服役20年預(yù)應(yīng)力錨索耐蝕性能研究

任愛(ài)武，王 瓊，彭林軍，郭志飚

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土研究所，北京 100048；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 保定 071001；

3.大連大學(xué)院士創(chuàng)業(yè)園，遼寧 大連 116622；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

服役20年預(yù)應(yīng)力錨索耐蝕性能研究

任愛(ài)武1，王 瓊2，彭林軍3，郭志飚4

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土研究所，北京 100048；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 保定 071001；

3.大連大學(xué)院士創(chuàng)業(yè)園，遼寧 大連 116622；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

預(yù)應(yīng)力錨索在地下密閉的空間中長(zhǎng)期工作耐蝕性是否發(fā)生變化，這個(gè)問(wèn)題目前仍然是一個(gè)謎團(tuán)。室內(nèi)有害離子腐蝕極化試驗(yàn)是揭示預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期耐蝕性能變化的有效手段。本文以漫灣水電站服役20年的預(yù)應(yīng)力錨索為試驗(yàn)樣品，通過(guò)室內(nèi)有害離子腐蝕極化試驗(yàn)，分析比較了在5種不同的有害離子（氯離子）濃度作用下，耐蝕性能的演化特征，最終得到如下結(jié)論：長(zhǎng)期處于密閉環(huán)境中使得服役20年的鋼絞線的耐蝕性能降低，處于活化激活狀態(tài)，鋼筋表面不能產(chǎn)生鈍化膜。一旦暴露在空氣中，鋼絞線與周?chē)鷰r體中地下水、氧氣接觸，銹蝕將迅速發(fā)生。

巖土工程；預(yù)應(yīng)力錨索；有害離子極化腐蝕試驗(yàn)；極化曲線

1 研究背景

自從1934年預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在阿爾及利亞的舍爾法大壩成功應(yīng)用以來(lái)，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)以其工藝方便、效果明顯的特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可，并且應(yīng)用的數(shù)量極大［1-2］。近年來(lái)，中國(guó)在建的水電工程中錨索加固費(fèi)用耗資均在億元左右［3］。例如，云南小灣水電站使用的大噸位預(yù)應(yīng)力錨索數(shù)量超過(guò)萬(wàn)根；在建的錦屏一級(jí)水電站纜機(jī)平臺(tái)僅邊坡加固工程一項(xiàng)所需錨索就達(dá)6 900余根。這些運(yùn)行在惡劣的巖土環(huán)境中（如低PH值地下水的長(zhǎng)期浸泡、地下電流、巖土體中的氯離子的侵蝕等），且長(zhǎng)期在預(yù)應(yīng)力作用下的錨索系統(tǒng)，很難保證錨固工程長(zhǎng)期可靠和安全。

近年來(lái)，這一問(wèn)題開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。1986年，國(guó)際預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)（FIP）曾對(duì)35起因腐蝕造成錨索體斷裂的事故進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)斷裂部位多數(shù)位于錨頭附近和自由段范圍內(nèi)［3-4］。我國(guó)安徽梅山水庫(kù)的預(yù)應(yīng)力錨索在使用6～8年后，發(fā)現(xiàn)有3根錨索的部分鋼絞線因應(yīng)力腐蝕而斷裂（兼有氫脆）［5-6］?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)是深入研究預(yù)應(yīng)力錨索耐久性問(wèn)題的有效途徑［7］。Hassell R C等通過(guò)室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)，研究了三片式錨具腐蝕對(duì)錨索長(zhǎng)期耐久性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：三片式錨具的腐蝕將導(dǎo)致錨索最大承載力的降低［8］。Dhanesh Chandra等在美國(guó)能源局的資助下，開(kāi)展了在Yucca Mountain地質(zhì)環(huán)境中，不同錨索材料在核廢料影響下的銹蝕特征和機(jī)理研究［9-10］。Atrens A，Gray P，Erwin Gamboa，Hebblewhite B，Gamboa E等［11-15］，采用室內(nèi)線性加載力學(xué)試驗(yàn)、室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)、金相分析、微觀結(jié)構(gòu)分析等手段，對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆發(fā)生的條件、特征、微觀過(guò)程以及相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行了深入的研究。

國(guó)內(nèi)對(duì)巖土錨固工程的安全性與耐久性問(wèn)題的研究起步較晚，周世峰等［16］以“砂漿錨桿的腐蝕與防護(hù)研究”為題，開(kāi)展了錨桿使用壽命初步研究。并于1986年在河南焦作市焦東煤礦現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)縮尺錨桿61根，為后續(xù)巖錨耐久性的研究奠定了基礎(chǔ)［16-17］。夏寧、李英勇，鄭靜等［3，18-19］，通過(guò)室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)開(kāi)展了巖錨耐久性的研究，并在巖錨銹脹、桿體銹蝕隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律以及應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件、環(huán)境等方面得到了一些有益的結(jié)論。

中國(guó)水科院陳祖煜課題組于2009年，在國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目資助下，從漫灣水電站成功開(kāi)挖一根服役20年的預(yù)應(yīng)力錨索，開(kāi)國(guó)內(nèi)外開(kāi)挖長(zhǎng)、大預(yù)應(yīng)力錨索的先河。這次開(kāi)挖試驗(yàn)的成功對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期性能研究奠定了基礎(chǔ)。對(duì)漫灣開(kāi)挖試驗(yàn)成果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：水泥砂漿具有很好的防銹效果，初揭露的錨索鋼絞線為亮黑色，具有金屬光澤，如圖1（a）。但取出預(yù)應(yīng)力錨索在暴露在空氣中3～5 d后，銹蝕就會(huì)產(chǎn)生，并迅速布滿鋼絞線表面，如圖1（b）［20］。

圖1 漫灣電站開(kāi)挖錨索特征圖

顯然，漫灣電站長(zhǎng)期服役20年的鋼絞線耐蝕性能發(fā)生了變化，對(duì)于其銹蝕迅速產(chǎn)生的原因，有必要通過(guò)進(jìn)一步研究并給出合理的解釋。本文在前期漫灣錨索現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)有害離子腐蝕試驗(yàn)，對(duì)該問(wèn)題做進(jìn)一步的探討。

2 室內(nèi)有害離子腐蝕試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)目的和實(shí)驗(yàn)方法探索鋼筋試樣在服役20年后表面耐蝕性能變化的原因。采用電化學(xué)動(dòng)電位極化的方法，在含不同Cl-濃度的飽和Ca（OH）2中測(cè)量鋼筋試樣的極化曲線（Cl-漫灣電站地下水中測(cè)到的有害離子）。選用飽和Ca（OH）2模擬水泥中的孔隙液。電位極化速率為20m V/m in。試樣為原狀帶銹鋼筋，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為石墨電極。

2.2 檢測(cè)樣品和裝置檢測(cè)樣品取自云南省漫灣水電站左岸壩肩邊坡。

試樣埋置時(shí)間：約20年（1989年12月—2010年1月23日）。

試樣埋置狀態(tài)：與水平面呈-18°～-19°夾角（仰角為正）垂直打入邊坡，錨索總長(zhǎng)25m，其中內(nèi)錨固段長(zhǎng)度6.5m。錨索周邊有砂漿包裹，鎖定預(yù)應(yīng)力100 t。

試樣原始狀態(tài)：每束錨索由8股鋼纜線組成，每股鋼纜線又由7根鋼筋纏繞而成（即：由6根鋼筋纏繞在1根中心筋的周?chē)鐖D2（a）所示。送檢的樣品為整束錨索中的一股，宏觀形貌表現(xiàn)為青灰色，局部覆蓋棕黃色銹斑，如圖2（b）所示。

圖2 試驗(yàn)鋼絞線樣品宏觀形貌特征

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：取已銹鋼筋和拋光后的鋼筋基體進(jìn)行有害離子腐蝕試驗(yàn)，得到鋼絞線的電位極化曲線，比較已銹鋼筋和鋼筋基體的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，分析腐蝕20年預(yù)應(yīng)力錨索的耐蝕性能變化特征。

試樣詳細(xì)描述：該錨索鋼絞線的標(biāo)號(hào)為GB5224-85，強(qiáng)度級(jí)別為150 kg/mm2（1470 kN/mm2），全長(zhǎng)25 m，屬全長(zhǎng)粘結(jié)拉力集中型錨索。張拉預(yù)應(yīng)力為100 t，采用yc20D型千斤頂單股鋼纜進(jìn)行張拉。內(nèi)錨固端長(zhǎng)度6.5m，打開(kāi)后錨索孔傾角為18°，在樁號(hào)0+9m處19°（以錨索錨墊板處為樁號(hào)記錄0點(diǎn)）變?yōu)?；孔徑?15 mm；自由段注425#純水泥漿，水灰比為0.4；錨固段注425＃水泥砂漿，水灰比為0.8，灰砂比為1∶1。

檢測(cè)設(shè)備為PS-168腐蝕電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，如圖3（a）所示，該設(shè)備用于為腐蝕試驗(yàn)提供可控的電位，用以獲得試驗(yàn)樣品的電位極化曲線。試驗(yàn)過(guò)程中輔以H-3型腐蝕電化學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)記錄儀，如圖3（b）所示，主要用于適時(shí)的記錄試驗(yàn)過(guò)程中電流和電位的變化。

圖3 腐蝕電化學(xué)檢測(cè)設(shè)備

圖4 動(dòng)電位極化曲線

3 有害離子腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4（a）為帶銹鋼筋在含不同Cl-濃度的飽和Ca（OH）2中的極化曲線。由圖4（a）可以看到，相對(duì)電流密度在一個(gè)較小的變化范圍-2～-1 mA，陽(yáng)極區(qū)不含Cl-的極化曲線呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，電勢(shì)迅速?gòu)?400mV增加到800mV，說(shuō)明鋼筋處于鈍化區(qū)，即已銹鋼筋在不含Cl-的水泥砂漿中應(yīng)該都可以維持鈍化。但隨著飽和Ca（OH）2中Cl-加入，即使很少量的Cl-濃度（如0.2％），帶銹鋼筋試樣的鈍化區(qū)也迅速消失，如圖4（a）中氯離子濃度0.2％的極化曲線迅速變緩所示，在-2～-1 mA的變化范圍內(nèi)，對(duì)于的電勢(shì)的變化范圍為0～200mV。并且隨著Cl-濃度的增加，各鋼筋的鈍化狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨g狀態(tài)，零電流電位逐漸負(fù)移，腐蝕電流密度逐漸增大。這樣的變化情況說(shuō)明鋼筋處于一種活化腐蝕狀態(tài)，少量的Cl-即可以引起腐蝕的發(fā)生。

拋光后鋼筋基體的極化曲線進(jìn)一步證明了這一規(guī)律，從圖4（b）中可以看到：裸鋼筋基體表面的電化學(xué)極化曲線在現(xiàn)場(chǎng)采樣的地下水中，即含Cl-濃度在0.2％～0.5％（質(zhì)量百分比）的飽和Ca（OH）2中，在微小的電流變化-2～0mA范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的電勢(shì)則在-0.4～0極小變化范圍內(nèi)，說(shuō)明極化曲線沒(méi)有明顯的鈍化區(qū)。同時(shí)，零電流電位也隨Cl-濃度的增加而有所負(fù)移，但其腐蝕電流密度卻相對(duì)非常小。

由極化分析結(jié)果證明：在模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中有害離子濃度的水中，裸表面的鋼筋基體是處于活化腐蝕狀態(tài)的，鋼筋是不可能鈍化的。

4 結(jié)論

漫灣水電站開(kāi)挖錨索揭露的原貌為亮黑色，但在暴露于空氣中3～5 d后，迅速發(fā)生銹蝕。對(duì)于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，本文通過(guò)室內(nèi)有害離子腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：由于長(zhǎng)期埋置于地下密閉環(huán)境中，漫灣水電站試驗(yàn)鋼絞線的腐蝕性能處于活化腐蝕激活狀態(tài)，即鋼絞線表面無(wú)法產(chǎn)生鈍化膜，一旦外界條件發(fā)生改變即刻發(fā)生腐蝕。因此，漫灣水電站開(kāi)挖錨索取出后，鋼絞線與周?chē)鷰r體中地下水、氧氣接觸，銹蝕迅速發(fā)生，這樣的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鋼絞線打開(kāi)后銹蝕迅速產(chǎn)生的現(xiàn)象作出了合理的解釋。

［1］邢占清，楊健，楊曉東.壓力分散型無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索作用機(jī)理及內(nèi)錨固段長(zhǎng)度研究［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2006，4（2）：88-92.

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Study on corrosion resistance perform ance of servicetwenty years anchor cab le

REN Ai-wu1，WANG Qiong2，PENG Lin-jun3，GUO Zhi-biao4

（1.InstituteofGeotechnical Engineering，China InstituteofWater Resources
and Hydropower Research，Beijing 100048，China；
2.Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China；
3.Academ ician Pioneer Park，Dalian University，Dalian 116622，China；
4.China University ofMining＆Technology，Beijing 100083，China）

While prestressed cable is working underground for a long time，whether its corrosion resistance performance changes or not was still a problem to the engineers.Change law of corrosion resistance perfor?mance can be revealed by indoor polarization corrosion test.A segments of 20-years service prestressed ca?ble was used for the test sample.In order to analyze the changes of corrosion resistance performance，a test on five different concentrations of chloride ion was done.The test results indicate that corrosion resis?tance performance of those anchor cables is in activation state and reduces obviously，so that no passiv?ation film occurs on the steel surface.Once the steel bars are exposed to Oxygen and water，the corrosion emerges immediately.

Geotechnical engineering；pretension anchor cable；harm ful ions corrosion test；potentiodynam?ic polarization curves

TU443

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.012

1672-3031（2014）04-0410-04

（責(zé)任編輯：李琳）

2013-12-18

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）；大型水利水電工程高陡邊坡全生命周期性能演化與安全控制（2011CB013502）

任愛(ài)武（1980-），男，河南欒川人，高級(jí)工程師，博士后，主要從事預(yù)應(yīng)力巖錨長(zhǎng)期性能評(píng)價(jià)研究工作。

E-mail：renaw@iwhr.com