交變荷載和氯鹽環境耦合作用下鋼絞線的腐蝕特征及力學性能

喻宣瑞，姚國文，鐘 浩，蔣一星

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

氯鹽環境下，由氯離子侵蝕所誘發的拉索內鋼絞線銹蝕是導致索承式橋梁耐久性失效破壞的重要原因［1］.因此揭示氯離子對鋼絞線的腐蝕規律及侵蝕過程中鋼絞線力學性能變化過程，對評價索承式橋梁安全性能，提高結構物在惡劣環境下的耐久性具有一定理論意義和工程價值［2］.

起初，絕大部分研究僅考慮交變荷載對鋼絞線耐久性的影響，如Mayrbaurl等［3］分析了交變荷載對索承式橋梁承載能力的影響，得到鋼絞線的破壞模式；李先立等［4］通過物理模型試驗，揭示了交變荷載應力幅對高強鍍鋅鋼絲的破壞規律，并采用可靠度的方法對鋼絲疲勞壽命進行預測.但上述研究僅考慮了交變荷載對鋼絞線力學性能的影響，而忽視了氯鹽環境對結構壽命的作用.為此，Khaled等［5］依托相關工程案例，探究鋼絞線的腐蝕機理，發現鋼絞線與水、氯離子三者之間易發生電化學反應，氯離子在整個反應中起到催化劑作用，故反應一旦發生，將會持續進行下去，直至鋼絞線斷裂.鋼絞線的腐蝕種類大致分為2類：析氫腐蝕和吸氧腐蝕［6］.析氫腐蝕更容易在酸性條件下發生，而吸氧腐蝕更容易在堿性或者中性環境下進行.對鋼絞線的腐蝕分為3個階段：蝕坑萌芽、蝕坑衍生、裂紋形成（包括短裂紋的形成、長裂紋的形成）［7］.Quesnay等［8］發現蝕坑是影響鋼絞線安全性能及疲勞壽命的關鍵因素，在拉力作用下，蝕坑位置處形成明顯的應力集中現象，裂紋易從該處衍生，導致鋼絞線安全性能降低.

然而大多數研究僅考慮荷載對鋼絞線耐久性的影響，或者分別考慮交變荷載和氯鹽環境對其耐久性的作用，而未考慮氯鹽環境和荷載的耦合作用.在實際工程中，鋼絞線往往承受二者共同作用，故對該問題應進行進一步深入研究.

針對上述問題，本文通過開展鹽霧腐蝕試驗，在不同應力幅和氯鹽環境共同作用下模擬鋼絞線腐蝕規律，并基于灰度處理方法從細觀層面上量化鋼絞線腐蝕形態，通過對鋼絞線進行腐蝕分區，得到鋼絞線抗拉強度和延伸率與腐蝕率之間的關系.采用工業電子顯微鏡觀察各腐蝕區鋼絞線的破壞規律，分析了不同腐蝕等級下鋼絞線的疲勞壽命.

1 試驗

1.1 原材料及試驗儀器

鋼絞線由中國寶武鋼鐵集團有限公司生產，直徑為15.2 mm，抗拉強度為1 860 MPa，表面鍍鋅層厚度為0.2 mm，單根鋼絲鍍鋅層質量不小于110 g/m2，每根鋼絞線長度為5.4 m.試驗儀器的名稱、型號技術參數等如表1所示.將試件分為20組，每組3根.分別以5、15、30 d為周期進行試驗，所施加的應力幅（Δσ）分別為100、200、300 MPa，最大循環荷載為744 MPa，即0.4fptk（fptk為鋼絞線極限強度標準值）［9］.整個試驗歷時720 h，以Δσ＝200 MPa為例，其加載示意圖如圖1所示.

圖1 交變荷載加載示意圖Fig.1 Loading schematic diagram of alternating load

表1 試驗儀器Table 1 Test instruments

1.2 試驗條件

綜合考慮溫度、濕度及氯離子質量濃度對試驗的影響，同時為保證試驗精度，本文參照ASTIM G85-94《Standard practice for modified salt spray（fog）testing》來配置氯鹽溶液.該溶液由氯化鈉、水、氯化銅及醋酸組成，其pH值為3.1～3.3，試驗溫度設置為25℃.氯鹽溶液配置步驟如下：先將氯化鈉溶于水，質量濃度控制在50 g/L左右；再往鹽溶液中加入0.26～0.28 g/L氯化銅；最后加入醋酸，以保持酸性環境.

2 試驗結果分析

采用鉻酸溶液清洗鋼絞線后，為防止鹽霧中的氯離子腐蝕鋼絞線基體，用自來水沖洗鋼絞線，冷風吹干靜置.向清洗鋼絞線后的鉻酸溶液中加入KSCN（硫氰化鉀），溶液變紅，說明腐蝕產物中含有大量的Fe3＋.采用KYKY-2008B電子顯微鏡將鋼絞線斷面放大6 000倍，其SEM照片如圖2所示.由圖2可見，在交變荷載和氯鹽環境耦合作用下，鋼絞線表面出現大量蝕坑，且裂紋從蝕坑周圍衍生，其中部分裂紋有進一步擴展趨勢，裂紋最大長度可達5 mm.

圖2 鋼絞線蝕坑的SEM照片Fig.2 SEM photos of steel strand corrosion pit

當腐蝕時間為720 h時，鋼絞線局部腐蝕部位灰度處理結果如表2所示.

表2 鋼絞線局部腐蝕部位灰度處理結果Table 2 Gray processing results of local corrosion of steel strand

由表2可見：當應力幅為100 MPa時，鋼絞線表面較為平整，蝕坑深度較小，但密度較大，部分鍍鋅層仍存在，個別蝕坑直徑約為40μm；當應力幅為200 MPa時，鋼絞線表面出現了大量蝕坑，且蝕坑深度明顯大于應力幅為100 MPa時，個別蝕坑直徑達到55μm，部分蝕坑已聯合貫通形成裂紋；當應力幅為300 MPa時，鋼絞線表面出現大面積腐蝕，鍍鋅層完全被破壞，大量小蝕坑已聯合貫通形成較大蝕坑，個別蝕坑直徑可達75μm，蝕坑位置處產生明顯裂紋，部分裂紋已經開始衍生，鋼絞線壽命受到嚴重影響.

將色調值在110以下的數值定義為蝕坑［9］，導出色調分布直方圖，并統計分布量來計算鋼絞線的蝕坑密度，所得結果如表3所示.

表3 不同交變荷載作用下的灰度直方圖數據Table 3 Grayscale histogram data under different loading conditions

由表3可知，灰度直方圖總頻數為398 034，對于應力幅為100、200、300 MPa這3種工況，色調值小于等于110的頻數總和分別為126 541、156 777、247 975.將色調值小于等于110的頻數總和所占總頻數的百分比定義為鋼絞線的腐蝕率［10-11］，得到3種工況下鋼絞線的腐蝕率分別為32.1%、39.4%、62.3%.參照文獻［12-13］，按照灰度處理結果對鋼絞線進行腐蝕分區，如表4所示.由表4可知，在應力幅為100、200、300 MPa時，鋼絞線所對應的腐蝕區分別為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區.將位移增長量控制在1 mm/min［14］，通過對不同腐蝕等級的鋼絞線施加1 860 MPa拉應力，得到鋼絞線抗拉強度、延伸率與腐蝕率之間的關系，如圖3所示.由圖3可知：鋼絞線的抗拉強度與腐蝕率之間的相關系數為0.95；鋼絞線的延伸率與腐蝕率之間的相關系數為0.93，表明擬合結果具有較高精度.鋼絞線抗拉強度、延伸率與腐蝕率之間的關系如式（1）、（2）所示.

圖3 鋼絞線抗拉強度、延伸率與腐蝕率的關系Fig.3 Relationship between tensile strength，elongation and corrosion rate of steel strand

表4 鋼絞線腐蝕分區標準Table 4 Division standard of steel strand［12-13］

式中：σut為鋼絞線抗拉強度，MPa；ε為鋼絞線延伸率，%；Δw為腐蝕率，%.

從上述結果可知：鋼絞線的抗拉強度與其腐蝕率服從指數分布；鋼絞線的延伸率與其腐蝕率服從線性分布.

3 鋼絞線破壞模式

采用電子顯微鏡對鋼絞線典型破壞斷面放大1 000倍進行觀察，結果如圖4所示.由圖4可見，鋼絞線斷裂的原因是由蝕坑所引起的.蝕坑作為潛在疲勞源，當鋼絞線的開裂應力強度因子（ΔK，MPa·m1/2）大于其開裂韌性值時，裂紋易從該位置處延伸.ΔK計算表達式［15］為：

圖4 鋼絞線斷面破壞模式Fig.4 Fracture failure modes of steel strands

式中：Δσ0為應力變化幅值，MPa；Area為疲勞源擴展區面積，μm2.

根據鋼絞線疲勞源擴展區面積計算結果（圖5），通過式（3）計算得到不同腐蝕區鋼絞線的ΔK，如圖6所示.由圖6可見：鋼絞線腐蝕率與ΔK的增長有較為顯著的關系；隨著鋼絞線腐蝕程度的加深，其ΔK顯著增大.研究表明，鋼絞線的開裂韌性值為6～8 MPa·m1/2［8］.以ΔK＝7.5 MPa·m1/2為例，由圖6還可知，腐蝕區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的鋼絞線發生開裂的概率分別為28.5%、30.4%、37.8%、45.7%.當鋼絞線裂紋擴展到一定程度時，其斷裂應力因子（KI，MPa·m1/2）超過材料本身斷裂韌性值，鋼絞線瞬斷.KI計算表達式為：

圖5 鋼絞線疲勞源擴展區面積Fig.5 Fatigue source defect area of steel strand

圖6 鋼絞線開裂應力強度因子Fig.6 Fatigue crack propagation threshold of steel strands

式中：Y為裂紋形狀因子；σ為試件兩端所承受的應力，MPa；a為蝕坑深度.

圓柱體表面橢圓裂紋形狀因子計算式［15］為：

式中：Φ為鋼絞線直徑；b為蝕坑寬度；Cij取值范圍見表5［15］.

表5 Cij的取值范圍Table 5 Values of coefficient Cij［15］

各腐蝕區鋼絞線的斷裂應力因子計算結果如表6所示.由表6可知，鋼絞線腐蝕程度越嚴重，其斷裂應力因子值越低.在不同應力幅作用下，其破壞模式又存在著較大區別，當所施加應力幅較大時，鋼絞線腐蝕較為嚴重，易發生單疲勞源破壞（圖4（a））.原因在于，施加應力幅越大，鋼絞線的裂紋擴展速率越大，開裂應力強度因子更加容易達到開裂韌性值，裂紋貫穿鋼絞線整個截面，使得鋼絞線迅速斷裂.隨著應力幅的減小，鋼絞線腐蝕程度降低，此時裂紋難以從一個方向衍生并貫穿整個截面，故裂紋從多個蝕坑衍生，相互貫穿，形成多疲勞源破壞.當處于低應力幅狀態，如應力幅為100 MPa時，各疲勞源處裂紋無法短時間貫穿斷面，鋼絞線易出現分層破壞.

表6 鋼絞線斷裂應力因子計算結果Table 6 Fracture toughness values of steel strands

4 鋼絞線的腐蝕疲勞壽命

采用圖2所示的加載方式，對不同腐蝕區的鋼絞線進行疲勞試驗，所得疲勞壽命N如表7所示.由表7可見：鋼絞線的腐蝕率和應力幅對鋼絞線疲勞壽命影響顯著；當腐蝕程度相當時，隨著應力幅的增大，特別是應力幅為300 MPa時，鋼絞線的疲勞壽命出現顯著下降的趨勢；當所加荷載幅度相同時，鋼絞線的腐蝕程度越嚴重，其疲勞壽命的下降幅度越大.原因在于，鋼絞線腐蝕程度越嚴重，其開裂應力強度因子和斷裂應力因子顯著降低，裂紋更易發生衍生，故疲勞壽命越短.通過三參數法對表7中的數據進行擬合，得到各腐蝕區鋼絞線的腐蝕疲勞壽命，其計算表達式見式（6）.

表7 鋼絞線的腐蝕疲勞壽命Table 7 Valid experimental results of steel strands fatigue life

由式（6）可看出，隨著腐蝕率的增大，鋼絞線的疲勞壽命出現明顯下降趨勢.原因在于，鋼絞線腐蝕面積過大，其基體內部產生大量裂紋，在荷載作用下裂紋極易衍生，致使鋼絞線整體力學性能顯著降低，鋼絞線發生斷裂破壞.

5 結論

（1）基于灰度處理方法，根據腐蝕率進行分區，發現鋼絞線的抗拉強度與腐蝕率服從指數分布，其延伸率與腐蝕率服從線性分布.運用斷裂力學對不同腐蝕程度鋼絞線進行分析，得出不同腐蝕程度下鋼絞線的開裂應力強度因子和斷裂應力因子，兩者可直觀反映腐蝕率對鋼絞線力學性能的影響.

（2）在高應力幅作用下，鋼絞線易出現單疲勞源破壞模式.隨著應力幅的減小，其破壞模式由單疲勞源破壞轉變為多疲勞源破壞.當裂紋處于低應力幅狀態，如應力幅為100 MPa時，裂紋從不同斷面上衍生，鋼絞線易出現分層破壞.

（3）鋼絞線腐蝕疲勞壽命理論計算公式的獲得，為評價索承式橋梁結構壽命提供了參考，具有一定的理論意義和工程價值.