橋梁索體鋼絲外加電流陰極保護機理試驗研究

姚國文 劉佳偉 張高峰 喻宣瑞 陳鵬宇

1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074

高強度鍍鋅鋼絲因其優(yōu)越的物理力學(xué)性能［1］被廣泛應(yīng)用于各種大跨徑橋梁的拉吊索中。拉吊索外層通常包裹一層高密度聚乙烯（High-density Polyethylene，HDPE）護套，但HDPE 護套保護效果相對有限。當(dāng)HDPE 護套開裂后，大量腐蝕介質(zhì)將侵入護套內(nèi)部，與鋼絲直接接觸。特別是拉吊索下錨固區(qū)段，當(dāng)表面HDPE 護套破損開裂后，酸雨等腐蝕介質(zhì)匯聚于錨固區(qū)，使鋼絲長期暴露在潮濕和富含氧化物的環(huán)境中，從而形成原電池腐蝕體系，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，即鐵基質(zhì)在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。在車輛荷載、風(fēng)荷載與腐蝕環(huán)境的耦合作用下會顯著加速鋼絲耐久性和可靠度的退化，導(dǎo)致拉吊索使用壽命一般不超過30年。小南門大橋、孔雀河大橋等都是由于索體區(qū)段斷裂而引起橋梁結(jié)構(gòu)破壞［2］。因此，為延長拉吊索使用壽命，保障橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定使用，研究延緩橋梁拉吊索鋼絲腐蝕的方法尤為重要。

ICCP 是一種延緩腐蝕的有效方法，并已廣泛用于船舶、管道、鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)的防護。其原理是將鋼結(jié)構(gòu)通上直流電，抑制腐蝕體系中氯離子的遷移，從源頭上解決鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕問題。Ball 等［3］通過在俄亥俄州混凝土橋梁上安裝ICCP系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)對鋼筋施加反向電位可有效延緩鋼筋力學(xué)性能的衰變趨勢，使鋼筋的力學(xué)性能得到了改善和保障；Bahekar 等［4］采用失重法和測量開路電位來評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中ICCP的保護效率，發(fā)現(xiàn)隨著保護電流密度增加，鋼筋腐蝕率顯著降低；Wei 等［5］對處于氯鹽環(huán)境腐蝕下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取ICCP，并通過測量鋼筋的瞬斷電位和開路電位評估了ICCP 對鋼筋的陰極保護效果，結(jié)果表明，保護電流密度最大值為20 mA/m2。

綜上，目前鮮有研究將ICCP用于預(yù)防橋梁拉吊索鋼絲的腐蝕。因此，本文以鍍鋅平行鋼絲為研究對象，開展處于氯鹽環(huán)境下鋼絲的ICCP 試驗，從宏觀和微觀角度分析鋼絲在試驗過程中力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到保護電壓的有效合理區(qū)間，為進一步提高拉吊索結(jié)構(gòu)的耐久性提供參考。

1 試驗

1.1 材料及溶液制備

鍍鋅鋼絲由中國寶武鋼鐵集團有限公司生產(chǎn)，鋼絲長60 cm，直徑5 mm，抗拉強度1 960 MPa，表面鍍鋅層厚度為0.2 mm，單根鋼絲鍍鋅層質(zhì)量不小于110 g/m2。鋼絲化學(xué)成分及含量為：C（0.82%～0.85%）、Si（0.12%～0.21%）、Mn（0.60%～0.90%）。根據(jù)文獻［6-7］可知，當(dāng)試驗溶液為5%NaCl，溫度為（35 ± 2）℃時腐蝕效果最好，溶液配置見表1。

表1 溶液配置 %

1.2 試驗方案

根據(jù)文獻［8］將試驗鋼絲分為5類，分別浸泡在上文配制溶液中，其中4 類鋼絲分別施加-1.1、-1.2、-1.3、-1.4 V 保護電位，剩下1 類鋼絲作為對照組不采取ICCP，腐蝕時間均為1 440 h。以鍍鋅鋼絲作為陰極，石墨繩作為陽極，飽和甘汞作為參比電極。試驗裝置見圖1，試驗設(shè)備見表2。在相同試驗條件下，選擇四組平行試樣，以降低試驗結(jié)果的離散性。腐蝕試驗結(jié)束后，其中一組用于靜態(tài)拉伸試驗，剩下三組用于疲勞試驗。

圖1 試驗裝置

表2 試驗設(shè)備

1.2.1 鋼絲形貌觀察

腐蝕試驗完成后，選擇其中一組鋼絲采用電子顯微鏡分別放大20倍和200倍進行微觀形貌觀察。

1.2.2 腐蝕速率測量

腐蝕試驗完成后，嚴(yán)格按照文獻［9］對鋼絲表面進行除銹、清洗，然后采用電子天平對不同試驗條件下鋼絲進行稱重。腐蝕速率按照式（1）計算，并取平均值。

式中：V為鋼絲腐蝕速率，g/(m2·h)；M1為鋼絲腐蝕前質(zhì)量，g；M2為鋼絲腐蝕后質(zhì)量，g；S為鋼絲暴露在腐蝕環(huán)境中的表面積，m2；t為鋼絲腐蝕的時間，h。

1.2.3 電位測量

鋼絲電位分為瞬斷電位（Instant-off potential，IOP）和開路電位（Open circuit potential，OCP），兩種電位的測量需要在每天固定時間內(nèi)完成。選擇其中三組鋼絲參考文獻［4，10］采用萬用表和參比電極進行測量。由于IOP 用來評估ICCP 的保護效率［11］，所以IOP 只需測量處于ICCP 下的四類鋼絲；OCP 反映鋼絲的銹蝕程度［12］，需要測量所有鋼絲。具體步驟如下：關(guān)閉恒電位儀的直流電源，并在斷電后立即測量IOP，待電位保持穩(wěn)定后測量OCP，測量完成后重新打開恒電位儀。

1.2.4 極化曲線測量

極化曲線常用于電化學(xué)腐蝕的評估，可以快速準(zhǔn)確地反映金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況［13］。為了探究鋼絲腐蝕程度隨保護電壓變化的關(guān)系，在腐蝕試驗結(jié)束后，借助恒電位儀，采用靜態(tài)法三電極體系進行測量。具體步驟如下：工作電極連接鋼絲，參比電極連接飽和甘汞，對電極連接石墨繩，以測得的OCP 為起點，將恒電位儀分別正向、負向調(diào)節(jié)20 mV 電壓各10 次，每次調(diào)節(jié)電壓后記錄對應(yīng)的電流I、電壓E，并使用Tafel 外推法得到腐蝕電流密度Icorr。

1.2.5 靜態(tài)拉伸試驗

待各組鋼絲腐蝕時間達到要求后，取其中一組試樣，使用萬能試驗機進行靜態(tài)拉伸直至破壞。拉伸速率2 mm/min，得到鋼絲應(yīng)力應(yīng)變曲線和斷后長度，進而得到抗拉強度。采用刻度尺測量鋼絲斷后長度，從而計算鋼絲延伸率L，即

式中：l1為鋼絲斷后長度，cm；l2為鋼絲原長，cm。

1.2.6 疲勞試驗

對另外三組試樣使用疲勞試驗機進行疲勞試驗，按照文獻［14］設(shè)定應(yīng)力幅值為360 MPa，應(yīng)力循環(huán)下限為424 MPa，上限為784 MPa，交變荷載加載見圖2。當(dāng)鋼絲斷裂或疲勞次數(shù)達到200 萬次時停止加載，并采用電子顯微鏡對斷裂后鋼絲斷面分別放大20 倍和500倍后進行觀察。

圖2 交變荷載加載

2 試驗結(jié)果分析

2.1 鋼絲銹蝕形態(tài)

鋼絲微觀形貌見圖3。可知：①未保護的鋼絲因環(huán)境侵蝕鍍鋅層完全破壞，表面產(chǎn)生大量紅色鐵銹，蝕坑密度較大，局部蝕坑長度達到530 μm。裂紋從某些蝕坑位置開始發(fā)展衍生，是誘發(fā)鋼絲斷裂失效的重要原因。②采取ICCP的鋼絲，由于外加電流補償了鋼絲銹蝕部分和未銹蝕部分的電位差，抑制了氯離子在鋼絲腐蝕體系中的遷移，降低了氯離子與鋼絲基體之間的化學(xué)反應(yīng)速率，延緩了鋼絲的腐蝕作用。③當(dāng)兩端施加電壓為-1.1、-1.2 V 時，鋼絲表面雖產(chǎn)生了一定數(shù)量的蝕坑，但密度和尺寸都遠小于未加保護電壓的鋼絲。當(dāng)保護電壓為-1.3 V 時，鋼絲表面完好無損，說明此時施加的保護電壓能夠最大限度抑制鋼絲腐蝕。隨著保護電壓負向偏移，鋼絲表面又出現(xiàn)蝕坑，這是因為保護電壓過小，導(dǎo)致索體內(nèi)部發(fā)生析氫反應(yīng)，氫原子進入鋼絲基體內(nèi)形成氫分子，氫分子聚集在基體晶粒附近，破壞原有結(jié)構(gòu)，使其膨脹變脆，在內(nèi)部形成細小蝕坑和裂紋，從而產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象［8，15］。

圖3 鋼絲微觀形貌

2.2 電位變化規(guī)律

2.2.1 瞬斷電位

IOP可有效評估ICCP的保護效率，根據(jù)文獻［4，8］可知，鍍鋅鋼絲IOP 范圍為-1 300～-820 mVvs.SCE，IOP 越小保護效果越好；若比-820 mVvs.SCE 大（正）會造成保護不充分；若比-1 300 mVvs.SCE 小（負）則處于過保護狀態(tài)。測得鋼絲IOP變化規(guī)律見圖4。

圖4 鋼絲IOP變化規(guī)律

由圖4 可知：IOP 隨時間產(chǎn)生較大變化，試驗初期不同保護電壓下鋼絲IOP 相差不大；在試驗?zāi)┢冢琁OP隨著保護電壓負向偏移而減小并趨于穩(wěn)定。說明保護時間越久，ICCP 產(chǎn)生的作用越顯著，但是過小（負）的保護電壓會使鋼絲處于過保護狀態(tài)。

2.2.2 開路電位

OCP 通常被用于評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕概率［12］，OCP 越趨于負值，結(jié)構(gòu)被腐蝕的概率越高。目前，對于鍍鋅鋼絲腐蝕概率和OCP 之間的關(guān)系尚無研究，參考鋼筋腐蝕概率和OCP 之間的關(guān)系，若OCP 比-200 mVvs.SCE 大（正），腐蝕概率小于10%；若比-350 mVvs.SCE小（負），則腐蝕概率超過90%；若OCP處于-350～-200 mVvs.SCE，腐蝕概率隨OCP 減小而增加。測得鋼絲OCP變化規(guī)律見圖5。

圖5 鋼絲OCP變化規(guī)律

由圖5 可知：①每組鋼絲的OCP 在試驗前25 d 持續(xù)下降，未保護的鋼絲下降最快，并在腐蝕后期呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，待腐蝕時間達到40 d 左右時，OCP降低速率有所減緩并逐漸保持相對穩(wěn)定。②與未保護鋼絲對比，采取保護的四類鋼絲OCP 均處于較高水平，更早地趨于穩(wěn)定且隨著保護電壓減小而增大，這說明ICCP有效降低了鋼絲發(fā)生腐蝕的可能性，隨著保護電壓的減小，鋼絲發(fā)生腐蝕的概率顯著降低。

2.3 極化曲線

參考文獻［4］的研究結(jié)果：鋼筋腐蝕速率與Icorr呈正相關(guān)關(guān)系，將鋼絲鈍化狀態(tài)下的Icorr值作為評判鋼絲腐蝕速率的標(biāo)志。通過極化曲線（圖6）可以得到Tafel外推法測量結(jié)果，未保護以及-1.1、-1.2、-1.3、-1.4 V保護電壓下的Icorr分別為：10.47 × 10-5、3.89 × 10-5、2.78 × 10-5、2.03 × 10-5、1.93 × 10-5A·cm-2，保護與未保護鋼絲之間的Icorr相差超過3倍，且Icorr隨保護電壓負向偏移而減小，說明ICCP有效提升了鋼絲耐腐蝕能力。

圖6 極化曲線

2.4 力學(xué)性能

不同保護電壓下鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖7，其力學(xué)性能見表3。可知，未保護鋼絲的抗拉強度、延伸率和腐蝕速率指標(biāo)均遠小于采取保護的鋼絲。隨著保護電壓負向偏移，鋼絲力學(xué)性能的退化更緩慢，處于-1.3 V 保護電壓下鋼絲的延伸率是未保護鋼絲的3.16 倍，抗拉強度僅為1.14 倍。ICCP 對延伸率的提升優(yōu)于對抗拉強度的提升原因是鋼絲腐蝕僅造成截面損壞，未腐蝕部分的材質(zhì)并無改變，腐蝕作用對抗拉強度影響相對較小。而鋼絲表面各類蝕坑造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象是導(dǎo)致延伸率下降的主要原因，-1.4 V保護電壓下的鋼絲因為保護電壓過小而發(fā)生析氫反應(yīng)，鋼絲表面產(chǎn)生蝕坑，導(dǎo)致延伸率反而下降。

圖7 不同保護電壓下鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 力學(xué)性能

2.5 疲勞性能變化規(guī)律

2.5.1 疲勞壽命

疲勞壽命結(jié)果見表4。可知，只有處于-1.3 V 保護電壓下的鋼絲疲勞壽命達到200 萬次，其余4 根壽命均小于200萬次。未保護和處于-1.4 V保護電壓下的鋼絲疲勞壽命降低較為明顯，這是因為腐蝕和氫所產(chǎn)生的表面蝕坑形成了疲勞源，而疲勞斷裂點一般發(fā)生于以蝕坑為初始位置的疲勞源，各蝕坑疲勞源之間的相互作用導(dǎo)致鋼絲疲勞壽命降低。

表4 疲勞試驗結(jié)果

2.5.2 斷面破壞模式

典型組鋼絲疲勞斷面見圖8。將頂部疲勞裂紋萌生位置放大500倍后，可見裂紋萌生于試樣的表面，裂紋萌生是由晶粒滑移所致［圖8（d）］。在不同保護電壓下，鋼絲斷面破壞模式存在明顯差異，其中處于-1.1、-1.2 V 保護電壓狀態(tài)下的鋼絲表面蝕坑較少，在交變荷載作用下，裂縫從某一蝕坑處衍生，短時間內(nèi)無法蔓延至整個截面，最終形成分層破壞，屬于單疲勞源延性破壞。剩下兩類鋼絲，由于處于未保護和過保護狀態(tài)，鋼絲表面產(chǎn)生蝕坑較多，裂縫從不同的蝕坑處衍生，在各疲勞源之間相互作用下鋼絲瞬間斷裂，屬于多疲勞源脆性破壞。

圖8 疲勞斷面

不同保護電壓狀態(tài)下的鋼絲斷面破壞模式有較大差別，為了更直觀地體現(xiàn)ICCP系統(tǒng)對鋼絲的保護作用，引入應(yīng)力強度因子ΔK［16］表示在外力作用下鋼絲裂紋尖端附近應(yīng)力場的強度，即

式中：Δσ為疲勞應(yīng)力幅，MPa；Y為鋼絲裂紋形狀因子；Φ為鋼絲直徑，m；a為蝕坑深度，m。

等效裂紋［16］見圖9。其中，b為橢球形蝕坑的長軸距離。

圖9 等效裂紋

根據(jù)電鏡掃描結(jié)果得到不同保護電壓下鋼絲應(yīng)力強度因子見表5。

表5 不同保護電壓下鋼絲應(yīng)力強度因子

由表5 可知，ΔK隨著保護電壓的負向偏移而減小，說明保護電壓的施加能有效提升鋼絲的耐腐蝕性，即鋼絲發(fā)生脆性斷裂的概率更小，延性更高。過保護狀態(tài)下的鋼絲，由于氫脆現(xiàn)象導(dǎo)致ΔK相較于未保護的鋼絲僅減少了22%，遠小于其他3 類鋼絲。因此，在對長期受到交變應(yīng)力的鋼絲采取ICCP時必須選取合適的保護電壓。

2.6 陰極保護機理

鍍鋅鋼絲在酸性潮濕環(huán)境下與SO42-和Cl-發(fā)生原電池反應(yīng)，破壞Zn 的鈍化膜，鋅層表面點蝕向縱深發(fā)展后（圖10），孔內(nèi)的Fe 基質(zhì)處于負電位的活化狀態(tài)，而鍍鋅層處于正電位的鈍化狀態(tài)，正負電位的形成組成了鍍鋅層-孔原電池，F(xiàn)e基質(zhì)不斷失去電子變成Fe2+離子，形成原電池陽極。

圖10 點蝕示意

化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

陽極電化學(xué)反應(yīng)

陰極電化學(xué)反應(yīng)

在反應(yīng)（7）中氧氣不斷奪取鐵基體表面電子，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，且反應(yīng)（7）不斷為反應(yīng)（8）提供電子，F(xiàn)e2+又極易溶解到水中，導(dǎo)致鋼絲腐蝕。ICCP本質(zhì)就是采用外電源向鋼絲表面提供電流，以代替反應(yīng)（7）向反應(yīng)（8）提供電子，使鋼絲產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)極化電位達到-1.3 V時保護效果最好。

3 結(jié)論

1）ICCP 可有效抑制鋼絲的腐蝕，鋼絲腐蝕程度隨著ICCP保護電壓的負向偏移而顯著降低，當(dāng)保護電壓處于-1.3 V 時，腐蝕程度最低；保護電壓大于-1.3 V，鋼絲處于未充分保護狀態(tài)；保護電壓小于-1.4 V，鋼絲處于過保護狀態(tài)，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

2）ICCP 對鋼絲延伸率的提升超過3 倍，顯著提升了鋼絲的斷后長度，而對于抗拉強度的提升只有1.14倍，并且ICCP 對鋼絲疲勞壽命和延性的提升較為明顯。由于氫脆現(xiàn)象，處于過保護狀態(tài)下的鋼絲疲勞壽命和延性反而降低。