服役環境下鍍鋅鋼絲力學性能影響因素分析

孟二從, 姚國文, 余亞琳, 古李豐, 鐘 力

(1.重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室, 重慶 400074; 2.西南大學 工程技術學院, 重慶 400715)

與此同時,拉索在服役過程中,不但需要承受工程結構自身的質量,還需承受各種交變荷載的作用,如橋梁工程中的拉索需承受各種汽車荷載作用.在交變荷載的反復作用下,拉索會產生疲勞損傷[10-13].蘭成明等[10-11]探討了拉索疲勞壽命的影響因素,并基于三參數函數模型,提出了平行鋼絲拉索的疲勞壽命預測模型.Castillo等[12-13]對拉索的疲勞壽命模型進行了研究,提出一個多參數Weibull疲勞壽命預測模型.

以上研究大多集中于靜態應力或無應力狀態下拉索的腐蝕[6-9],或無腐蝕狀態下拉索在疲勞荷載作用下的性能分析[10-13],對拉索在荷載和環境耦合作用下力學性能的研究則相對較少[5].本文在此基礎上,以工程中常見的鍍鋅平行鋼絲拉索為研究對象,通過對鍍鋅鋼絲展開荷載和環境耦合作用下的加速試驗,觀察其腐蝕損傷過程,并對其力學性能進行分析,以期為服役環境下鍍鋅平行鋼絲拉索的損傷評估及其進一步理論研究提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

以腐蝕時間、加載方式為變化參數,設計制作了16組腐蝕疲勞加載試件.參照JGJ 257—2012《索結構技術規程》規定,試驗所用鋼絲為直徑5.2mm 的鍍鋅高強鋼絲,其抗拉強度標準值fptk=1860MPa,每組使用至少2根鋼絲進行試驗,加載方式分交變應力(a)、靜態應力(s)、無應力(u)3種,并對同一組試件的相關試驗結果取平均值進行分析.試件編號S-0-u表示鍍鋅鋼絲、腐蝕時間為0、無應力；其余以此類推.試件相關力學性能由3根鋼絲的實測值取平均值得到.

1.2 荷載和環境耦合作用的施加

在YC-200型鹽霧試驗箱內,通過人工加速酸性鹽霧腐蝕試驗來模擬自然界中的高溫、酸雨和酸霧環境.參考GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗—鹽霧試驗》相關規定,試驗所用鹽溶液為5%(質量分數)的NaCl溶液,且在溶液中加入濃硫酸將pH值調至1,以此來進行加速酸性鹽霧腐蝕試驗.試驗溫度為(50±2)℃,氣壓控制在70～170kPa,噴霧量為250mL/(m2·h).

試驗所用鋼絲施加的荷載分為交變荷載、靜力荷載和無荷載3種情況,鋼絲的長度為5.4m,誤差為±1mm,并測量其每m質量;隨后將其穿過腐蝕試驗箱,并用ZDK液壓穿心自鎖式千斤頂施加相應的荷載(見圖1).

圖1 試驗加載裝置Fig.1 Test loading device

參考JTG/T D65-01—2007《公路斜拉橋設計細則》規定拉索安全系數為2.5(即容許應力不超過拉索所用鋼材標準強度的40%),本文所用鋼絲的容許應力為744MPa.本試驗在保證所施加的拉伸應力不超過鋼絲屈服強度的前提下,將所施加拉伸應力提升到鋼材標準強度的60%,即1100MPa,以此來達到加速試驗的目的.其中：對于靜態荷載,24h 恒定施加;對于交變荷載,其加載周期為4h,即2h加載,2h卸載.

在整個試驗過程中,每隔24h打開鹽霧腐蝕箱,對鋼絲腐蝕情況進行拍照記錄,并對溶液箱中溶液的剩余量進行檢查,以保持腐蝕環境穩定.達到預設腐蝕時間后,首先取出試件,對試件的腐蝕部位進行檢查拍照;隨后用0.5mol/L的稀硫酸進行清洗,以此來清除鋼絲表面的腐蝕產物;然后用高溫吹風機烘干,稱量腐蝕后鋼絲的每m質量,并取1cm以內試樣,放在高倍顯微鏡下觀測其表面形態;最后截取試件中部長度為1m的鋼絲進行拉伸試驗,以此來測量荷載和環境耦合作用下鍍鋅鋼絲力學性能的變化.

2 試驗現象與分析

從整個試驗過程來看,不同加載方式下鋼絲的表面變化情況在腐蝕前期基本一致.隨著腐蝕時間的延長,可以發現經過相同腐蝕時間后,施加交變應力試件的銹蝕程度最大,其次為靜態應力加載試件,無應力純腐蝕試件的銹蝕程度最小.但無論何種加載方式,其銹蝕過程均可劃分為如下5個階段,即鋼絲完好→鋼絲鍍鋅層銹蝕→鋼絲基質輕微點蝕→鋼絲基質大量坑蝕→鋼絲發生應力腐蝕和腐蝕疲勞.這與JTG TH21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》中將拉索鋼絲銹蝕程度劃分的5級標準相對應,但JTG TH21—2011中相關定性描述較為粗略.本文在此基礎上,對試驗過程進行更為詳細的定性描述并進行相關分析.

在鋼絲完好階段,鋼絲未發生銹蝕現象,表面泛著金屬光澤,其銹蝕程度定為Ⅰ級.在鋼絲鍍鋅層銹蝕階段,由于腐蝕介質的影響,鋼絲表面出現白銹,其主要化學組成是(Zn(OH)2)3·ZnSO4·5H2O.此時鋼絲表面局部位置的鍍鋅層耗盡,其外觀表現為白銹中間摻雜極少量的紅銹,除銹后可見鋼絲表面均勻光滑,無明顯凹坑,放在顯微鏡下可見試件的腐蝕程度比較輕微，其銹蝕程度定為Ⅱ級.在鋼絲基質輕微點蝕階段,鋼絲表面的鍍鋅層逐漸耗盡,白銹逐漸減少,而紅銹逐漸增多.去除腐蝕產物后,有肉眼可見的蝕坑,并且在鍍鋅層腐蝕孔位置處可見黑色的氧化物,其化學組成主要是Fe(OH)3、Fe2O3·H2O和Fe2(SO4)3·8H2O.在顯微鏡下可見蝕坑的面積和深度逐漸增大,蝕坑寬度在0.21mm左右，其銹蝕程度定為Ⅲ級.在鋼絲基質大量坑蝕階段,鋼絲外觀由大量紅銹覆蓋,去除腐蝕產物后可見密集蝕坑,在顯微鏡下可見許多蝕坑融合連在了一起,成為一個蝕坑或溝槽,其面積和深度也進一步加大,此時蝕坑寬度已達0.24mm，其銹蝕程度定為Ⅳ級.在鋼絲應力腐蝕和腐蝕疲勞階段,鋼絲發生嚴重銹蝕,其表面基本完全被紅銹包裹.去除腐蝕產物后可見大面積蝕坑,鋼絲表面也變得暗淡無光,在顯微鏡下可見蝕坑面積和深度明顯增大,蝕坑寬度達到0.98mm.在此階段,將其銹蝕程度定為Ⅴ級.

圖2為與5級銹蝕程度分級相對應的各級鋼絲銹蝕圖例.圖3為銹蝕鋼絲除銹后的圖例.圖4為銹蝕鋼絲除銹后在顯微鏡下的表面蝕坑圖.

圖2 各級鋼絲銹蝕圖例Fig.2 Rust figure of wire under different corrosion levels

圖3 銹蝕鋼絲除銹后的圖例Fig.3 Figure of wire after rust cleaning

圖4 銹蝕鋼絲在顯微鏡下的表面蝕坑圖Fig.4 Surface etch pit figure of rust wire under the microscope

3 試驗結果及其影響因素分析

在荷載和環境耦合作用試驗后,對各試件的腐蝕失重率PW、屈服強度Rp、抗拉強度Rm、彈性模量E和斷后伸長率A等物理力學性能指標進行測試分析.

3.1 腐蝕失重率

拉索在荷載和環境耦合作用下的腐蝕失重率可

以較為直觀地反映其腐蝕損傷程度,圖5為試驗結束后實測試件在不同應力作用下,PW隨腐蝕時間的變化.由圖5可知：在相同腐蝕時間下,處于交變應力作用下試件的PW最大,靜態應力作用下次之,無應力狀態下最小.這主要是因為在交變應力的作用下,鋼絲表面產生不規則的滑移帶;同時,侵蝕環境介質的滲入阻礙了滑移帶的重新閉合,加速了滑移帶的形成,使得鋼絲表面的鍍鋅保護層迅速腐蝕,導致其PW最大[14];在靜態應力作用下,由于沒有循環反復的應力作用,鋼絲表面的鍍鋅保護層破壞程度相對較小,故其PW次之;在無應力作用情況下,鋼絲表面的鍍鋅保護層由于沒有外力的破壞,其發生的腐蝕為單一的環境腐蝕,因而其PW最小.

圖5 腐蝕失重率隨腐蝕時間變化曲線Fig.5 Change curve of PW with corrosion time

由圖5還可知：在不同應力作用下,隨著腐蝕時間的延長,PW均呈現出逐漸增大的趨勢.總體而言,試驗結果的變化趨勢與Boxlucass函數吻合良好.基于Boxlucass函數模型,對試驗結果進行最小二乘法擬合,其擬合方程如式(1)所示：

PW=a(1-bx)

(1)

式中:a、b為擬合系數.當在交變應力作用下時,a=4.3030,b=0.9976,擬合方程的相關系數R2=0.9757;當在靜態應力作用下時,a=3.9753,b=0.9979,擬合方程的相關系數R2=0.9976;當無應力作用時,a=3.6470,b=0.9978,擬合方程的相關系數R2=0.9937.擬合曲線與試驗結果吻合良好(見圖5).

3.2 屈服強度與抗拉強度

圖6為量綱歸一化后試件屈服強度在荷載和環境耦合作用下的變化,其中RP,i表示未經腐蝕及荷載作用時,鍍鋅鋼絲的屈服強度.由圖6可知：隨著腐蝕時間的延長,試件的屈服強度呈逐漸下降的趨勢,并且在相同的腐蝕時間下,受交變應力作用試件的屈服強度下降幅度最大,靜態應力次之,無應力荷載作用下其下降幅度最小.由此可知：鍍鋅鋼絲的屈服強度隨著腐蝕時間的增加而呈逐漸減小的趨勢,在相同腐蝕時間下,其屈服強度衰減幅度依次為交變應力>靜態應力>無應力.這主要是因為經相同腐蝕時間后,處于交變應力與腐蝕環境耦合作用下的試件,由于交變應力的反復作用,鋼絲內部的滑移帶加速形成,使得試件內部產生疲勞損傷,與此同時,鋼絲在腐蝕環境下又會發生電化學腐蝕反應,從而使得試件內部產生腐蝕損傷,當2種損傷同時存在時,二者之間起到了一個相互促進、加速損傷的作用[14],導致試件的屈服強度下降幅度最大.而處于靜態應力與腐蝕環境耦合作用下的試件,由于沒有反復循環的應力作用,使得試件的損傷程度次之,試件屈服強度的下降幅度次之.處于無應力作用下的試件,其發生的是單一腐蝕損傷,損傷程度最小,故而其屈服強度下降幅度最小.

圖6 屈服強度隨腐蝕時間變化及擬合曲線Fig.6 Change and fitting curve of yield strength with corrosion time

總體而言,試驗結果的變化趨勢與冪函數吻合良好.基于冪函數模型,對試驗結果進行最小二乘法擬合,其擬合方程如式(2)所示：

(2)

式中：c為擬合系數.當在交變、靜態及無應力作用下時,c分別為0.0131、0.0089和0.0031,擬合方程的相關系數R2均達到0.98以上.擬合曲線與試驗結果吻合良好(見圖6).

圖7為量綱歸一化后試件抗拉強度Rm在荷載和環境耦合作用下的變化,其中Rm,i表示鍍鋅鋼絲未經腐蝕及荷載作用時的抗拉強度.由圖7可知：當加速腐蝕時間在1200h以內時,隨著腐蝕時間的延長,試件的抗拉強度呈現出一定的波動性,其波動幅度在3%以內;而在相同腐蝕時間下,經不同應力作用后,試件的抗拉強度基本相同.由此可知：試件的抗拉強度受荷載類型及腐蝕時間的影響相對較小,這主要是因為腐蝕前后,試件的材質是一樣的,從而使得其抗拉強度變化幅度不大.

圖7 試件抗拉強度隨荷載和腐蝕時間的變化Fig.7 Change of bearing strength of specimen with load and corrosion time

3.3 彈性模量

圖8為量綱歸一化后試件彈性模量在荷載和環境耦合作用下的變化,其中Ei表示未經腐蝕及荷載作用時,鍍鋅鋼絲的彈性模量值.由圖8可知：經不同荷載類型及腐蝕時間作用后,除1200h交變應力與環境耦合作用試件S-1200-a,其余試件的E/Ei值基本均在1左右波動,其波動幅度在5%以內.這主要是因為彈性模量是一個對材料組織不敏感的性能指標,故經不同腐蝕作用后試件的彈性模量變化幅度不是很大;而經1200h交變應力與腐蝕環境作用后試件S-1200-a的彈性模量出現了較為明顯的下降幅度,這可能是因為經1200h交變應力與腐蝕環境作用后,試件內部積累了足夠多的內應力而得不到釋放,從而使得其彈性模量出現較為明顯的下降[15].

圖8 試件彈性模量隨腐蝕時間變化Fig.8 Change of elastic modulus of specimens with corrosion time

3.4 斷后伸長率

圖9為量綱歸一化試件斷后伸長率的變化,其中Ai表示未經腐蝕及荷載作用時,鍍鋅鋼絲的斷后伸長率.由圖9可知：隨著腐蝕時間的延長,試件的斷后伸長率均呈現出逐漸下降的變化趨勢,在靜態應力及無應力作用下,其變化程度較為接近,而在交變應力作用下,其下降幅度要明顯大于其在靜態應力或無應力作用下的下降幅度,并且由試驗結果可知,在交變應力及侵蝕環境耦合作用下,經1200h作用后,試件斷后伸長率實測值為2%,已遠小于GB/T 17101—2008《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》中其伸長率不得小于4%的規定.由此可知：在荷載與環境耦合作用下,隨著腐蝕時間的延長,試件的斷后伸長率呈逐漸下降的趨勢,并且在交變應力與侵蝕環境的耦合作用下,其下降的幅度更為明顯;經長時間作用后,其值甚至會遠低于規范規定的限值,因而在實際工程中可能會造成結構脆性斷裂的安全隱患.對此,工程人員需要引起高度的重視.

圖9 試件斷后伸長率隨腐蝕時間變化情況圖Fig.9 Change figure of specimens’ elongation after fracture with corrosion time

4 結論

(1)基于鋼絲的5級銹蝕標準,對各級鋼絲的腐蝕程度進行了更為詳細的定性描述,可以為服役環境下拉索結構中鍍鋅鋼絲的腐蝕評估提供參考.并且基于Boxlucass函數模型,給出了試件在不同應力作用下的PW擬合方程.

(2)鍍鋅鋼絲屈服強度隨腐蝕時間延長呈現逐漸減小的趨勢,在相同腐蝕時間下,其屈服強度衰減幅度依次為交變應力>靜態應力>無應力.試件的抗拉強度受荷載類型及腐蝕時間的影響則相對較小.

(3)當腐蝕時間小于1200h時,試件彈性模量變化幅度相對較小,但經1200h交變應力與環境耦合作用后,試件彈性模量出現較為明顯的下降.

(4)在荷載與環境耦合作用下,隨著腐蝕時間的延長,試件的斷后伸長率呈現逐漸下降的趨勢,而在交變應力與環境的耦合作用下,其下降的幅度更為明顯.