d內(nèi)的斜率較大，彈性模量變化較為明顯，降低速率分別為0.046、0.059、0.063 GPa/d。70 d以后，三條曲線均變平緩，彈性模量降低速率變小，平均降低速率分別為0.012、0.017、 0.012 GPa/d。

（3）施加預應力鋼絞線裸筋、施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋和未施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋試樣的屈服荷載、斷裂荷載和伸長率在330 d的腐蝕周期內(nèi)曲線斜率無大的變化，降低較均勻，與時間函數(shù)關系接近于一次函數(shù)線性關系。而未施加預應力鋼絞線裸筋的屈服荷載、伸長率隨時間的變化曲線局部呈拋物線型，與時間的關系呈二次函數(shù)、三次函數(shù)關系。

（4）在相同的強腐蝕環(huán)境中，4種試樣的試驗力學性能指標降低速率各不相同。其中，未施加預應力和施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋的試樣力學性能指標平均降低速率相當且最大，施加預應力鋼絞線裸筋平均降低速率較大，而未施加預應力鋼絞線裸筋平均降低速率最小。

（5）在相同強腐蝕條件下，4種試樣腐蝕330 d的力學性能指標降低速率與大小均有差異。未施加預應力的力學性能指標變化速率及變化量與施加預應力注漿空洞缺陷錨索錨筋相近，均有較大變化，且變化速率較大。而未施加預應力鋼絞線裸筋變化速率及最終變化量最小。鋼絞線裸筋應力腐蝕所占比例較大，應力腐蝕的影響明顯，而注漿空洞缺陷錨索錨筋試樣應力腐蝕的影響較小。注漿空洞缺陷對腐蝕的影響較大。

3 結(jié)論

通過對4種試樣進行330 d的腐蝕試驗，處理分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論如下。

（1）在相同的腐蝕環(huán)境中，注漿空洞缺陷錨索錨筋的腐蝕速率比鋼絞線裸筋快一倍左右，更比無缺陷錨索快。因此，施工過程中要避免注漿空洞缺陷的出現(xiàn)。

（2）在強腐蝕條件下，應力腐蝕對錨索錨筋力學性能的影響較大。因此，在成本范圍內(nèi)，可增加錨筋截面積、降低錨索應力水平等手段降低應力腐蝕，延長錨索壽命。

（3）在對錨索錨筋進行安全性評價時，可在得出斷裂荷載與腐蝕時間關系后，通過擬合斷裂荷載與時間關系的曲線，推斷一定腐蝕條件下錨索錨筋的斷裂荷載。

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