高強鋼絞線沿海環境銹蝕時變模型試驗研究

程鵬舉，謝軍軍，潘鑫鑫，彭 衛

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074; 2.綠地控股集團 杭州雙塔置業有限公司，浙江 杭州 310000; 3. 浙大寧波理工學院，浙江 寧波 315100)

0 引言

沿海建筑結構中的高強鋼絞線材料，在沿海服役環境和荷載條件下的銹蝕過程是長期且十分緩慢的，若是進行真實環境下的橋梁吊索銹蝕試驗，在時間、經費及技術上均難以實現。在過去的幾十年里，學者們致力于研究鋼絲和鋼絞線的劣化問題。很多學者進行了銹蝕鋼絞線材料的力學性能試驗以及疲勞壽命的研究[1-9]，并基于鋼絞線的蝕坑形貌檢查，逐步得到了以蝕坑為參數的鋼絞線銹蝕程度的評價方法[10-11]。文獻[12-14]通過有限元模型，分析了高強鋼絞線材料在銹蝕狀態下的疲勞損失及應力研究。這些研究大多聚焦固定時期鋼絞線的銹蝕狀態，吊索鋼絞線的銹蝕時變模型至今尚未建立，這就阻礙了對鋼絞線及整根吊索在使用狀態下的壽命評估等工作的進展。本文通過氣候模擬箱開展了沿海服役環境下鋼絞線的銹蝕時變模型試驗研究，得到了一些對實際工程有借鑒意義的結論。

1 沿海地區真實服役環境當量換算關系

根據試驗室環境與標準環境腐蝕電流的當量折算系數，分別測定碳鋼試件于兩個環境中的腐蝕電流Ici和Icp，其當量折算系數α[15]為：

(1)

其中：Ici為任一環境條件下的腐蝕電流；Icp為基準環境條件下的腐蝕電流。

因此，得到碳鋼試件在不同溫濕度條件下的腐蝕折算系數表[16-17]。

文獻[18]采用雙指數函數和雙曲面函數進行了數據的擬合，擬合函數表達式為：

α=e0.092 03x+2.838 16y-6.315 72，

(2)

其中：x為溫度，℃；y為相對濕度，%。

將橋梁吊索在真實服役環境中某一時段的溫濕度參數Ti、RHi代入式(2)，得到對應試驗環境條件下的當量折算系數αi。根據該試驗環境條件下的時間ti，可通過式(3)得到試驗環境條件下的加速試驗時間：

tei=αiti。

(3)

通過數據統計的方法，統計在指定溫濕度下的具體時長，再通過式(4)計算得到橋梁在實際運營環境下服役的總時間：

(4)

其中：n為沿海橋梁吊索在實際服役環境中不同溫度和不同相對濕度的組合數。

通過文獻[19]的研究，即可以在T=40 ℃、RH=90%的標準潮濕空氣環境下進行1 114.48 h試驗，代替定海站測得的1 a沿海地區溫濕度環境譜，利用多功能氣候模擬試驗室，按照設定的環境參數，可以折算出在加載式多功能氣候模擬試驗室內作用262.332 h，相當于在實際運營環境下作用1 a。

2 樣品制備

試驗樣本采用江陰法爾勝鋼鐵制品有限公司的預應力鋼絞線，批號052002，直徑為15.20 mm,其技術標準符合《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T 5224—2014)，鋼絞線強度為1 860 MPa，彈性模量198 GPa，1 000 h松弛率為1.463%。試驗時將鋼絞線截斷成每根約75 cm。鋼絞線按銹蝕時間一共分為12批，每批3根，逐一進行清洗，并利用50 ℃烘干箱干燥4 h，然后進行稱量。

3 平均質量銹蝕率

采用每米平均質量的損失來反映鋼絞線銹蝕速度的快慢，其計算公式為：

(5)

其中：v為銹蝕速率，g/(m·h-1)；m0為加速銹蝕試驗前鋼絞線質量，g；m1為加速銹蝕試驗后鋼絞線質量，g；l為鋼絞線長度，m；t為加速銹蝕試驗時間，h。

利用加速銹蝕試驗所產生的鋼絞線的質量損失占總質量的百分比[20]，來評價銹蝕對鋼絞線的影響，其計算公式為：

(6)

其中：C為單根鋼絞線銹蝕率，%。

采用精度為0.1 g的電子天平稱量干燥后的銹蝕鋼絞線，得到鋼絞線在實際服役環境下平均銹蝕率隨時間變化曲線，曲線進行函數擬合，并對擬合后的函數誤差進行分析和參數優化，擬合表達式見式(7)，其擬合曲線圖如圖1所示。鋼絞線在實際服役環境下銹蝕速率隨時間變化曲線如圖2所示。

y=0.376 2t1.552 81。

(7)

從圖1中可以看出：前期(0～1.5 a)平均銹蝕率緩慢攀升，斜率較小，銹蝕程度較低。鋼絞線在銹蝕中期(1.5～3.0 a)平均銹蝕率急劇升高，銹蝕程度明顯加深。在后期(3.0～7.0 a)平均銹蝕率先是緩慢升高，再出現明顯的加快。總體來說，鋼絞線平均銹蝕率隨時間變化先是緩慢增加，再急劇增加，銹蝕程度隨銹蝕時間的增加不斷加深。由圖2可知：銹蝕速率隨時間的變化呈螺旋式上升，總體的銹蝕速率呈上升趨勢，但在1.0～2.0 a以及4.0 a表現為局部下降。

圖1 平均銹蝕率隨時間變化曲線

圖2 實際服役環境下銹蝕速率隨時間變化曲線

4 鋼絞線銹蝕形貌觀測與蝕坑發展模型分析

4.1 形貌觀測

本次試驗共進行12組不同時間段試驗，不同銹蝕時間下部分無應力鋼絞線的銹蝕外貌如圖3所示。觀察圖3b的鋼絞線發現：表面出現一些斑駁銹跡，但是銹蝕痕跡不明顯，鹽霧還未出現明顯的沉降現象。如圖3c所示，鋼絞線在進行了3 d的加速銹蝕試驗后取出，鋼絞線的銹蝕進一步加深，表面基本均發生銹蝕，肉眼可見銹蝕產物增多并集合形成一些顆粒狀附著物。圖3d中的鋼絞線表面銹蝕產物明顯增多，但均勻性欠佳。顆粒附著物轉而向塊狀附著物發展，有明顯的向鋼絞線縫隙聚集的趨勢，表面的氧化層也逐漸開始脫落，黑色的銹蝕產物較褐色銹蝕產物有所增加。如圖3e所示，鋼絞線取出時，試驗已經進行了9 d，此時鋼絞線表面已經完全被銹蝕產物所覆蓋，且呈現出較好的均勻性。顆粒狀的附著物逐漸由小變大形成一片，在鋼絞線表面形成一層類似“膜”的附著物，縫隙中的銹蝕產物堆積較多。圖3f的鋼絞線是在加速銹蝕時間為12 d后取出(相當于真實環境1 a)，鋼絞線表面新增許多鹽霧聚集成的水珠，十分密集且分布均勻。圖3g的鋼絞線銹蝕時間為18 d，表面水珠基本消失，整個表面被銹蝕產物所覆蓋，并且塊狀的銹蝕產物覆蓋了鋼絞線大部分區域，只有極少數表面較為平坦。氧化層脫落現象明顯，鋼絞線表面縫隙銹蝕產物堆積明顯，逐漸與凸起部分連成一個塊狀銹斑。可以認為在這個階段，從蝕坑的形式轉向大塊銹斑的形式。

(a) 0 d (b) 1 d (c) 3 d(d) 6 d (e) 9 d

(f) 12 d (g) 18 d (h) 24 d (i) 36 d (j) 48 d

圖3h的鋼絞線銹蝕時間為24 d，鋼絞線表面的銹蝕產物將縫隙基本填滿，無法清晰辨認鋼絞線的輪廓。顆粒狀附著物及鹽霧形成的水珠完全消失，整個表面的銹蝕產物凹凸不平，銹液聚集部位(橘黃色液體)呈現非均勻分布。氧化膜脫落嚴重并在鋼絞線鐵基體表層下發生銹蝕。圖3i的鋼絞線銹蝕時間為36 d，可以看到鋼絞線表面均發生了銹蝕，縫隙已被銹蝕產物完全填滿，銹液在原本縫隙的表面聚集。銹蝕產物將整根鋼絞線完全包裹且十分緊湊，表層的銹蝕產物不再輕易發生脫落。圖3j的鋼絞線經歷了48 d的加速銹蝕試驗，可以看到鹽霧形成的水珠再次凝集，黑色的銹蝕產物明顯減少，更多聚集著褐色銹液。

由圖3可以看到：整個銹蝕過程中，黑色銹蝕產物在不斷增多并逐漸覆蓋整個鋼絞線表面，同時由于鋼絞線的特殊構造形式，使得鋼絲之間的縫隙成為鹽霧溶液容易聚集的部位，并在此大量堆積銹蝕產物。

4.2 蝕坑尺度參數分析

將經過酸洗、烘干后的鋼絞線靜置1 h直至冷卻至常溫，然后使用裂縫觀測儀(如圖4所示)對鋼絞線的表面形貌進行觀測和記錄。裂縫觀測儀在功能上有一定的局限性，拍攝圖像中顯示的測距并不準確，需要后期利用圖中的比例尺對蝕坑的長度和寬度進行修正。

通過計算各個批次下蝕坑長度、寬度和深度的平均值，得到在不同銹蝕率下蝕坑平均長度、平均寬度和平均深度的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知：隨著銹蝕率的不斷增加，蝕坑的長度和寬度也在不斷增加且增長趨勢基本一致。當銹蝕率低于0.3%時，隨著銹蝕率的增加，長度、寬度及深度都極快地增長，并迅速達到一個較大值，且長度和寬度增加的速度基本一致，而深度增速稍緩。隨后蝕坑長寬尺寸減小，而深度基本保持恒定，在銹蝕率超過6%以后，蝕坑的長度和寬度變化趨勢出現不一致，長度略減小，寬度和深度繼續緩慢增加。

這種現象說明在銹蝕率低于0.3%時，局部銹蝕中的點蝕占主導地位，蝕坑發展迅速，蝕坑尺度參數擴張到一個極值，而均勻銹蝕占次要地位或者可以忽略不計。在蝕坑平均長度和平均寬度下降段，則說明盡管銹蝕率還在不斷增加，但是占主導地位的變為均勻銹蝕，而局部銹蝕呈現出劣勢，此時出現蜂窩麻面狀的銹蝕形貌，因此蝕坑尺寸難以辨認，只能取觀測區域內可測得的較小值。蝕坑尺寸緩慢增加階段，說明均勻銹蝕與局部銹蝕同時進行，相互抗衡，一方面，均勻銹蝕使得鋼絞線表面蝕坑之間由點及面發展成塊狀區域；另一方面，在整片的銹蝕區域發展之中，出現新的蝕坑并逐步擴大，最終達到極大值。

通過計算各個批次下單個蝕坑長度、寬度和深度的平均值，得到在實際服役環境下銹蝕形貌隨時間變化的曲線，如圖6所示。由圖6可以看出：鋼絞線形貌尺度參數(長、寬)隨時間變化規律基本一致，蝕坑沿鋼絞線縱向擴展尺寸全過程高于蝕坑沿橫向擴展尺寸，蝕坑深度擴展尺寸則一直處于三者中的最低水平。蝕坑深度在真實環境下1 a左右達到較大值，隨后出現一個穩定階段(1～4 a)，深度基本恒定，然后又出現一個緩慢增長期，增速與銹蝕初期基本一致。

4.3 鋼絞線蝕坑最大值效應統計規律

由于鋼絞線蝕坑形貌長度和寬度皆為實測值，故鋼絞線蝕坑在不同時間節點下的最大尺度參數如圖7所示。

圖6 實際服役環境下銹蝕形貌隨時間變化曲線

圖7 蝕坑最大尺寸隨時間變化曲線

由圖7可知：鋼絞線蝕坑各尺度參數最大值隨著時間的不斷延長，也呈現出遞增的趨勢，但各階段增速有所不同。實際服役環境下0～1 a，鋼絞線銹蝕坑長寬擴展增速明顯，蝕坑尺寸在長寬方向上都迅速達到一個極大值，該階段基本呈線性增長；在1～2 a階段，蝕坑最大尺寸出現短暫減小的趨勢；在第2年以后，蝕坑最大尺寸再次出現增長的趨勢，但是增速明顯減緩。

4.4 鋼絞線蝕坑擴展模型

根據銹蝕形貌尺度隨時間變化規律，對蝕坑尺度參數與時間的關系進行擬合，可以得到鋼絞線蝕坑在長寬深3個方向隨時間變化的擴展模型。由于實際服役環境下銹蝕形貌隨時間變化曲線有較為明顯的分段現象，故采用分段函數進行最小二乘法擬合。

針對蝕坑長度h而言，擬合函數表達式為：

(8)

針對蝕坑寬度w而言，擬合函數表達式為：

(9)

針對蝕坑深度a而言，擬合函數表達式為：

a(t)=0.056 1+0.324 64t-0.096 71t2+0.009 67t3。

(10)

5 結論

(1)對鋼絞線平均銹蝕率隨時間的變化進行曲線擬合，得到全裸鋼絞線銹蝕率與實際運營時間之間的函數關系為y=0.376 2t1.552 81。

(2)在銹蝕率低于0.3%(1 a之內)時，局部銹蝕占主導地位，鋼絞線蝕坑形貌尺度參數迅速擴張且達到極值，可以認為在該階段造成銹蝕率升高的原因主要來自于局部銹蝕的發展。

(3)鋼絞線銹蝕形貌在實際服役時間1～5 a階段，由于銹蝕產物的不斷堆積，對蝕坑的發展有一定的阻礙作用，造成全區域的塊狀剝落而不是就蝕坑開展集中侵蝕作用，使得蝕坑長寬深的擴展十分緩慢。

(4)對鋼絞線蝕坑長寬深與時間的關系進行分段函數擬合，得到實際服役環境下銹蝕形貌與時間關系為分段函數。