預應力鋼絲在模擬酸雨環境下的腐蝕規律研究

陳秀玲，陳明政，朱佳豪，汪 偉，肖云鳳

(重慶科技學院建筑工程學院，重慶 400074)

預應力鋼材無論在建筑結構還是橋梁結構中的運用都是極為常見，同時也多為關鍵受力部位。由于交通運輸業和工業迅猛發展導致的霧霾及酸雨改變了重慶地區的大氣環境，也加速了預應力鋼材的腐蝕，嚴重影響了預應力結構的安全性和耐久性。

通過查閱文獻和相關資料收集，得到關于國內外因鋼絲腐蝕造成的病害情況表，如表1所示,鋼絲銹蝕是目前較為常見病害之一，同時其造成的影響也是不容小覷。

表1 國內外鋼絲腐蝕病害統計

隨著使用年限的增加，越來越多的因鋼絲腐蝕、老化等問題造成建筑物倒塌事故層出不窮，預應力鋼材的可靠度和耐久性對結構體系的安全影響較大，一旦失效或者發生結構耐久性問題，將產生毫無征兆的脆性破壞。因此，為了減小由于預應力鋼材腐蝕導致結構失效的可能性，本項目結合重慶地區霧霾酸雨環境的特點，科學構建預應力鋼材試件，人工模擬酸雨環境下對預應力鋼筋的腐蝕試驗，深入全面研究預應力鋼筋在各致酸離子影響下的腐蝕規律，并提出合理的耐久性設計建議，為預應力鋼筋結構的耐久性設計和安全保障奠定堅實的基礎。

1 試驗概況

1.1 試件加載裝置設置

試驗所采用的鋼絲為直徑為5 mm的普通熱鍍鋅鋼絲，鋼絲長度為1 000 mm，抗拉強度代表值為1 670 MPa。結合JGT 369-2016《預應力混凝土結構設計規范》規定，鋼絲和鋼絞線的張拉控制應力允許值為0.40fptk～0.75fptk。因此，本次試驗采用三個相同的加載裝置，對每個加載裝置上的鋼絲施加3種不同的張拉控制應力，分別是0.25fptk、0.5fptk、0.75fptk，以求達到對比性效果。

試驗中每個裝置是由足夠剛度的鋼板焊接而成，且經過鍍鋅處理，鋼板厚15 mm、高42 mm、長200 mm、寬200 mm。鋼框兩端分別鉆有3個直徑為9 mm的孔洞，用于固定預應力鋼絲，兩端用直徑為5 mm的單孔夾片式錨具錨固。預應力的施加大小是通過千斤頂來完成，由壓力傳感器顯示讀數，將鋼絲超張拉到設計好的張拉控制應力值后，通過分級張拉進行數據的比對校核，再通過擰動標定件上的螺母來固定位移并穩定應力狀態，使其達到預定的效果，張拉完成后，再拆除千斤頂等預應力加載構件。具體加載裝置詳圖可見圖1。

圖1 加載裝置設計

1.2 人工模擬酸雨環境下的腐蝕試驗

試驗前將整個加固好的試件進行清洗和烘干處理，處理好后再放入腐蝕試驗箱中進行下一步的腐蝕試驗操作。本試驗采用的是將近5 a的重慶酸雨溶液中各離子濃度的加權平均值作為計算依據[1]，模擬的酸雨溶液化學組成表如表2所示。

表2 模擬酸雨溶液組成成分及含量 umol/L

本試驗為酸性鹽霧試驗，嚴格按照國家標準GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕鹽霧試驗》進行[2]。根據酸雨溶液中離子的組成成分及含量表，科學合理的選取相應的化學試劑，用精確度為0.004的分析天平稱取溶劑NaCl 1.00 g，(NH4)2SO417.76 g，KNO31.00 g，MgSO40.96 g，NaNO310.00 g，Ca(NO3)2·6H2O1.5 g，稱取誤差控制在±0.1 g，將稱取好的化學試劑溶于500 mL的燒杯中，再加入純度大于15的去離子水直至500 mL，用玻璃棒攪拌均勻后，將調配好的溶劑移入到5 L的容器中，加去離子水至5 L，溶液的pH值控制在3.1～3.5，若不滿足條件則用冰乙酸和氫氧化鈉進行pH值的調節，pH值的測定選用pH計。

通過鹽霧腐蝕試驗箱模擬大氣酸雨環境，鹽霧腐蝕試驗箱外型尺寸為2 700 mm×1 500 mm×1 500 mm。試驗箱的溫度為35 ℃±2 ℃并保持恒定，采取連續噴霧的方式，每隔48 h取樣、拍照，腐蝕周期為16 d。本次試驗分為3組，放入鹽霧腐蝕試驗箱里，每組試件有3種不同的張拉控制應力，分別是0.25fptk、0.5fptk、0.75fptk，分3個階段進行試驗，分別是4 d、8 d、16 d，每個時間段有一組試驗。通過失重法來測量鋼筋的腐蝕速率，失重法的平行試樣為3個，取平均值，去除鋼筋表面的腐蝕產物采用pH為3的500 mL HCl+500 mL 蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺混合液進行浸泡清洗，取出后用清水清洗和鋼絲球刷掉表面腐蝕產物，放入烘干箱進行烘干，烘干時需要加入白紙作為隔離層，放入吸水沙，溫度控制在100 ℃±2 ℃鼓風烘干，取出后用電子天平稱取質量。

1.3 試驗情況

本次試驗記錄了4～16 d不同的腐蝕現象，其腐蝕情況如圖2～圖4所示。

圖2 腐蝕4d的情況

圖3 腐蝕8d的情況

圖4 腐蝕16d的情況

通過觀察鋼絲表面的腐蝕情況得到預應力鋼絲隨著時間的增長腐蝕現象越明顯；鋼絲表面呈現出分布較為均勻的不同形狀，隨著時間的增長其腐蝕面積也逐步變大，腐蝕深度逐步明顯；同時，鋼絲的腐蝕率與應力的大小密切相關，應力越大腐蝕現象越明顯。

2 結果分析(影響因素)

將預應力鋼絲的應力卸載后用天平稱取腐蝕后的質量，并計算出截面面積，得到相關的計算數據(表3、表4)，通過分析這些數據來得出結論。

通過數據對比分析得到以下腐蝕速率與時間關系圖，見圖5～圖7。

表3 酸雨環境下人工腐蝕鋼絲的腐蝕數據(時間變化)

表4 酸雨環境下人工腐蝕鋼絲的腐蝕數據(應力變化)

圖5 張拉控制應力為0.25fptk的腐蝕速率

圖6 張拉控制應力為0.5fptk的腐蝕速率

圖7 張拉控制應力為0.75fptk的腐蝕速率

3 結束語

(1)通過試驗得到，在同一人工模擬酸雨環境下，保持時間、溫度不變，鋼絲的腐蝕率與預應力的大小有關，所施加的預應力越大，腐蝕速率就越快。

(2)在同一人工模擬酸雨環境下，保持預應力大小和溫度不變，隨著腐蝕時間的變化其腐蝕速率呈現出先增大然后達到一定的腐蝕速率后呈平緩趨勢上升；

(3)在同一腐蝕環境、溫度和時間點下，預應力的大小決定腐蝕速率曲線變化的斜率，預應力越大的，腐蝕速率越大。

(4)通過觀察鋼絲表面的腐蝕情況得到預應力鋼絲隨著時間的增長腐蝕現象越明顯，鋼絲表面呈現出分布較為均勻的不同形狀，隨著時間的增長其腐蝕面積也逐步變大，腐蝕深度逐步明顯。

由于預應力鋼筋在建筑業中使用廣泛，應當隨時關注其耐久性狀態，特別是長期裸露在大氣環境下的鋼筋。通過本項目研究結果可以得到關于鋼筋的耐久性建議：若鋼筋不可避免地長期處于大氣環境下，如橋梁結構應該對其進行隔離防護，增加鋼材的使用壽命；定期對預應力鋼筋結構進行耐久性探測，避免災害的發生。