銹蝕高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能退化的試驗(yàn)研究

龔 帆，齊盛珂，鄒易清，林才奎，王 琛，周海俊

(1. 深圳大學(xué)城市智慧交通與安全運(yùn)維研究院，廣東，深圳 518060；2. 深圳大學(xué)廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣東，深圳 518060；3. 柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西，柳州 545006；4. 保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東，廣州 510620)

纜索在施工和使用過(guò)程中由于防護(hù)層破損滲漏等原因，腐蝕介質(zhì)與高強(qiáng)鋼絲直接接觸導(dǎo)致其銹蝕[1]。銹蝕雖然可以延緩但無(wú)法避免，隨著時(shí)間推移，銹蝕高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能退化并最終導(dǎo)致拉索的失效[2]。現(xiàn)有工程案例表明銹蝕是導(dǎo)致高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能退化、降低纜索構(gòu)件適用性和耐久性的主要原因之一[3?4]。纜索是大跨橋梁的主要承重構(gòu)件，換索雖然技術(shù)可行但往往耗費(fèi)不菲，精準(zhǔn)有效的評(píng)估并判定銹蝕高強(qiáng)鋼絲的承載性能，對(duì)于纜索承重橋梁的維護(hù)和管理工作具有重要的參考價(jià)值。

Betti 等[5]對(duì)懸索橋高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行了加速銹蝕試驗(yàn)，研究其劣化機(jī)理并對(duì)高強(qiáng)鋼絲耐久性進(jìn)行了深入分析。徐俊等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究總結(jié)了高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能隨銹蝕程度變化的規(guī)律，并對(duì)鋼絲的退化過(guò)程進(jìn)行了模擬，提出了鋼絲在各階段的力學(xué)性能退化模型。Furuya 等[7]在不同干濕環(huán)境條件下對(duì)纜索進(jìn)行長(zhǎng)期暴露銹蝕實(shí)驗(yàn)，將銹蝕高強(qiáng)鋼絲按所處環(huán)境劃分為四類，并認(rèn)為高溫和索內(nèi)水分是銹蝕的主要原因。Suzumura 等[8]繼續(xù)對(duì)Furuya 等[7]得到的結(jié)果進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)研究試劑濃度、環(huán)境的溫度和濕度對(duì)銹蝕速率的影響，估算了鍍鋅高強(qiáng)鋼絲鍍鋅層的損耗時(shí)間。Li 等[9]對(duì)高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行人工加速銹蝕，評(píng)估均勻銹蝕深度與坑蝕深度隨時(shí)間的變化，建立了坑蝕系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布模型。Nakamura 等[10]將未破損與人工開(kāi)口的高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行了不同等級(jí)的疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銹蝕高強(qiáng)鋼絲疲勞強(qiáng)度隨銹蝕程度的增加而降低。馬小利等[11]針對(duì)高強(qiáng)鋼絲銹蝕失效問(wèn)題建立了平行拉索銹蝕時(shí)變失效概率模型，預(yù)測(cè)在役拉索高強(qiáng)鋼絲銹蝕程度及其失效概率。Lan 等[12]對(duì)高強(qiáng)鋼絲采用酸性鹽霧銹蝕并進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，建立疲勞損傷演化模型，結(jié)果表明隨著銹蝕程度的增加，高強(qiáng)鋼絲的疲勞壽命顯著降低。Jiang 等[13]對(duì)銹蝕高強(qiáng)鋼絲的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了一種基于三維測(cè)量數(shù)據(jù)的高強(qiáng)鋼絲壽命預(yù)測(cè)方法。Montoya 等[14]采用三維隨機(jī)場(chǎng)的有限元模型研究了銹蝕拉索的承載性能退化。北京中交宇科技有限公司[15]基于重慶李家沱長(zhǎng)江大橋斜拉索的HDPE護(hù)套破損、高強(qiáng)鋼絲外觀、力學(xué)性能及拉索的拉伸力學(xué)性能測(cè)試等相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院[16]根據(jù)銹蝕高強(qiáng)鋼絲的外觀形貌將其劃分為六個(gè)等級(jí)進(jìn)行描述。

上述研究為銹蝕高強(qiáng)鋼絲的形貌、力學(xué)性能退化提供了初步依據(jù)，對(duì)于檢測(cè)評(píng)估拉索力學(xué)性能退化具有重要的意義。然而，在工程檢測(cè)實(shí)踐應(yīng)用中，開(kāi)窗的拉索高強(qiáng)鋼絲處于服役狀態(tài)，檢測(cè)人員需要以外觀檢測(cè)、銹蝕產(chǎn)物來(lái)評(píng)估其銹蝕和力學(xué)性能退化程度。本文綜合銹蝕產(chǎn)物分析、三維掃描形貌及力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，將高強(qiáng)鋼絲按表觀形貌、銹蝕率、銹蝕成分和力學(xué)性能等參數(shù)綜合指標(biāo)劃分等級(jí)，以期補(bǔ)充《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[16]中高強(qiáng)鋼絲的分類指標(biāo)，為銹蝕高強(qiáng)鋼絲工作性能與使用壽命評(píng)估提供依據(jù)及拉索構(gòu)件的維護(hù)和管理提供參考。

1 銹蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法及工況

試驗(yàn)所采用的高強(qiáng)鋼絲由某纜索公司提供，參數(shù)為：長(zhǎng)500 mm，直徑7.00±0.07(mm)，含碳量0.8%，鍍鋅層重量300 g/m2，斷后伸長(zhǎng)率大于4%，疲勞壽命大于200 萬(wàn)次，標(biāo)準(zhǔn)極限強(qiáng)度1770 MPa，彈性模量范圍195 GPa～205 GPa。共測(cè)試了12 組高強(qiáng)鋼絲，每組14 根，試驗(yàn)工況如表1 所示。每組高強(qiáng)鋼絲的標(biāo)號(hào)為T-i(T 為每組銹蝕天數(shù)，i≤14 為自然數(shù)，代表相同銹蝕天數(shù)試件的編號(hào))。銹蝕前用精度為0.01 g 的電子天平稱重高強(qiáng)鋼絲，然后用環(huán)氧樹(shù)脂包裹其兩端各50 mm 避免其銹蝕。采用F-90C 智能型全自動(dòng)鹽霧試驗(yàn)機(jī)對(duì)高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行連續(xù)噴霧，噴霧溶液為濃度50 g/L 的NaCl，噴霧量為2 mL/h，PH 值為7，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度設(shè)為45 ℃。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

銹蝕完成后，用濃度為10%的鹽酸溶液酸洗，并用精度為0.01 g 的電子天平再次稱重銹蝕高強(qiáng)鋼絲并計(jì)算其質(zhì)量損失率，本文取質(zhì)量損失率作為銹蝕率，計(jì)算公式為：

式中： ξ/(%)為高強(qiáng)鋼絲銹蝕率；m0/g 為未銹蝕高強(qiáng)鋼絲質(zhì)量；m1/g 為銹蝕高強(qiáng)鋼絲經(jīng)酸洗后的剩余質(zhì)量。

1.2 銹蝕產(chǎn)物分析

圖1 不同銹蝕天數(shù)產(chǎn)物XRD 波譜圖Fig.1 XRD Spectra for corrosion products with different corrosion days

高強(qiáng)鋼絲銹蝕至指定天數(shù)后，烘干并取其表面銹蝕產(chǎn)物，用高分辨率X 射線衍射儀(X-Ray Diffraction, XRD)測(cè)出波譜以確定銹蝕產(chǎn)物中所含化合物，用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)對(duì)銹蝕產(chǎn)物進(jìn)行電鏡掃描與能譜分析，確定銹蝕產(chǎn)物中各元素含量。圖1 所示為銹蝕10 d 和銹蝕90 d 的高強(qiáng)鋼絲銹蝕產(chǎn)物XRD波譜圖，圖2 為不同銹蝕天數(shù)的電鏡掃描微觀圖，圖3 為不同銹蝕天數(shù)的產(chǎn)物能譜圖，表2 為銹蝕產(chǎn)物元素分析結(jié)果，可見(jiàn)隨著銹蝕天數(shù)的增加，銹蝕產(chǎn)物中Zn 元素含量逐漸減少，而Fe 元素含量逐漸增多。這是因?yàn)殡S著銹蝕的深入，高強(qiáng)鋼絲鍍鋅層逐漸被耗盡，鐵元素逐漸被銹蝕至銹蝕產(chǎn)物中。銹蝕300 d 時(shí)銹蝕產(chǎn)物中鋅含量小于5%，鍍鋅層已基本耗盡。

1.3 銹蝕形貌分析

每個(gè)工況取3 根銹蝕高強(qiáng)鋼絲，采用圖4 所示的華郎-3DX+非接觸式三維掃描儀獲取其截面形貌沿軸向的變化情況，每隔0.1 mm 記錄高強(qiáng)鋼絲表面三維數(shù)據(jù)并計(jì)算該截面剩余截面面積。

圖5 所示為銹蝕高強(qiáng)鋼絲無(wú)量綱(除以未銹蝕鋼絲截面面積)剩余截面面積沿軸向的概率密度分布曲線，表3 所示為其對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。可見(jiàn)當(dāng)銹蝕率低于1.06%時(shí)，高強(qiáng)鋼絲的截面面積概率密度分布符合正態(tài)分布函數(shù)，當(dāng)銹蝕率大于1.06%時(shí)，其概率密度分布函數(shù)更接近于Beta 分布函數(shù)。隨著銹蝕率增加，高強(qiáng)鋼絲的無(wú)量綱截面面積均值逐漸減小，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，其偏度呈越來(lái)越負(fù)的趨勢(shì)，峰度的變化則有反復(fù)，說(shuō)明面積較小的截面占比隨腐蝕率增大后逐漸增加，變異性越來(lái)越大。

2 銹蝕高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能

2.1 靜力拉伸試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)在深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室進(jìn)行，每個(gè)工況取12 根銹蝕高強(qiáng)鋼絲，采用圖6 所示的MTS-300 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其靜力拉伸加載直至破壞。試驗(yàn)機(jī)兩端夾口各夾50 mm，有效長(zhǎng)度為400 mm，參照《金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》[17]的規(guī)定設(shè)置拉伸速度為2 mm/min，采用引伸計(jì)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，采樣頻率為5 Hz。

2.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 所示為試驗(yàn)所得不同銹蝕天數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖中標(biāo)出了每個(gè)試件的平均銹蝕率。可見(jiàn)隨著銹蝕率增加，極限強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì)，極限應(yīng)變呈現(xiàn)較大的變異性，銹蝕高強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)化階段縮短，部分甚至消失。

2.1.3 屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度

圖2 不同銹蝕天數(shù)的銹蝕產(chǎn)物電鏡掃描微觀圖Fig.2 SEM for corrosion products with different corrosion days

圖3 不同天數(shù)的銹蝕產(chǎn)物能譜圖Fig.3 Energy spectrum of products for different corrosion days

表2 不同銹蝕天數(shù)的產(chǎn)物各元素含量Table 2 The element contents of corrosion products for different accelerated corrosion days

圖4 華朗-3DX+非接觸式三維掃描儀Fig.4 Hualang-3DX+ Contactless 3D Scanner

圖5 無(wú)量綱剩余截面面積概率密度分布隨銹蝕率的演化Fig.5 Probability density function of dimensionless residual sectional area for different corrosion ratio

取塑性應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)力值作為屈服強(qiáng)度，取應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力作為極限強(qiáng)度，得到高強(qiáng)鋼絲屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度與銹蝕率的散點(diǎn)如圖8、圖9 所示。可見(jiàn)隨著銹蝕率的增加，屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度均呈加速降低趨勢(shì)，在銹蝕率大于1.25%時(shí)高強(qiáng)鋼絲極限強(qiáng)度小于標(biāo)準(zhǔn)極限強(qiáng)度1770 MPa。對(duì)屈服強(qiáng)度-銹蝕率散點(diǎn)圖采用三次函數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合，得到屈服強(qiáng)度 σy/MPa 與銹蝕率關(guān)系式：

表3 無(wú)量綱剩余截面面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of dimensionless residual sectional area

圖6 MTS-300 萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)Fig.6 MTS-300 Universal Test Machine

對(duì)極限強(qiáng)度-銹蝕率散點(diǎn)圖采用三次函數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合得極限強(qiáng)度 σu/MPa 與銹蝕率關(guān)系式：

圖7 不同銹蝕率高強(qiáng)鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Strain-Stress curves of corroded wires from different corrosion ratios (days)

圖8 屈服強(qiáng)度-銹蝕率散點(diǎn)圖Fig.8 Yield strength vs. corrosion ratio

圖9 極限強(qiáng)度-銹蝕率散點(diǎn)圖Fig.9 Ultimate strength vs. corrosion ratio

2.1.4 彈性模量

圖10 為取彈性應(yīng)變?yōu)?.1%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線割線斜率確定的銹蝕高強(qiáng)鋼絲彈性模量與銹蝕率的散點(diǎn)圖。根據(jù)《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》[18]，高強(qiáng)鋼絲的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)范圍為195 GPa～205 GPa，由散點(diǎn)圖可以看出隨著銹蝕率的增加，彈性模量變化不大，都在其規(guī)定范圍內(nèi)，可以認(rèn)為高強(qiáng)鋼絲的彈性模量不受銹蝕影響。

圖10 彈性模量-銹蝕率Fig.10 Elasticity modulus vs. corrosion ratio

2.1.5 極限應(yīng)變

圖11 所示為高強(qiáng)鋼絲極限應(yīng)變與銹蝕率散點(diǎn)圖，可見(jiàn)隨著銹蝕率增加，極限應(yīng)變 εu逐漸降低且呈現(xiàn)出較大的變異性，通過(guò)線性回歸可得到極限應(yīng)變-銹蝕率關(guān)系式：

圖11 極限應(yīng)變-銹蝕率Fig.11 Ultimate strain vs. corrosion rate

2.1.6 斷后伸長(zhǎng)率

圖12 斷后伸長(zhǎng)率-銹蝕率Fig.12 Elongation at break vs. corrosion ratio

由于在銹蝕率小于3.48%時(shí)斷后伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)不明顯，故線性回歸只取銹蝕率大于5.05%的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得斷后伸長(zhǎng)率與銹蝕率關(guān)系式：

2.2 銹蝕高強(qiáng)鋼絲本構(gòu)關(guān)系模型

2.3 疲勞加載試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)方法

采用圖13 所示的MTS250 疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)銹蝕高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行疲勞加載直至200 萬(wàn)次或者斷裂。試驗(yàn)通過(guò)力控(應(yīng)力幅值)進(jìn)行，加載頻率為10 Hz，加載力的幅值范圍為15.386 kN～30.772 kN(應(yīng)力幅為200 MPa)，采樣頻率為1024 Hz。

圖13 MTS250 疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)Fig.13 MTS250 Fatigue Test Machine

2.3.2 高強(qiáng)鋼絲疲勞壽命

由表4 可見(jiàn)當(dāng)高強(qiáng)鋼絲銹蝕率小于3.28%時(shí)，其疲勞壽命在200 萬(wàn)次以上，在銹蝕率為4.16%及以上時(shí)，銹蝕高強(qiáng)鋼絲的疲勞壽命少于200 萬(wàn)次。

表4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Fatigue loading test results

圖14 所示為高強(qiáng)鋼絲疲勞壽命與銹蝕率散點(diǎn)圖，由于本試驗(yàn)在加載達(dá)到200 萬(wàn)次時(shí)停止加載，無(wú)法確定具體的疲勞壽命，故對(duì)疲勞壽命-銹蝕率散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸擬合時(shí)舍棄了疲勞壽命超過(guò)200 萬(wàn)次的數(shù)據(jù)，得到高強(qiáng)鋼絲疲勞壽命與銹蝕率關(guān)系式：

圖14 疲勞壽命-銹蝕率Fig.14 Fatigue life vs. corrosion ratio

2.4 與實(shí)橋索內(nèi)銹蝕鋼絲力學(xué)性能的比較

圖15 實(shí)際與實(shí)驗(yàn)室條件下銹蝕高強(qiáng)鋼絲部分力學(xué)性能的比較Fig.15 Comparison of partial mechanical properties of corroded steel wire under laboratory and real conditions

實(shí)際環(huán)境中銹蝕高強(qiáng)鋼絲受溫度、氯離子濃度、PH 值、服役應(yīng)力等更多因素的影響，圖15所示為本文研究結(jié)果與其它研究數(shù)據(jù)[20?22]的對(duì)比。由于高強(qiáng)鋼絲強(qiáng)度和直徑的不同，文獻(xiàn)[20?21]的鋼絲來(lái)自于自然腐蝕的吊桿和拉索，直徑為5 mm，強(qiáng)度級(jí)別為1670 MPa；文獻(xiàn)[22]為干濕循環(huán)加速腐蝕的鋼絲，直徑為5 mm，強(qiáng)度級(jí)別為1570 MPa，本文采用無(wú)量綱化的方式將有量綱量無(wú)量綱化，如無(wú)量綱極限強(qiáng)度為實(shí)測(cè)極限強(qiáng)度值除以極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。圖15 可見(jiàn)與本文實(shí)驗(yàn)室鹽霧腐蝕的高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能相比，參考文獻(xiàn)中自然腐蝕的高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能呈現(xiàn)出更大的離散性，但整體退化趨勢(shì)基本一致。需要注意其它文獻(xiàn)中實(shí)橋銹蝕率高于10%的數(shù)據(jù)點(diǎn)很少，且本文研究數(shù)據(jù)和實(shí)橋數(shù)據(jù)的差別當(dāng)銹蝕率大于10%時(shí)相比有增大的趨勢(shì)，對(duì)于銹蝕率高于10%的結(jié)果應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

3 銹蝕等級(jí)分類

《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[16]根據(jù)銹蝕高強(qiáng)鋼絲外觀形貌將其劃分為六個(gè)等級(jí)進(jìn)行描述，本文綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，由相互對(duì)應(yīng)的銹蝕高強(qiáng)鋼絲外觀形貌、銹蝕產(chǎn)物成分、銹蝕率和力學(xué)性能指標(biāo)，將規(guī)范中銹蝕高強(qiáng)鋼絲的分類指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充，各等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5，各等級(jí)形貌示意如圖16 所示。

表5 高強(qiáng)鋼絲分類等級(jí)Table 5 Classification of high strength steel wire

圖16 銹蝕高強(qiáng)鋼絲分級(jí)形貌示意圖Fig.16 Schematic diagram of the classification of corroded high strength steel wire

4 結(jié)論

本文對(duì)人工加速銹蝕高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行銹蝕產(chǎn)物分析、三維掃描、靜力拉伸力學(xué)性能和疲勞性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 高強(qiáng)鋼絲屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度隨銹蝕率的增加均呈加速降低趨勢(shì)，極限強(qiáng)度在銹蝕率大于1.25%時(shí)小于標(biāo)準(zhǔn)極限強(qiáng)度1770 MPa，斷后伸長(zhǎng)率隨銹蝕率增加整體呈線性減小趨勢(shì)，且在銹蝕率大于5.05%時(shí)小于規(guī)范限值4%，疲勞壽命隨銹蝕率增加呈冪函數(shù)下降且在銹蝕率大于4.16%時(shí)小于200 萬(wàn)次，高強(qiáng)鋼絲彈性模量基本不受銹蝕率影響。

(2) 與發(fā)表的實(shí)橋拉索內(nèi)銹蝕高強(qiáng)鋼絲的力學(xué)性能對(duì)比表明自然腐蝕的高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能呈現(xiàn)出更大的離散性，但整體退化趨勢(shì)基本一致。

(3) 依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果建立了銹蝕高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能參數(shù)隨銹蝕率變化的雙線性本構(gòu)關(guān)系模型。

(4) 根據(jù)銹蝕產(chǎn)物分析、三維掃描形貌及力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，將高強(qiáng)鋼絲按表觀形貌、銹蝕率、銹蝕成分和力學(xué)性能等參數(shù)綜合指標(biāo)劃分等級(jí)，補(bǔ)充了《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中高強(qiáng)鋼絲的分類指標(biāo)，為不同銹蝕程度高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能評(píng)估提供參考依據(jù)。

本文僅針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果進(jìn)行分類，后續(xù)將進(jìn)一步收集實(shí)橋銹蝕拉索的高強(qiáng)鋼絲，研究實(shí)際腐蝕條件下高強(qiáng)鋼絲的力學(xué)性能退化結(jié)果。