海洋環境下腐蝕鋼結構力學性能研究進展

潘金龍 梁鴻宇 張恩旺 系星語

（南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211200）

0 引言

我國幅員遼闊，海岸線延綿一萬多公里，島嶼更是多達數千，隨著我國沿海經濟的飛速發展，鋼材的應用范圍已經越來越廣，鋼樁碼頭、人工島、棧橋、管道、儲罐、碼頭、海上平臺等領域均可以看到鋼結構的身影。海洋環境下，鋼結構容易產生銹蝕，進而影響鋼結構的力學性能，導致鋼結構的使用壽命縮短并引發相應的工程事故，帶來巨大的安全隱患[1,2]，在我國每年由鋼結構腐蝕造成的直接經濟損失約為2300億元，間接經濟損失為（5000～6000）億元，相當于我國國民生產總值的5%，因此，研究海洋環境對鋼結構的力學性能影響具有極其重要的意義。

1 海洋環境下鋼結構腐蝕影響因素

海洋環境下，鋼結構的腐蝕機理復雜，影響因素種類繁多，腐蝕后產生的物質類型也各不相同[3]。國內外現有研究表明，海洋環境下鋼結構腐蝕因素眾多，但是起主要的影響因素是氯離子、荷載[4-6]。

1.1 氯離子

氯離子在海洋中廣泛存在，由于氯離子對鋼的表面滲透性非常強，當鋼結構處于海洋環境中時，氯離子在鋼表面溶于液態薄膜中，形成對鋼具有強烈腐蝕性介質，進而在鋼材表面形成坑形腐蝕點。Ma等[7]將模擬海洋環境下的鋼材進行紅外光譜分析后發現，氯離子不同腐蝕周期下，鋼結構表面腐蝕程度、形態均不同。Graede[8]通過實驗分析認為氯離子還對海洋環境下鋼結構的電化學腐蝕有不同程度的加強作用，同時，氯離子的濃度大小也對鋼結構的腐蝕有一定影響[9,10]，氯離子濃度越大，鋼結構表面腐蝕速度越快。現有研究發現鋼材在受到氯離子腐蝕后，會產生氧化鐵、γ-FeOOH等主要物質。在考慮海洋氯離子的影響因素實驗方面，目前采取的是使用模擬海洋環境，比如用氯化鈉溶液、鹽霧等常規腐蝕環境以及高濃度加速腐蝕實驗。

1.2 荷載耦合

鋼結構在實際使用過程中均受到荷載的作用，海洋腐蝕環境下，荷載的耦合使鋼結構受到的腐蝕程度更深。然而在氯離子與荷載耦合環境的實驗方面，國內外對此直接開展的研究并不是很多，Y-H.HUANG[11]等通過研究氯離子腐蝕環境下不銹鋼的耐疲勞性能發現，當施加短期扭轉荷載時，不銹鋼表面的銹蝕程度更深，荷載加速了腐蝕環境下鋼結構表面的銹坑形成速度，經過顯微觀測能明顯發現，施加荷載的鋼棒表面銹坑會轉化為裂紋。Sung jin kim[12]通過研究荷載對酸性環境下鋼的電化學反映實驗得出，荷載加速了鋼的電化學反應，使鋼材收到腐蝕程度更深。Xing Xie[13]通過研究荷載與氯離子環境下10CrNi5MoV鋼的耐疲勞性能發現，此鋼在海水中的疲勞壽命比在空氣中的短，隨著施加載荷比例的增加，加速了此鋼的腐蝕，鋼表面銹坑的形成速度更快，耐疲勞性能更差。

Fumin Li[14]等通過研究氯離子與疲勞荷載共同作用下，預應力混凝土梁的腐蝕破壞形式發現。在氯離子腐蝕和疲勞荷載的共同作用下，不同受力段的預應力混凝土梁鋼絞線受到不同程度的腐蝕。彎管段比彎剪段腐蝕更為嚴重，這與彎管段的疲勞應力水平相對應。鋼絞線呈典型的孔蝕狀腐蝕，表面形成近似于球狀的凹坑，氯離子濃度越高，施加疲勞荷載越大，凹坑體積越大。

以上研究表明，鋼在海洋環境下會受到氯離子的腐蝕，同時荷載的耦合會使鋼結構腐蝕的情況更加嚴重。由于實驗設施及操作上存在的困難，現有研究基本都是短期荷載效應，少見長期荷載效應下鋼結構的腐蝕與力學性能研究。國內在氯離子與荷載耦合環境下的鋼的銹蝕實驗涉及極少，并且已有的研究僅在疲勞破壞領域，而現實工程中鋼結構的使用情況均是環境與荷載耦合，因此在氯離子與其他荷載方面鋼結構的腐蝕行為是今后的研究方向。

2 海洋環境下鋼結構力學性能變化

海洋環境下鋼結構受到腐蝕后，其力學性能會發生不同程度的下降，力學性能的下降必然影響鋼結構的使用安全性，從而縮短鋼結構的使用壽命。海洋環境下鋼結構的力學性能變化情況研究主要是從鋼結構拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能三方面入手。

2.1 拉伸性能

拉伸性能的主要參數為屈服強度、極限強度、伸長率、屈強比等。Wei R Y等[15]通過截取海洋環境下鋼結構構件進行拉伸試驗，發現鋼材的各項拉伸性能指標均出現了大幅度下降。在此方面研究的還有徐興平[16]、史煒洲[17]等，這些研究均是從自然界使用中的鋼材為研究對象，可以直接反映其力學性能的退化規律。更多情況下，研究人員是采用實驗室模擬海洋環境，亦或是采用加速腐蝕實驗作為實驗環境。如Tatsrro等[18]直接在鋼材表面參照自然銹蝕情況制作相應銹坑，研究鋼材表面由于銹坑引起鋼拉伸性能的變化規律，得出隨著銹坑深度和密度的增大，鋼材拉伸試驗后，其屈服強度、極限抗拉強度和伸長率等均出現了大幅度降低。Almusallam[19]、陳露[20]等通過海洋環境下低碳鋼的拉伸試驗得出，在銹蝕程度較低時，低碳鋼的拉伸性能變化較小，當銹蝕率超過10%時，低碳鋼的抗拉強度下降明顯。現有研究在鋼結構的抗拉強度方面得出的結果與結論較為接近，但是在拉伸變形上出現較大的差別，由于海洋腐蝕環境下鋼結構的長期耐久性試驗離散性較大，因而需要更加深入的研究，以對海洋環境下的鋼結構使用提供數據支撐。

2.2 壓縮性能

鋼結構作為受壓構件，在結構承重體系中占據重要地位，國內外在海洋腐蝕環境其壓縮性能的影響主要集中在承載力、剛度、延性幾個方面。徐善華[21]等通過研究型鋼構件放在鹽霧模擬海洋環境下力學性能試驗，發現型鋼柱的銹蝕程度與時間成正比，其承載力、剛度、位移延性系數都產生了不同程度的下降，同時，型鋼翼緣的銹蝕對鋼結構的偏壓承載力的下降起決定性作用。

張華[22]通過研究鹽霧模擬海洋試驗下H型鋼壓彎性能發現，由于銹蝕在型鋼的表面形成銹層，減少了構件的截面積，引起其壓彎性能的下降。

2.3 彎曲性能

鋼結構的彎曲性能在腐蝕之后會受到不同程度的影響，白燁等[23]通過大氣環境下腐蝕三年的鋼材四點彎試驗得出，腐蝕使得構件截面厚度受到不同程度的削弱，進而影響構件的受彎承載能力。在銹蝕程度方面，均勻銹蝕時整個銹層對鋼材的承載力起不到任何作用，相當于對原有構件削去一層使得鋼材截面厚度改變，而銹坑由于厚度不同，分布不均，對受彎承載力的影響原理也不同。潘典書[24]截取大氣暴露環境下腐蝕的鋼材試件，通過三點彎實驗研究腐蝕環境下銹蝕鋼材受彎承載力，結果表明鋼結構構件承載力隨著腐蝕年限的增加，呈現出初期衰退比較快，后期逐步變緩慢的趨勢。徐善華等[25]通過槽鋼構件在室內鹽霧加速試驗研究鋼的受彎性能，結果表明，鋼構件的承載力降低主要是由于受到持續腐蝕，點蝕因子隨時間逐步變大，鋼構件的銹坑也隨著擴大、變深，導致鋼構件的表面強度降低。

在力學性能研究方面，經過海洋環境腐蝕后，鋼結構的拉伸、壓縮、彎曲等力學性能均會發生不同程度的降低，然而對于力學性能的下降，大多僅在短期時間基礎上通過理論模擬預測長期壽命，鋼結構的實際使用壽命及力學性能的退化還需要更長時間的試驗驗證與研究。

3 結語

通過以上研究可以發現，鋼結構腐蝕的研究已經取得了相應的進展，海洋環境下鋼結構腐蝕的主要影響因素是氯離子與荷載，無論是自然腐蝕條件還是人工模擬加速腐蝕條件均會引起鋼結構力學性能不同程度的下降。但是現有試驗研究還存在一定的問題和不足，即僅僅在荷載耦合條件下鋼結構的耐疲勞性能，而在其他力學性能上的研究少見，因而今后可以加強考慮應力和外界腐蝕環境共同作用下鋼結構的力學性能試驗，建立相應力學性能退化模型，對應用鋼結構工程進行壽命預測，具有很大的現實意義。