模擬酸雨腐蝕對低碳鋼力學性能的退化規律

陳夢成,張凡孟,王 超,黃 宏

(華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013)

模擬酸雨腐蝕對低碳鋼力學性能的退化規律

陳夢成,張凡孟,王 超,黃 宏

(華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013)

通過加速腐蝕試驗，拉伸試驗研究了酸雨腐蝕對Q235低碳鋼力學性能的影響。結果表明：隨著腐蝕程度提高，低碳鋼的屈服平臺變緩縮短直至消失，同時抗拉強度明顯下降；腐蝕后的低碳鋼的彈性模量，屈服強度，抗拉強度與伸長率均與腐蝕程度成線性遞減關系。

低碳鋼；酸雨腐蝕；拉伸試驗；力學性能

低碳鋼是當今建筑業應用最廣泛的材料之一。在使用過程中，由于長期受到外界各種因素的影響，低碳鋼材料會發生失效，導致結構產生災難性破壞。低碳鋼與混凝土材料一起使用時，低碳鋼腐蝕會降低其與混凝土之間的粘結性能，從而降低鋼-混凝土結構的使用壽命和承載力。目前，對于混凝土中鋼筋腐蝕后力學性能的研究較多[1-4],但關于酸雨腐蝕后鋼材力學退化規律的研究則較少[5-6]。近年來,大氣環境污染愈發嚴重，酸雨已成為低碳鋼腐蝕的重要環境因素之一。因此，有必要對酸雨腐蝕后鋼材的力學性能進行研究，了解其退化規律。

本工作以低碳鋼為試驗對象，在模擬酸雨溶液中進行加速腐蝕試驗，然后對腐蝕低碳鋼進行拉伸試驗，研究其力學性能的退化規律，通過試驗數據的回歸分析低碳鋼的彈性模量、屈服強度、極限強度和伸長率與模擬酸雨腐蝕程度的關系，希望為鋼-混凝土結構的壽命設計提供參考依據。

1 試驗

1.1 試樣

試驗選用Q235鋼，其化學成分(質量分數)為：0.08%C，0.36%Mn，0.14%Si，0.023%S，0.02%P，余量為Fe。將試驗鋼加工成標準拉伸試樣，試樣厚度均為4 mm，具體尺寸見圖1。

試驗前在試樣的背面、側面以及正面的兩端涂抹防腐蝕漆，以保證腐蝕僅發生在試樣的正面，從而可以定量地測量試樣腐蝕程度。

1.2 加速腐蝕試驗

根據江西氣象資料[7-9]，南昌市酸雨主要的陰離子成份是SO42-，其次是NO3-，陽離子則以H+、NH4+、Mg2+和Ca2+為主。導致低碳鋼腐蝕的主要離子是H+和SO42-。試驗按南昌市酸雨的成分配置模擬酸雨溶液，配置方法見文獻[10-11]。模擬酸雨溶液的成分為：0.99 g/L Na2SO4，0.13 g/L (NH4)2SO4，0.24 g/L MgSO4，0.16 g/L Ca(NO3)2，用HNO3調配溶液pH至2.3。

圖1 標準拉伸試樣的尺寸Fig. 1 Size of standard tensile specimen

將涂抹好防腐蝕漆的試樣兩端打孔，用電線串聯在一起，置于模擬酸雨溶液中。對試樣施加直流電，試樣作為陽極與電源正極相聯，不銹鋼圈作為陰極與電源負極相聯，如圖2所示，控制電流密度為200 μA/cm2。根據法拉第電解定律[12]，通過改變通電時間可控制試樣的腐蝕程度(用ηs表示)。設制4組(12個)試樣的腐蝕程度分別為0，10%，20%，30%。加速腐蝕后試樣的厚度采用超聲波測厚儀(精度為0.01 mm)測量，并根據式(1)計算試樣的腐蝕程度。實測前，用清水將試樣表面的腐蝕產物沖洗干凈，擦干，然后在試樣上涂抹耦合劑并測量腐蝕后試樣的厚度，測量方式采用多點測量，結果取各測量點平均值。

(1)

式中：h0和h則分別為腐蝕前后試樣的厚度。

圖2 加速腐蝕試驗電路圖Fig. 2 Circuit diagram of accelerating corrosion test

1.3 拉伸試驗

在華東交通大學微機控制電子萬能試驗機上對加速腐蝕后試樣進行拉伸試驗，引伸計(標距為50 mm)夾在試樣中部。采用等速位移方式進行加載，拉伸速度為2 mm/s，數據采集系統自動繪制試驗過程中荷載-位移曲線。當鋼材標準拉伸試樣在達到屈服階段后，即取下引伸儀。

2 結果與討論

2.1 拉伸斷裂形貌

由圖3中可知，無腐蝕試樣拉伸斷裂后，截面呈現明顯的頸縮現象，且試樣斷口垂直于拉伸方向；其余三組腐蝕試樣拉伸斷裂后，截面頸縮現象并不明顯，試樣的延性下降，破壞形態逐漸呈現脆性破壞；腐蝕較為嚴重的部分提前屈服，導致試樣斷口的方向較為無序。這主要是由于低碳鋼標準拉伸試樣在加速腐蝕后，表面出現凹凸不平的小蝕坑，呈現出明顯的局部腐蝕特征，而且腐蝕程度越高，局部腐蝕的不均勻性越明顯。

(a) 0% (b) 10%

(c) 20% (d) 30%圖3 不同腐蝕程度低碳鋼試樣拉伸后的形貌Fig. 3 Morphology of low carbon steel specimens corroded in different corrosion degrees after tensile testing

2.2 力學性能

2.2.1 載荷-位移曲線

從圖4中可以看到，無腐蝕試樣具有明顯的屈服平臺和屈服點；當腐蝕程度為10%時，試樣雖仍有明顯屈服平臺，但平臺長度縮短，抵抗變形和破壞能力減弱；當腐蝕程度達到20%時，屈服平臺變短且不明顯，抵抗變形和破壞能力繼續減小；當腐蝕程度超過30%時，屈服平臺消失，試樣的延性嚴重下降，構件破壞趨于脆性破壞。試驗結果表明：腐蝕對低碳鋼的力學性能有影響，而且隨著腐蝕程度的加劇，力學性能退化嚴重，塑性變形消失，斷裂呈脆性破壞。表2為測試得到的不同腐蝕程度低碳鋼試樣的力學性能。

圖4 不同腐蝕程度低碳鋼試樣的荷載-位移曲線Fig. 4 Curves of loading vs. displacement for low carbon steel specimens corroded in different corrosion degrees

2.2.2 彈性模量

從圖5中可以看到，試驗數據雖比較離散，沒有明顯的線性特征，但基本上保持在一定的線性范圍內，隨著腐蝕程度增大，彈性模量呈總體下降趨勢，這表明低碳鋼的剛度發生了退化。線性回歸分析后，得到腐蝕程度與彈性模量的關系如式(2)所示。

(2)

式中：Es為腐蝕后低碳鋼的彈性模量；E0為腐蝕前低碳鋼的彈性模量。

2.2.3 屈服強度

在荷載-位移曲線中，隨著腐蝕程度增大，屈服平臺逐漸縮小，直至消失。從圖6可以看出，隨著腐蝕程度增大，低碳鋼的屈服強度總體呈下降趨勢，試驗數據離散,但基本上保持在一定的線性范圍內。對試驗數據進行線性回歸分析，得到屈服強度與腐蝕程度之間的線性關系如式(3)所示。

表2 不同腐蝕程度低碳鋼試樣的力學性能的測試結果Tab. 2 Test results of mechanical properties of low carbon steel specimens corroded in different corrosion degrees

圖5 低碳鋼的彈性模量與腐蝕程度關系Fig. 5 Relationship between elastic modulus and corrosion degree for low carbon steel

(3)

圖6 低碳鋼的屈服強度與腐蝕程度關系Fig. 6 Relationship between yield strength and corrosion degree for low carbon steel

式中：σs為腐蝕后低碳鋼的屈服強度；σs0為腐蝕前低碳鋼的屈服強度。

2.2.4 抗拉強度

從圖7可以看出，酸雨腐蝕會削弱低碳鋼的抗拉強度，降低結構抵抗變形破壞的能力。通過試驗數據線性回歸分析，得到回歸方程，見式(4)。

圖7 低碳鋼的抗拉強度與腐蝕程度關系Fig. 7 Relationship between tensile strength and corrosion degree for low carbon steel

(4)

式中:σb為腐蝕后低碳鋼的抗拉強度；σb0為腐蝕前低碳鋼的抗拉強度。

2.2.5 伸長率

在荷載-位移曲線中，隨著腐蝕程度增大，低碳鋼彈性變形階段減少，塑性變形消失，當應力達到抗拉強度后立即破壞，脆性破壞特征十分明顯。圖8描繪了低碳鋼的伸長率隨腐蝕程度的變化趨勢，兩者近似為線性關系，其回歸方程見式(5)。

(5)

式中：δ為腐蝕后低碳鋼的伸長率；δ0為腐蝕前低碳鋼的伸長率。

圖8 低碳鋼的伸長率與腐蝕程度關系Fig. 8 Relationship between elongation and corrosion degree for low carbon steel

3 結論

(1) 隨著腐蝕程度的提高，低碳鋼的屈服平臺變緩縮短直至消失，同時抗拉強度明顯下降。

(2) 隨著腐蝕程度的提高，低碳鋼的彈性模量，屈服強度，抗拉強度和伸長率等力學性能呈下降趨勢，雖然離散程度相對比較大，但其特征基本上遵循線性變化規律。

(3) 通過回歸試驗數據建立的腐蝕低碳鋼的彈性模量，屈服強度，極限強度和伸長率等力學性能的線性表達式，既可為今后鋼-混凝土結構全壽命設計理論研究奠定工作基礎，也可為其中解決一些關鍵問題提供試驗數據資料。

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Degradation Law of Mechanical Properties for Low Carbon Steel Corroded in Simulated Acid Rain

CHEN Meng-cheng, ZHANG Fan-meng, WANG Chao, HUANG Hong

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiao Tong University, Nanchang 330013, China)

The effects of acid rain corrosion on mechanical properties of low carbon steel Q235 was studied through accelerated corrosion test and tensile test. The results show that with the increase of corrosion degree, the yield stage decreased till disappeared and the tensile strength of the low carbon steel declined significantly. The elastic modulus, yield strength, tensile strength and elongation of corroded low carbon steel decreased linearly with the increase of corrosion degree.

low carbon steel; acid rain corrosion; tensile test; mechanical property

10.11973/fsyfh-201704010

2015-11-25

國家自然科學基金(51378206;51468017); 江西省自然科學基金項目(20143ACB20008)

陳夢成(1962-),教授,博士,主要從事工程結構材料耐久性,組合結構的研究,0791-87046085,mcchen@ecjtu.edu.cn

TU511.3

A

1005-748X(2017)04-0292-04