懸索橋主纜鋼絲在持力狀態(tài)下的表觀腐蝕規(guī)律試驗(yàn)研究

洪 華，曹素功,2，傅俊磊，田 浩

(1.浙江省道橋檢測與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311305；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

主纜作為懸索橋主要承力結(jié)構(gòu)，后期幾乎不可更換，被稱為懸索橋的“生命索”[1]。然而，主纜鋼絲正常使用期間經(jīng)常會(huì)與它所處的環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生物理、化學(xué)抑或是電化學(xué)作用，這就是所謂的鋼絲腐蝕[2-7]。我國由于腐蝕問題所造成的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失大概占國民生產(chǎn)總值的1%～5%[8～12]。其中，持力狀態(tài)下鋼絲腐蝕及其養(yǎng)護(hù)問題是全世界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題，也是一個(gè)世界性的難題。以往設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)取大值，但是經(jīng)濟(jì)性差，近代設(shè)計(jì)安全系數(shù)有所降低，但是腐蝕問題就變得更加敏感。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)主纜鋼絲的腐蝕問題進(jìn)行了一定的有益研究。陳小雨等[13]利用中性鹽霧試驗(yàn)，對(duì)懸索橋主纜鍍鋅鋼絲的剩余抗力和腐蝕外觀之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，明確了通過檢測鋼絲腐蝕外觀判斷其剩余抗力。張振浩等[14]通過疲勞強(qiáng)度與鋼材強(qiáng)度的關(guān)系以及腐蝕引起的鋼材抗力衰變，得到了鋼材腐蝕疲勞抗力時(shí)變模型。Airong Chen等[15]建立了腐蝕鋼絲屈服載荷和極限載荷的退化模型。Cui Chuanjie等[16]通過鹽霧環(huán)境下Q345鋼表面點(diǎn)蝕的試驗(yàn)研究，計(jì)算了腐蝕坑的最大深度，建立了腐蝕坑數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)有成果對(duì)鋼絲腐蝕問題的研究多集中于無應(yīng)力狀態(tài)下，而鮮有對(duì)持力狀態(tài)下主纜鋼絲腐蝕的試驗(yàn)研究。但現(xiàn)實(shí)工程中主纜鋼絲的腐蝕問題多發(fā)生于持力狀態(tài)下，對(duì)持力狀態(tài)下主纜鋼絲的試驗(yàn)研究意義重大[17-18]。本研究為研究持力狀態(tài)下主纜鋼絲腐蝕隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套可預(yù)加荷載的電解加速腐蝕試驗(yàn)裝置，用以分析持力狀態(tài)下主纜鋼絲的表觀腐蝕規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

1.1 設(shè)計(jì)思路

本試驗(yàn)的目的在于研究不同應(yīng)變水平下主纜鋼絲腐蝕隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，對(duì)于試驗(yàn)設(shè)計(jì)而言有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)如何將主纜鋼絲長時(shí)間保持較高的應(yīng)變水平。

(2)試驗(yàn)中如何加速腐蝕主纜鋼絲。

(3)如何對(duì)不同腐蝕程度的主纜鋼絲進(jìn)行評(píng)定。

經(jīng)過對(duì)各種室內(nèi)加速試驗(yàn)方案的比選，最終選取了預(yù)加荷載的電解加速腐蝕試驗(yàn)方案對(duì)不同應(yīng)變等級(jí)下的主纜鋼絲進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。原因是這種試驗(yàn)方法可以更真實(shí)模擬出持力狀態(tài)下主纜鋼絲的腐蝕現(xiàn)狀。

1.2 試驗(yàn)裝置

依照設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出如圖1所示試驗(yàn)裝置，該裝置由持力裝置、腐蝕池、通電回路、鋼絲、氯化鈉溶液5個(gè)部分組成。

圖1 預(yù)加荷載的電解加速腐蝕試驗(yàn)裝置Fig.1 Electrolytic accelerated corrosion test device with preload

主纜鋼絲上粘貼應(yīng)變片，利用靜態(tài)采集儀裝置對(duì)主纜鋼絲上的應(yīng)變進(jìn)行測定。在千斤頂將主纜鋼絲拉伸到目標(biāo)應(yīng)變后，千斤頂穩(wěn)壓，通過特制的應(yīng)變持力裝置持力，作用到鋼臺(tái)座，最后由地錨承擔(dān)，使主纜鋼絲保持住目標(biāo)應(yīng)變。鋼絲穿過電解腐蝕池，利用法拉利電解原理對(duì)主纜鋼絲進(jìn)行加速腐蝕。腐蝕池設(shè)計(jì)為半封閉的溶液槽盛，放濃度為5%的NaCl電解液。

1.3 試驗(yàn)工況

因?yàn)閷?shí)際運(yùn)營中的主纜鋼絲應(yīng)變水平多介于1 000 με 與3 000 με之間，所以本試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種不同應(yīng)變分別為：0，1 000，2 000和3 000 με。腐蝕的時(shí)間設(shè)置為0，1，2，3和4 d共5種時(shí)間尺度。總通電電流保持為1 A，通過法拉利電解定律計(jì)算可以得出每根鋼絲的理論通電電流量，可以得到對(duì)應(yīng)的腐蝕率。

考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性，為保證數(shù)據(jù)的有效性，每個(gè)工況試件設(shè)置為3根，共60根直徑5.25 mm的鋼絲試件。0～4 d，每天拿出3根/工況×4工況=12根，第4 d完成60根鋼絲電解加速腐蝕試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)觀測參數(shù)

采用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行通電試驗(yàn)(如圖1)，設(shè)定好通電量與電流密度，依據(jù)法拉利電解定律進(jìn)行電解試驗(yàn)。每批次工況試驗(yàn)結(jié)束后，將試件卸下，利用以下參數(shù)對(duì)主纜鋼絲表面腐蝕形態(tài)規(guī)律進(jìn)行觀測。

(1)腐蝕后主纜鋼絲表觀規(guī)律

對(duì)于腐蝕后主纜鋼絲表觀規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在接觸式觀測的基礎(chǔ)上，利用超景深三維顯微系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致觀測。

(2)質(zhì)量損失率

通常情況下，主纜鋼絲的腐蝕率可以用質(zhì)量損失率來衡量。主纜鋼絲通電腐蝕前稱重為M0。腐蝕后，對(duì)各時(shí)間未腐蝕段質(zhì)量稱量，記作M1，腐蝕段除銹后稱重M2，并進(jìn)行記錄，按照以下公式計(jì)算質(zhì)量損失率。

(1)

(3)最大截面損失率

考慮到主纜鋼絲在腐蝕過程中，縱向腐蝕不一定分布均勻，而局部點(diǎn)蝕現(xiàn)象可能比較明顯，橫截面的面積損失率較大，考慮采用最大橫截面面積損失率表示鋼絲腐蝕程度。按照如下公式計(jì)算：

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 外觀分析

2.1.1 外觀試驗(yàn)結(jié)果

通過觀察試驗(yàn)高強(qiáng)鋼絲分別在保持0，1 000，2 000 和3 000 με應(yīng)變下腐蝕0～4 d后的外觀形態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)，隨著通電時(shí)間的增加，首先是鍍鋅涂層發(fā)生破壞，這種涂層破壞是整體的、非剝落式的溶蝕破壞。伴隨著涂層的整體破壞，母材受到了電解反應(yīng)，析出褐色以及黑色的腐蝕產(chǎn)物。通電時(shí)間越長，發(fā)生的腐蝕面積增大。在持力狀態(tài)下，這種腐蝕產(chǎn)物基本是沿主纜鋼絲的縱向上均勻分布，鋼絲的直徑隨著通電時(shí)間的增加減少，宏觀上的局部腐蝕較少。

2.1.2 外觀試驗(yàn)結(jié)果分析

由于不同于鋼板的顯微成相，主纜鋼絲本身構(gòu)件有宏觀曲率，過小的放大倍率不能精確地掃描出鋼絲局部表征的特性。當(dāng)放大倍率過高時(shí)，地表的隨機(jī)振動(dòng)會(huì)對(duì)顯微鏡頭的聚焦過程產(chǎn)生較大的干擾，導(dǎo)致很多情況下無法成相。由此一來，如何選取適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵适钦麄€(gè)局部表征識(shí)別工作的重點(diǎn)。經(jīng)過不斷地研究，發(fā)現(xiàn)500倍是非常適合做此種主纜鋼絲局部表征識(shí)別的放大倍率。

利用500倍放大倍率超景深三維顯微成相技術(shù)對(duì)腐蝕后(為避免冗繁，此處僅列出2 000 με下結(jié)果)試驗(yàn)高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行掃描，利用D.F.D(Depth from Defocus)技術(shù)，進(jìn)行三維圖像的繪制，局部點(diǎn)蝕坑成像結(jié)果如圖2所示。

圖2 D.F.D技術(shù)主纜鋼絲腐蝕表征對(duì)比Fig.2 Comparison of main cable steel wires’ corrosion characterizes by D.F.D technology

由圖2可知：

(1)高應(yīng)變水平會(huì)顯著地加速鋼絲的腐蝕，無論是對(duì)于涂層還是鋼絲母材。對(duì)比各應(yīng)變狀態(tài)下第1 d 的腐蝕形態(tài)，0 με和1 000 με兩種應(yīng)力水平下，主纜鋼絲的涂層還沒有發(fā)生整體溶蝕，而持有2 000 με 應(yīng)變的主纜鋼絲的涂層基本有50%的溶蝕程度，至于3 000 με應(yīng)變的試樣，涂層對(duì)母材的保護(hù)作用基本消失，已經(jīng)可以觀察到裸露的母材。

(2)時(shí)間的增長，對(duì)主纜鋼絲局部表征的起伏有很大影響，腐蝕時(shí)間越長，局部表面起伏越劇烈。

(3)2 000 με下，加速腐蝕1 d，最大表觀腐蝕起伏達(dá)35 μm；4 d最大表觀腐蝕起伏達(dá)127 μm。

2.2 腐蝕過程中質(zhì)量損失率的變化規(guī)律

主纜鋼絲具有非常好的材性，首先考慮是否可以用主纜鋼絲的質(zhì)量損失率對(duì)鋼絲腐蝕后的材性建立起一個(gè)直觀對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是存在的，那么將對(duì)主纜鋼絲的剩余性能評(píng)估起到非常有益的作用。對(duì)所有電解加速腐蝕的主纜鋼絲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表1所示：

表1 不同應(yīng)變水平及腐蝕時(shí)間下平均質(zhì)量損失率Tab.1 Average mass loss rates under different strain levels and corrosion time

由圖3～4試驗(yàn)結(jié)果可知：

圖3 不同應(yīng)變水平下質(zhì)量損失率隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of mass loss rate varying with time under different strain levels

圖4 鋼絲均勻腐蝕質(zhì)量損失變化(文獻(xiàn)[13])Fig.4 Change of mass loss of steel wires in uniform corrosion (reference [13])

(1)持力3 000 με電解加速腐蝕4 d，與自然腐蝕420 d試驗(yàn)結(jié)果[13]接近，且變化趨勢一致，表明利用持力電解加速腐蝕的試驗(yàn)方法可靠，且本法可極大地縮減試驗(yàn)研究時(shí)間。

(2)3 000 με下加速腐蝕平均質(zhì)量損失率4 d是1 d的6.40倍，表明鋼絲平均質(zhì)量損失率隨著時(shí)間增長呈非線性增長，整體呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增長腐蝕速率變快的趨勢。

(3)3 000 με下加速腐蝕1～4 d平均質(zhì)量損失率分別是2 000 με下的1.17倍、1.22倍、2.27倍以及3.02倍，表明應(yīng)變水平越高，鋼絲腐蝕越明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在持有高應(yīng)變水平使得主纜鋼絲局部腐蝕產(chǎn)生的基材缺陷不斷拉伸、擴(kuò)展，導(dǎo)致越高應(yīng)變的鋼絲腐蝕越快，伴隨著直徑的變小，會(huì)加劇腐蝕。其次，在持有高應(yīng)變狀態(tài)下，主纜鋼絲的電阻會(huì)下降，在外界電化學(xué)電位不變的情況下，會(huì)加強(qiáng)電流密度，使得其腐蝕加劇。

以無應(yīng)變鋼絲腐蝕為基準(zhǔn)，以其質(zhì)量損失率為分母，其他持有應(yīng)變的鋼絲質(zhì)量損失率對(duì)其做比值得到質(zhì)量損失率，將時(shí)間作為觀測的角度，那么將4 d 的腐蝕過程分開來，形成各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上質(zhì)量損失率和應(yīng)變的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同時(shí)間應(yīng)變水平對(duì)質(zhì)量損失率的影響Fig.5 Influences of different time strain levels on mass loss ratio

由圖5分析結(jié)果可知，在腐蝕的前兩天，應(yīng)變對(duì)于質(zhì)量損失比率的影響近似線性分布，隨著時(shí)間的增長，逐漸呈現(xiàn)出指數(shù)分布的形式。時(shí)間越長，應(yīng)變水平對(duì)質(zhì)量損失效應(yīng)越顯著。

2.3 腐蝕過程中最大截面損失率的變化規(guī)律

質(zhì)量損失率參數(shù)分析的不足之處在于，由于保護(hù)涂層的存在以及腐蝕過程隨機(jī)性導(dǎo)致的腐蝕不均勻分布使得我們無法較好地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。這導(dǎo)致我們不得不退而求其次研究鋼絲腐蝕最大截面損失率的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同應(yīng)變水平下鋼絲平均最小直徑隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of average minimum diameter of steel wires varying with time under different strain levels

由圖6分析結(jié)果可知：

(1)隨著時(shí)間的發(fā)展，最大截面損失率增大。應(yīng)變水平的增加會(huì)加劇主纜鋼絲的腐蝕進(jìn)程，最大截面損失率隨應(yīng)變水平增大而增大。

(2)對(duì)比分析平均質(zhì)量損失率、最大截面損失率隨應(yīng)變水平、時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，得出最大截面損失率與應(yīng)變、時(shí)間兩變量相關(guān)關(guān)系更好。在相關(guān)研究中可以考慮采用最大截面損失率作為核心中間變量來衡量主纜鋼絲的腐蝕等級(jí)。

3 結(jié)論

本研究基于預(yù)加荷載電解加速腐蝕試驗(yàn)裝置，開展了主纜鋼絲電解加速腐蝕試驗(yàn)研究，探討了主纜鋼絲的表觀腐蝕規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)應(yīng)變水平和腐蝕時(shí)間對(duì)主纜鋼絲腐蝕有顯著影響，應(yīng)變水平越高，腐蝕時(shí)間越長，鋼絲局部表面起伏越劇烈。

(2)持力鋼絲電解加速腐蝕4 d質(zhì)量損失，與自然腐蝕420 d試驗(yàn)結(jié)果接近，且變化趨勢一致。

(3)3 000 με下加速腐蝕平均質(zhì)量損失率4 d是1 d的6.40倍，且1～4 d分別是2 000 με下的1.17倍、1.22倍、2.27倍以及3.02倍。

(4)應(yīng)變水平越高，腐蝕時(shí)間越長，鍍鋅涂層發(fā)生溶蝕破壞后，鋼絲基材缺陷不斷拉伸、擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼絲腐蝕加快，即腐蝕程度呈非線性增長。

(5)隨著時(shí)間的增加，最大截面損失率增大。應(yīng)變水平的增加會(huì)加劇主纜鋼絲的腐蝕進(jìn)程，最大截面損失率隨應(yīng)變水平增大而增大，且與兩變量相關(guān)性較好。