預應力錨固材料腐蝕耐久性研究進展

廖靈敏，陳 亮，李洪斌，肖承京

(1.長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢430010；3.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢430010)

預應力錨固結構廣泛應用于國內外水工大壩加固、邊坡及滑坡支擋、大型地下洞室和深基坑支護等諸多領域，大多數都作為永久性支護措施，對安全等級要求較高。但隨著預應力錨固技術的大量運用，國內外出現了不少因腐蝕破壞導致錨固失效的情況，例如，國際后張預應力協會(FIP)地錨工作小組收集到的35例國外預應力錨索破壞實例，我國梅山水電站的無粘結監測錨索運行不足6年，先后有3束因應腐蝕問題而導致鋼絲斷裂等[1]，此外，國內交通、鐵道等行業邊坡錨固工程中關于錨索出現腐蝕(銹蝕)破壞失效的事例也屢見不鮮。這些工程實例表明預應力錨固工程并非“一勞永逸”。

材料使用壽命是結構使用壽命的基礎。預應力錨固體(錨索、錨桿)材料均為鋼材，如預應力錨索鋼絞線為高碳鋼，含碳量一般在0.70wt%～0.85wt%，錨桿多采用HRB335、HRB400級螺紋鋼筋，含碳量約為0.25wt%。相對于地上結構，應用于巖體工程中的預應力錨固結構所處環境更為惡劣，其工作環境中存在高應力、侵蝕性介質、雜散電流及雙金屬作用等不利因素，使其更易發生材料腐蝕致使結構損傷失效[2]，腐蝕破壞已成為嚴重威脅錨固結構工程安全的主要因素。鑒于這類結構已出現和正面臨的一些問題，預應力錨固結構材料的腐蝕耐久性問題已引起國內外學術界、工程界的重點關注。研究錨固材料的腐蝕耐久性，對于現有錨固結構使用壽命和錨固工程安全水平的評價以及防腐措施的制定都具有重要的科學價值和借鑒意義。

目前，國內外已有不少學者致力于錨固結構材料腐蝕的相關機理和試驗研究，主要從現場服役試驗和室內模擬試驗兩方面來開展，但錨固材料的腐蝕耐久性劣化機制和壽命預測評估還需要進一步探索。本文對這些研究進展進行了綜述和總結，并在此基礎上展望了未來的研究方向。

1 預應力錨固結構材料的腐蝕機理

錨桿(索)材料在腐蝕環境中表面或界面上易發生化學和電化學的多相反應，致使錨桿(索)轉化為氧化態[3]。預應力錨固材料在高拉應力狀態下長期處于圍巖、土壤中，且大多會穿過軟弱地層，受到地下徑流、氣體、濕度和巖石成分等多環境因素的影響，其腐蝕機理主要包括電化學腐蝕、化學腐蝕、應力腐蝕、氫脆等。實際服役過程中，錨固材料的腐蝕過程更多地表現為這些腐蝕作用的綜合作用，其中應力腐蝕和電化學腐蝕是導致破壞失效的兩大主要原因。

1.1 電化學腐蝕

電化學腐蝕是由于錨固材料表面與周圍介質(如潮濕空氣、電解質溶液等)發生電化學反應而引起的腐蝕現象。鈍化膜破壞的錨桿(索)發生電化學腐蝕需滿足以下3個條件[4]：①錨桿(索)表面存在電位差，不同電位的區段之間形成陽極-陰極，構成銹蝕電池；②陽極區段，錨桿(索)表面處于活化狀態，能發生失去電子的氧化反應；③陰極區段，有足夠數量的水分和氧氣，能得到來自陽極區段的電子發生還原反應。由于錨固鋼材本身含有鐵、碳等多種成分，這些成分的電極電位不同，加之所處的環境潮濕復雜，表面形成許多微電池，所以電化學腐蝕比較容易發生，這是預應力錨固材料腐蝕中最常見的一種腐蝕形態。

1.2 化學腐蝕

化學腐蝕與電化學腐蝕的區別在于腐蝕過程沒有電流產生，是錨桿(索)表面直接與氣體(如服役環境中O2和水蒸氣等)或非電解質溶液接觸發生化學反應而引起的腐蝕，整個反應過程服從多相反應化學動力學的基本規律。

1.3 應力腐蝕

應力腐蝕是錨桿(索)材料在拉應力和侵蝕環境共同作用下發生的一種腐蝕現象。鋼材表面被環境中侵蝕性介質腐蝕而受到破壞，加上拉應力作用，破壞處逐漸產生微裂紋。這些裂紋為侵蝕性介質深入鋼材內部提供了通道，腐蝕沿裂縫深入，由腐蝕產生的應力集中再促進裂縫沿晶粒邊界和穿過晶粒發展，如此反復循環直至斷裂[5]。這種破壞不同于單純的機械應力破壞和單純的電化學腐蝕，它可能在較低拉應力作用下發生，也可能在腐蝕性介質較弱情況下發生。值得一提的是，應力腐蝕往往導致預應力錨固件在遠低于自身抗拉強度時發生脆性斷裂，破壞發生時間短而快，而且事先往往無預兆，對工程安全威脅較大。

1.4 氫脆

氫脆是預應力錨固件在服役過程中發生脆性斷裂的另一種腐蝕類型。錨桿(索)材料受拉應力作用，內部應力分布不均勻。同時，在侵蝕介質腐蝕作用下，錨桿(索)表面發生化學反應產生少量氫氣。在應力梯度作用下，氫原子可能在晶格內擴散或跟隨位錯運動至應力集中區域。氫原子富集區域容易萌生裂紋，并不斷擴展，導致錨桿(索)脆斷。

2 預應力錨固結構材料腐蝕耐久性現場服役試驗

由于錨固結構腐蝕情況主要取決于服役環境條件，對實際工況下運行的錨固件進行現場取樣和腐蝕試驗研究，可直接、真實地反映其在巖土體中深埋、隱蔽的長期運行性能演變特征和耐久性。多年來國內外研究者通過現場取樣測試對不同工程服役的預應力錨固結構進行了腐蝕情況調查研究，并結合這些現場試驗數據開展了腐蝕耐久性影響分析和服役壽命預估。

英國、南非和德國等有關部門專門對部分使用了10～22 a的巖土錨固結構的長期性能進行了全面的調查與檢測。例如，Davies等[6]在1992年～1995年通過對南非8個不同地點的錨固工程的長期監測，認為錨桿在近錨頭處出現腐蝕，主要是由其所處地下環境、驗收拖延和防護不良等原因引起；Weerasinghe等[7]對某造船廠在海水中使用20余年的錨桿現場取樣進行了腐蝕程度、殘余應力等測試，并探明了周圍環境條件對錨桿腐蝕程度的影響；Feddersen等[8]調查研究了德國EDER大壩、英國利物浦桑登多克廢水處理工程等未出現腐蝕征兆、性能良好的工程，認為采用優良的防護系統和完全有效的封孔灌漿阻止水和空氣接觸鋼絞線與錨頭，可解決錨固結構腐蝕破壞問題。但在實際施工中，錨固注漿時孔道灌漿不實或水泥漿體開裂的情況仍有發生，則錨固結構材料存在腐蝕風險。

國內報道較早的是總參工程兵科研三所(1985年～1987年)開展的以“砂漿錨桿的腐蝕與防護研究”為題的研究，此后錨固結構的腐蝕耐久性研究逐漸得到發展。該所曾憲明等[9]后續對分布于湖北、河南、山東等地區的5個錨固工程中服役3～28 a的錨桿進行了取樣分析，發現錨桿腐蝕速率與各地環境條件、砂漿握裹層厚度和服役年限均有較大關聯，其中處于干濕交替或出水條件下的腐蝕速率最大，年均直徑腐蝕速率約為0.03～0.08 mm/a，相應地承載力下降也最大；施工質量不良且環境惡劣時錨桿使用壽命僅為20～25 a；1 cm范圍內的砂漿握裹層厚度變化將導致錨桿使用壽命幾十年的差異。趙健等[10，11]針對河南焦作某煤礦現場取出的一批埋設17年的試驗錨桿，在宏觀腐蝕特性和力學性能下降程度方面進行了較全面的測試分析，研究表明在中等腐蝕環境下運行17年后錨桿平均屈服荷載和極限荷載同使用年限為0的錨桿相比要分別低49.2%～52.9%和18.4%～22.2%。

以上多是針對錨桿的現場試驗研究，事實上，錨索在大噸位錨固工程中應用更為廣泛。資料顯示，我國運行超過10年的絕大多數錨索均采用全長黏結結構，其中拉力集中全長黏結型錨索應用尤為普遍。2011年，陳祖煜課題組[12]選取漫灣水電站左側壩頂一根已服役20年的錨索進行了現場開挖試驗，從錨頭銹蝕狀態、縮進量、水泥砂漿防銹效果、內錨固段特征和鋼絞線力學化學性質變化等方面對該錨索耐久性進行了研究和評價。結果表明，水泥砂漿對錨索內錨固段可以起到很好的防銹效果，錨索經過20年運行后化學性質和力學性質變化仍在相應規范要求范圍內，但錨頭位置僅采用混凝土澆筑防銹工藝并未達到理想的效果。任愛武等[13]同樣以此開挖錨索為試驗樣品，進行了侵蝕性離子(Cl-)腐蝕極化試驗，驗證了長期處于密閉環境中使得服役20年的鋼絞線耐蝕性能降低，處于活化腐蝕狀態，表面無法產生鈍化膜，因此開挖后與周圍巖體中地下水、氧氣接觸，迅速發生銹蝕。張思鋒等[14]對濟南繞城高速公路K24高邊坡錨固工程不同部位的預應力錨索進行了開挖研究，發現鋼絞線腐蝕程度與錨索所處部位土體含水量有很大關系，含水量越小，則腐蝕程度越低；鋼絞線表面局部坑槽腐蝕遠快于均勻腐蝕速率，腐蝕較重的鋼絞線年均直徑腐蝕速率達到0.26 mm/a，預估其使用年限僅為16 a左右。

通過以上現場服役構件取樣分析和腐蝕試驗研究，研究者們取得了部分服役環境下不同齡期的錨固材料腐蝕情況和耐久性影響第一手資料，為預測同類工況條件下錨固結構的使用壽命提供了數據依據。但由于各地區各類錨固工程的復雜性和多樣性以及現場開挖取樣的難度，目前現場服役試驗范圍尚不廣泛，其腐蝕規律預測和服役壽命評估方法的普適性則存在一定局限。

3 預應力錨固結構材料腐蝕耐久性室內加速模擬試驗

鑒于工程預應力錨固件埋藏于巖土體內部，因開挖不便可獲得的不同服役期試樣有限，且現場腐蝕規律觀察所需時間非常漫長，盡管通過類比替代分析能定性獲知部分同類工況下錨固結構耐久性信息，但仍難以滿足當前大規模錨固工程的安全需求。針對此情況，更多研究者采用了另外一類耐久性研究方法——室內加速腐蝕模擬試驗，以探明其腐蝕行為規律和機理。

隨著工程界和學術界的不斷探索，研究人員對影響錨固結構耐久性的腐蝕因素逐漸有了一定的認識，其主要影響因素主要有pH值、應力水平、侵蝕性離子、材料自身性能、時間等。一些研究者通過單因素室內加速腐蝕試驗，分別研究了各個因素對預應力錨桿(索)腐蝕耐久性的獨立影響作用規律。Manns[15]采用加速試驗研究了侵蝕性碳酸環境下巖土錨桿性能的變化，測試了在侵蝕性碳酸環境下錨桿承載力的衰減發展，認為承載力和碳酸的濃度具有明顯的關系，碳酸的濃度越高，承載力下降越大。Gamboa和Atrens[16-19]在2003年～2005年通過一系列線性應力增加試驗，研究了錨桿的應力腐蝕機理，分析了應力值、環境和桿體材料等因素對于腐蝕破裂的影響，認為錨桿應力腐蝕開裂現象僅在滿足拉應力增大到一定程度和周圍環境可以發生析氫反應的情況下才發生，其中1355AX型鋼材質的錨桿發生應力腐蝕的臨界拉應力值為900 MPa，導致錨桿發生應力腐蝕的環境條件是在酸性溶液環境下，且自由腐蝕電位為350 mV vs SHE。

以上這些研究主要集中在錨固結構腐蝕發展規律的定性研究上，仍難以定量化預測錨固結構的使用壽命、耐久性等一系列參數。在此基礎上，一些學者開始致力于對錨固材料腐蝕耐久性影響因素進行定量化研究和評定。

朱爾玉等[28]主要考察了酸雨的影響，通過室內周期浸泡加速腐蝕試驗探索了酸雨環境下的預應力錨固體系腐蝕程度和力學狀態變化規律，以腐蝕電流密度和抗拉強度損失率作為預應力鋼絞線腐蝕情況的主要評價指標，認為鋼絞線受酸雨腐蝕的損傷程度可采用常規的鋼筋腐蝕模型進行評估[29-30]，該研究中盡管對錨固材料進行了高應力加載，卻并未考慮應力載荷對腐蝕的影響。

夏寧[31]根據錨桿在工作環境中的腐蝕特點，采用數值模擬的方法建立了錨桿不均勻銹蝕動態輪廓線模型，并根據錨桿位置、地下侵蝕性介質流動方向和錨桿銹蝕程度計算出錨桿表面任意一點的虛擬銹脹位移，在此基礎上給出了砂漿保護層脹裂破壞時的錨桿臨界銹蝕量預測公式，如式(1)～式(3)所示。利用該預測公式，計算比較了錨桿銹蝕量相等的條件下均勻銹蝕和不均勻銹蝕的差異，驗證了桿體不均勻銹蝕對砂層保護層的破壞作用更為嚴重。

(1)

(2)

ρcor=(1/ρr-β/ρst)-1

(3)

式中，Wst,crit為錨桿臨界銹蝕量；β為鐵與銹蝕產物的摩爾質量之比，和銹蝕產物的類型有關；ρr為銹蝕產物的密度；d0為孔隙過渡區厚度；D為鋼筋直徑；ρst為鐵的密度；C為砂漿保護層厚度；R為錨桿半徑；a為銹層厚度系數，反映了保護層脹裂時錨桿表面的銹蝕程度；α為桿體表面銹蝕范圍對應的圓心角。

李富民等[32-34]研究了氯鹽、硫酸鹽干濕循環作用下錨索結構的腐蝕過程，并基于Hill函數，建立了以Cl-濃度和錨索周圍地面孔隙水飽和度兩個因素作為自變量的瞬時腐蝕速率、腐蝕失重率和拉伸性能力等一系列時變模型，如式(4)～式(6)所示。

(4)

Vmax=a·Cb·exp(c+d·s+e·S2)

(5)

n=f·Cg·Sh

(6)

式中，R為腐蝕質量損失率；Vmax為Hill函數逼近的最大值；C為Cl-濃度；S為孔隙水飽和度；a～h為待確定的參數。

李英勇、張思峰等[35-37]選取了pH值、時間、應力三種影響因素進行耦合，考查了預應力錨桿(索)材料在不同參數水平下腐蝕外觀特性、斷面損失率、單位長度腐蝕量的具體表現。根據總體趨勢，隨pH值增大，單位長度腐蝕量和斷面損失率呈遞減趨勢；隨時間延長，腐蝕量和斷面損失率不斷增加，但腐蝕量增量逐漸減小；與無應力狀態相比，有應力狀態腐蝕量明顯更大，當應力水平增大到一定程度后，單位長度腐蝕量雖然呈增大趨勢，但變化速率減緩。并以單位長度腐蝕量為因變量，pH值、時間、應力為自變量，并嘗試建立了錨索耐久性壽命預測的定量公式，如式(7)所示。而斷面損失率試驗結果受桿體材料局部缺陷和出廠斷面尺寸誤差等偶然因素影響較大，與pH值、時間、應力各因素之間的相關性較差，難以獲得較為規律的定量結果。

(7)

式中，C1為單位長度腐蝕量；x1為時間；x2為pH值，5≤x2≤9；x3為應力水平，x3=σ/σb；σ為當前應力；σb為桿體抗拉屈服強度，0≤x3≤1；p1～p5均為待定參數。

需要指出的是，盡管室內加速腐蝕試驗所得到的試驗結果可作為實際工程中預應力錨固結構使用壽命預測的理論基礎，但還不完全等同于實際工況下預應力錨固結果的腐蝕情況。因此，將室內加速腐蝕試驗結果與現場試驗結果相結合，從而實現對室內試驗所得定量評價模型與方法的修正，使其能準確預測與評估錨固結構耐久性壽命將是下一步研究的重點。

4 結語與展望

目前，預應力錨固結構朝著大噸位、高應力的方向發展，其材料腐蝕耐久性已經成為決定工程正常使用和運行安全的重要因素。國內目前正在使用的錨桿(索)數以億計，對于這些在役錨桿(索)的殘余使用壽命預測和防腐措施制定，都需要大量的研究數據支撐，且刻不容緩。由于其服役環境和腐蝕影響因素的復雜性，不能將預應力錨固結構材料的腐蝕損傷與普通鋼材相等同。本文詳細介紹了預應力錨固結構材料的腐蝕機理、現場服役腐蝕耐久性試驗和室內加速模擬試驗進展等方面的研究進展，總的來說，當前的試驗研究內容相對豐富，但理論體系并不完整，尤其在腐蝕影響規律和壽命預測定量化等方面未有定論。為此，筆者認為在以下3個方面還需要進一步探索：

(1)應加強室內加速試驗與現場服役試驗的結合，相互印證，對試驗研究成果進行優化，以保障預應力錨固結構腐蝕耐久性研究緊密結合工程實際。

(2)影響預應力錨固結構材料腐蝕行為的因素眾多，需在試驗設計中綜合考慮更多因素的影響并實現定量化的規律描述，以期建立一套更為科學全面的錨固結構材料腐蝕耐久性壽命預測方法，為把握在役錨固系統預警處理時機和制定控制對策提供技術支持。

(3)預應力錨固結構在工程應用中大都進行了一定的防腐處理，目前大部分研究都集中在錨固材料本身的腐蝕耐久性上，今后應增加針對防腐措施的耐久性研究，以探索更為有效的防腐措施，延長錨固結構的使用壽命。