基于pH作用下的預應力錨桿腐蝕損傷行為研究

蔣春霞

摘要：控制土層和結構間的相對位移目前應用最好的是預應力錨桿。在復雜的地質環境中預應力錨桿使用久了就會被銹蝕損傷甚至破壞。本文通過在實驗室內對預應力錨桿進行加速腐蝕試驗，描述了預應力錨桿表觀腐蝕演化在PH值不同的情況下腐蝕損傷機制，基于數據分析得到了預應力錨桿的極化曲線，為分析土層中的預應力錨桿損傷變化行為提供了分析方法、分析手段和數據支撐。

Abstract： The best application for controlling the relative displacement between soil layer and structure is the prestressed anchor. In complex geological environments， prestressed anchors can be damaged or even damaged by rust after a long period of use. In this paper， the accelerated corrosion test of prestressed anchors in a laboratory is used to describe the corrosion damage mechanism of the apparent corrosion evolution of prestressed anchors under different pH values. Based on the data analysis， the polarization curve of the prestressed anchor is obtained， which provides analysis methods and data support for analyzing the damage change behavior of the prestressed anchor in the soil layer.

關鍵詞：預應力錨桿;腐蝕損傷;pH

Key words： prestressed anchor;corrosion damage;pH

中圖分類號：TV223 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0175-03

0 ?引言

隨著國家基礎工程的不斷擴大，預應力錨桿被常用在礦山、隧洞支護和大型高邊坡工程中的治理與維護。常常由于地質條件的復雜多變，存在于土層中的預應力錨固結構經過一段時間之后會發生注漿體開裂、波紋管破損、錨頭裹漿不足等腐蝕情況，高應力、高地溫以及滲流作用引起錨桿預應力狀態的改變導致錨固體失效[1];之前的很多研究表明腐蝕破壞是影響錨固構件耐久性的最主要的因素，對于這一方面也取得了不少的成果，例如三峽工程的邊坡巖體錨固構件內錨段張拉力損失，證明在中性稍微偏堿的地下水環境中對鋼絞線的腐蝕影響比較小，所以預應力損失較小。本文主要探究在室內實驗室里基于酸堿度pH的情況下預應力錨固結構腐蝕機理，為現場開展預應力錨固結構的壽命預測提高科學上的參考。

1 ?預應力錨桿腐蝕試驗

1.1 準備試驗材料

本實驗是在室內實驗室完成的，本次試驗選用的材料是一級鋼筋HPB235直徑是Φ6mm。一共選用了三組試驗，在實驗過程中材料的力學性能如表1。

試驗中的錨固槽為3×3的鋼筋棍凝土結構，試驗用的一級鋼筋先用稀酸把表面的銹跡出去晾干待用。由于材料的腐蝕速度與空氣中的氧氣的濃度有關，本次試驗的所有過程都在真空容器中進行。在每次實驗時保持腐蝕液pH值基本不變，對試件施加其極限應力的40%的預應力。

1.2 電化學測試

本次試驗是在腐蝕池為直徑80mm的PVC管里讓試件鋼筋為工作電極（WE），飽和甘汞電極（SCE）為參比電極（RE），石墨棒作為輔助電極（CE），做腐蝕液分別為酸性、中性、堿性時三次試驗。把工作電極WE、輔助電極CE 分別用絕緣導線綁扎起來并保持一定的凈距離。采用掃描速率為0.5mV/s，掃描區間為-35mV～35mV的電動位掃描。試驗時間為六個月，前兩個月為每天采集一次數據，后后四為每三天采集一次數據，然后利用Corrview數據分析軟件對采集到的數據進行擬合極化分析。電化學測試裝置示意圖如圖1。

1.3 電化學測試方法

試驗過程中采用線性極化技術對腐蝕預應力錨桿進行電化學測試，該技術是通過在腐蝕電位附近的微小極化測量金屬腐蝕速度的方法[2]，最先由Stern和Geary提出。試驗步驟是：先在腐蝕電位E附近對金屬體系施加微量的極化電流ΔI，根據簡單歐姆定律有電位變化ΔE和外加極化電流ΔI之間存在線性關系，這種線性關系斜率為極化電阻Rp，極化電阻RP和金屬材料腐蝕電流密度icorr之間存在一定的可以用Stern-Geary方程式表達的數量關系，這樣就可以測得電化學反應時系統的腐蝕電流密度icorr。其中Stern-Geary公式為：

其中：Δm為時間t內腐蝕損失的質量，單位為克（g）;A為試件的表面積，單位平方厘米（cm2）;M為鐵的摩爾質量，其大小為56g/mol;t為腐蝕時間，單位為天（d）;n為鐵腐蝕時損失的電子數;F法為法拉第常數，大小為96485C/mol。

2 ?試驗結果與分析

2.1 預應力錨桿外觀銹蝕特征

試驗試件在經過六個月的電化學測試浸泡后取出，用酸洗除銹后，觀察不同pH值下預應力錨桿銹蝕外觀特征如圖2、表2所示。

由表2可以得到，隨著pH值得降低，錨桿表面腐蝕越來越嚴重，因此可以得到結論，預應力錨桿在酸性條件下容易被腐蝕，而堿性環境對預應力錨桿則能起到一定的保護作用（阻銹）。

2.2 pH值對預應力錨桿的腐蝕機制

本次試驗把測得的腐蝕電流密度時變曲線繪成如圖3。

由以上三個曲線我們得到的結論是：在通電測試初期預應力錨桿的腐蝕速率都是比較平緩的，基本維持在某一直線平衡狀態，隨著測試時間延長（80天左右），預應力錨桿腐蝕速率就開始加速，但是，當預應力錨桿腐蝕到一定程度后，錨桿表面覆蓋了一層厚厚的惰性的銹蝕物使得腐蝕速率放緩。該結論與Li F.等[3]得出的Cl-侵蝕下錨桿腐蝕失重率隨時間變化規律是一致的。

3 ?結論

通過浸泡于不同pH中的預應力錨桿通電化學測試，從得到的數據我們可以得出以下結論：①預應力錨桿在中堿性環境耐腐蝕能力大于在酸性環境中。②在腐蝕過程中預應力錨桿即腐蝕速率是緩慢-加速-平穩快速的變化規律，這一規律剛好符合Boltzmann方程。

參考文獻：

[1]謝璨，李樹忱，李術才，等.滲透作用下土體蠕變與錨索錨固力損失特性研究[J].巖土力學，2017，38（8）：313-321.

[2]李久青，杜翠薇.腐蝕試驗方法及監測技術[M].北京：中國石化出版社，2007.

[3]王小偉，朱杰兵，李聰.pH和O2協同作用下預應力錨桿腐蝕損傷行為試驗研究[J].北京：巖土力學，2019.

[4]程良奎，范景倫，韓軍，等.巖土錨固[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

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