高強(qiáng)鋼絞線沿海環(huán)境銹蝕時(shí)變模型試驗(yàn)研究

程鵬舉，謝軍軍，潘鑫鑫，彭 衛(wèi)

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074; 2.綠地控股集團(tuán) 杭州雙塔置業(yè)有限公司，浙江 杭州 310000; 3. 浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 引言

沿海建筑結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)鋼絞線材料，在沿海服役環(huán)境和荷載條件下的銹蝕過程是長期且十分緩慢的，若是進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下的橋梁吊索銹蝕試驗(yàn)，在時(shí)間、經(jīng)費(fèi)及技術(shù)上均難以實(shí)現(xiàn)。在過去的幾十年里，學(xué)者們致力于研究鋼絲和鋼絞線的劣化問題。很多學(xué)者進(jìn)行了銹蝕鋼絞線材料的力學(xué)性能試驗(yàn)以及疲勞壽命的研究[1-9]，并基于鋼絞線的蝕坑形貌檢查，逐步得到了以蝕坑為參數(shù)的鋼絞線銹蝕程度的評(píng)價(jià)方法[10-11]。文獻(xiàn)[12-14]通過有限元模型，分析了高強(qiáng)鋼絞線材料在銹蝕狀態(tài)下的疲勞損失及應(yīng)力研究。這些研究大多聚焦固定時(shí)期鋼絞線的銹蝕狀態(tài)，吊索鋼絞線的銹蝕時(shí)變模型至今尚未建立，這就阻礙了對(duì)鋼絞線及整根吊索在使用狀態(tài)下的壽命評(píng)估等工作的進(jìn)展。本文通過氣候模擬箱開展了沿海服役環(huán)境下鋼絞線的銹蝕時(shí)變模型試驗(yàn)研究，得到了一些對(duì)實(shí)際工程有借鑒意義的結(jié)論。

1 沿海地區(qū)真實(shí)服役環(huán)境當(dāng)量換算關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)室環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境腐蝕電流的當(dāng)量折算系數(shù)，分別測定碳鋼試件于兩個(gè)環(huán)境中的腐蝕電流Ici和Icp，其當(dāng)量折算系數(shù)α[15]為：

(1)

其中：Ici為任一環(huán)境條件下的腐蝕電流；Icp為基準(zhǔn)環(huán)境條件下的腐蝕電流。

因此，得到碳鋼試件在不同溫濕度條件下的腐蝕折算系數(shù)表[16-17]。

文獻(xiàn)[18]采用雙指數(shù)函數(shù)和雙曲面函數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的擬合，擬合函數(shù)表達(dá)式為：

α=e0.092 03x+2.838 16y-6.315 72，

(2)

其中：x為溫度，℃；y為相對(duì)濕度，%。

將橋梁吊索在真實(shí)服役環(huán)境中某一時(shí)段的溫濕度參數(shù)Ti、RHi代入式(2)，得到對(duì)應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境條件下的當(dāng)量折算系數(shù)αi。根據(jù)該試驗(yàn)環(huán)境條件下的時(shí)間ti，可通過式(3)得到試驗(yàn)環(huán)境條件下的加速試驗(yàn)時(shí)間：

tei=αiti。

(3)

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，統(tǒng)計(jì)在指定溫濕度下的具體時(shí)長，再通過式(4)計(jì)算得到橋梁在實(shí)際運(yùn)營環(huán)境下服役的總時(shí)間：

(4)

其中：n為沿海橋梁吊索在實(shí)際服役環(huán)境中不同溫度和不同相對(duì)濕度的組合數(shù)。

通過文獻(xiàn)[19]的研究，即可以在T=40 ℃、RH=90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣環(huán)境下進(jìn)行1 114.48 h試驗(yàn)，代替定海站測得的1 a沿海地區(qū)溫濕度環(huán)境譜，利用多功能氣候模擬試驗(yàn)室，按照設(shè)定的環(huán)境參數(shù)，可以折算出在加載式多功能氣候模擬試驗(yàn)室內(nèi)作用262.332 h，相當(dāng)于在實(shí)際運(yùn)營環(huán)境下作用1 a。

2 樣品制備

試驗(yàn)樣本采用江陰法爾勝鋼鐵制品有限公司的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，批號(hào)052002，直徑為15.20 mm,其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T 5224—2014)，鋼絞線強(qiáng)度為1 860 MPa，彈性模量198 GPa，1 000 h松弛率為1.463%。試驗(yàn)時(shí)將鋼絞線截?cái)喑擅扛s75 cm。鋼絞線按銹蝕時(shí)間一共分為12批，每批3根，逐一進(jìn)行清洗，并利用50 ℃烘干箱干燥4 h，然后進(jìn)行稱量。

3 平均質(zhì)量銹蝕率

采用每米平均質(zhì)量的損失來反映鋼絞線銹蝕速度的快慢，其計(jì)算公式為：

(5)

其中：v為銹蝕速率，g/(m·h-1)；m0為加速銹蝕試驗(yàn)前鋼絞線質(zhì)量，g；m1為加速銹蝕試驗(yàn)后鋼絞線質(zhì)量，g；l為鋼絞線長度，m；t為加速銹蝕試驗(yàn)時(shí)間，h。

利用加速銹蝕試驗(yàn)所產(chǎn)生的鋼絞線的質(zhì)量損失占總質(zhì)量的百分比[20]，來評(píng)價(jià)銹蝕對(duì)鋼絞線的影響，其計(jì)算公式為：

(6)

其中：C為單根鋼絞線銹蝕率，%。

采用精度為0.1 g的電子天平稱量干燥后的銹蝕鋼絞線，得到鋼絞線在實(shí)際服役環(huán)境下平均銹蝕率隨時(shí)間變化曲線，曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，并對(duì)擬合后的函數(shù)誤差進(jìn)行分析和參數(shù)優(yōu)化，擬合表達(dá)式見式(7)，其擬合曲線圖如圖1所示。鋼絞線在實(shí)際服役環(huán)境下銹蝕速率隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

y=0.376 2t1.552 81。

(7)

從圖1中可以看出：前期(0～1.5 a)平均銹蝕率緩慢攀升，斜率較小，銹蝕程度較低。鋼絞線在銹蝕中期(1.5～3.0 a)平均銹蝕率急劇升高，銹蝕程度明顯加深。在后期(3.0～7.0 a)平均銹蝕率先是緩慢升高，再出現(xiàn)明顯的加快。總體來說，鋼絞線平均銹蝕率隨時(shí)間變化先是緩慢增加，再急劇增加，銹蝕程度隨銹蝕時(shí)間的增加不斷加深。由圖2可知：銹蝕速率隨時(shí)間的變化呈螺旋式上升，總體的銹蝕速率呈上升趨勢，但在1.0～2.0 a以及4.0 a表現(xiàn)為局部下降。

圖1 平均銹蝕率隨時(shí)間變化曲線

圖2 實(shí)際服役環(huán)境下銹蝕速率隨時(shí)間變化曲線

4 鋼絞線銹蝕形貌觀測與蝕坑發(fā)展模型分析

4.1 形貌觀測

本次試驗(yàn)共進(jìn)行12組不同時(shí)間段試驗(yàn)，不同銹蝕時(shí)間下部分無應(yīng)力鋼絞線的銹蝕外貌如圖3所示。觀察圖3b的鋼絞線發(fā)現(xiàn)：表面出現(xiàn)一些斑駁銹跡，但是銹蝕痕跡不明顯，鹽霧還未出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象。如圖3c所示，鋼絞線在進(jìn)行了3 d的加速銹蝕試驗(yàn)后取出，鋼絞線的銹蝕進(jìn)一步加深，表面基本均發(fā)生銹蝕，肉眼可見銹蝕產(chǎn)物增多并集合形成一些顆粒狀附著物。圖3d中的鋼絞線表面銹蝕產(chǎn)物明顯增多，但均勻性欠佳。顆粒附著物轉(zhuǎn)而向塊狀附著物發(fā)展，有明顯的向鋼絞線縫隙聚集的趨勢，表面的氧化層也逐漸開始脫落，黑色的銹蝕產(chǎn)物較褐色銹蝕產(chǎn)物有所增加。如圖3e所示，鋼絞線取出時(shí)，試驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了9 d，此時(shí)鋼絞線表面已經(jīng)完全被銹蝕產(chǎn)物所覆蓋，且呈現(xiàn)出較好的均勻性。顆粒狀的附著物逐漸由小變大形成一片，在鋼絞線表面形成一層類似“膜”的附著物，縫隙中的銹蝕產(chǎn)物堆積較多。圖3f的鋼絞線是在加速銹蝕時(shí)間為12 d后取出(相當(dāng)于真實(shí)環(huán)境1 a)，鋼絞線表面新增許多鹽霧聚集成的水珠，十分密集且分布均勻。圖3g的鋼絞線銹蝕時(shí)間為18 d，表面水珠基本消失，整個(gè)表面被銹蝕產(chǎn)物所覆蓋，并且塊狀的銹蝕產(chǎn)物覆蓋了鋼絞線大部分區(qū)域，只有極少數(shù)表面較為平坦。氧化層脫落現(xiàn)象明顯，鋼絞線表面縫隙銹蝕產(chǎn)物堆積明顯，逐漸與凸起部分連成一個(gè)塊狀銹斑?？梢哉J(rèn)為在這個(gè)階段，從蝕坑的形式轉(zhuǎn)向大塊銹斑的形式。

(a) 0 d (b) 1 d (c) 3 d(d) 6 d (e) 9 d

(f) 12 d (g) 18 d (h) 24 d (i) 36 d (j) 48 d

圖3h的鋼絞線銹蝕時(shí)間為24 d，鋼絞線表面的銹蝕產(chǎn)物將縫隙基本填滿，無法清晰辨認(rèn)鋼絞線的輪廓。顆粒狀附著物及鹽霧形成的水珠完全消失，整個(gè)表面的銹蝕產(chǎn)物凹凸不平，銹液聚集部位(橘黃色液體)呈現(xiàn)非均勻分布。氧化膜脫落嚴(yán)重并在鋼絞線鐵基體表層下發(fā)生銹蝕。圖3i的鋼絞線銹蝕時(shí)間為36 d，可以看到鋼絞線表面均發(fā)生了銹蝕，縫隙已被銹蝕產(chǎn)物完全填滿，銹液在原本縫隙的表面聚集。銹蝕產(chǎn)物將整根鋼絞線完全包裹且十分緊湊，表層的銹蝕產(chǎn)物不再輕易發(fā)生脫落。圖3j的鋼絞線經(jīng)歷了48 d的加速銹蝕試驗(yàn)，可以看到鹽霧形成的水珠再次凝集，黑色的銹蝕產(chǎn)物明顯減少，更多聚集著褐色銹液。

由圖3可以看到：整個(gè)銹蝕過程中，黑色銹蝕產(chǎn)物在不斷增多并逐漸覆蓋整個(gè)鋼絞線表面，同時(shí)由于鋼絞線的特殊構(gòu)造形式，使得鋼絲之間的縫隙成為鹽霧溶液容易聚集的部位，并在此大量堆積銹蝕產(chǎn)物。

4.2 蝕坑尺度參數(shù)分析

將經(jīng)過酸洗、烘干后的鋼絞線靜置1 h直至冷卻至常溫，然后使用裂縫觀測儀(如圖4所示)對(duì)鋼絞線的表面形貌進(jìn)行觀測和記錄。裂縫觀測儀在功能上有一定的局限性，拍攝圖像中顯示的測距并不準(zhǔn)確，需要后期利用圖中的比例尺對(duì)蝕坑的長度和寬度進(jìn)行修正。

通過計(jì)算各個(gè)批次下蝕坑長度、寬度和深度的平均值，得到在不同銹蝕率下蝕坑平均長度、平均寬度和平均深度的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知：隨著銹蝕率的不斷增加，蝕坑的長度和寬度也在不斷增加且增長趨勢基本一致。當(dāng)銹蝕率低于0.3%時(shí)，隨著銹蝕率的增加，長度、寬度及深度都極快地增長，并迅速達(dá)到一個(gè)較大值，且長度和寬度增加的速度基本一致，而深度增速稍緩。隨后蝕坑長寬尺寸減小，而深度基本保持恒定，在銹蝕率超過6%以后，蝕坑的長度和寬度變化趨勢出現(xiàn)不一致，長度略減小，寬度和深度繼續(xù)緩慢增加。

這種現(xiàn)象說明在銹蝕率低于0.3%時(shí)，局部銹蝕中的點(diǎn)蝕占主導(dǎo)地位，蝕坑發(fā)展迅速，蝕坑尺度參數(shù)擴(kuò)張到一個(gè)極值，而均勻銹蝕占次要地位或者可以忽略不計(jì)。在蝕坑平均長度和平均寬度下降段，則說明盡管銹蝕率還在不斷增加，但是占主導(dǎo)地位的變?yōu)榫鶆蜾P蝕，而局部銹蝕呈現(xiàn)出劣勢，此時(shí)出現(xiàn)蜂窩麻面狀的銹蝕形貌，因此蝕坑尺寸難以辨認(rèn)，只能取觀測區(qū)域內(nèi)可測得的較小值。蝕坑尺寸緩慢增加階段，說明均勻銹蝕與局部銹蝕同時(shí)進(jìn)行，相互抗衡，一方面，均勻銹蝕使得鋼絞線表面蝕坑之間由點(diǎn)及面發(fā)展成塊狀區(qū)域；另一方面，在整片的銹蝕區(qū)域發(fā)展之中，出現(xiàn)新的蝕坑并逐步擴(kuò)大，最終達(dá)到極大值。

通過計(jì)算各個(gè)批次下單個(gè)蝕坑長度、寬度和深度的平均值，得到在實(shí)際服役環(huán)境下銹蝕形貌隨時(shí)間變化的曲線，如圖6所示。由圖6可以看出：鋼絞線形貌尺度參數(shù)(長、寬)隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致，蝕坑沿鋼絞線縱向擴(kuò)展尺寸全過程高于蝕坑沿橫向擴(kuò)展尺寸，蝕坑深度擴(kuò)展尺寸則一直處于三者中的最低水平。蝕坑深度在真實(shí)環(huán)境下1 a左右達(dá)到較大值，隨后出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定階段(1～4 a)，深度基本恒定，然后又出現(xiàn)一個(gè)緩慢增長期，增速與銹蝕初期基本一致。

4.3 鋼絞線蝕坑最大值效應(yīng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律

由于鋼絞線蝕坑形貌長度和寬度皆為實(shí)測值，故鋼絞線蝕坑在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的最大尺度參數(shù)如圖7所示。

圖6 實(shí)際服役環(huán)境下銹蝕形貌隨時(shí)間變化曲線

圖7 蝕坑最大尺寸隨時(shí)間變化曲線

由圖7可知：鋼絞線蝕坑各尺度參數(shù)最大值隨著時(shí)間的不斷延長，也呈現(xiàn)出遞增的趨勢，但各階段增速有所不同。實(shí)際服役環(huán)境下0～1 a，鋼絞線銹蝕坑長寬擴(kuò)展增速明顯，蝕坑尺寸在長寬方向上都迅速達(dá)到一個(gè)極大值，該階段基本呈線性增長；在1～2 a階段，蝕坑最大尺寸出現(xiàn)短暫減小的趨勢；在第2年以后，蝕坑最大尺寸再次出現(xiàn)增長的趨勢，但是增速明顯減緩。

4.4 鋼絞線蝕坑擴(kuò)展模型

根據(jù)銹蝕形貌尺度隨時(shí)間變化規(guī)律，對(duì)蝕坑尺度參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，可以得到鋼絞線蝕坑在長寬深3個(gè)方向隨時(shí)間變化的擴(kuò)展模型。由于實(shí)際服役環(huán)境下銹蝕形貌隨時(shí)間變化曲線有較為明顯的分段現(xiàn)象，故采用分段函數(shù)進(jìn)行最小二乘法擬合。

針對(duì)蝕坑長度h而言，擬合函數(shù)表達(dá)式為：

(8)

針對(duì)蝕坑寬度w而言，擬合函數(shù)表達(dá)式為：

(9)

針對(duì)蝕坑深度a而言，擬合函數(shù)表達(dá)式為：

a(t)=0.056 1+0.324 64t-0.096 71t2+0.009 67t3。

(10)

5 結(jié)論

(1)對(duì)鋼絞線平均銹蝕率隨時(shí)間的變化進(jìn)行曲線擬合，得到全裸鋼絞線銹蝕率與實(shí)際運(yùn)營時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系為y=0.376 2t1.552 81。

(2)在銹蝕率低于0.3%(1 a之內(nèi))時(shí)，局部銹蝕占主導(dǎo)地位，鋼絞線蝕坑形貌尺度參數(shù)迅速擴(kuò)張且達(dá)到極值，可以認(rèn)為在該階段造成銹蝕率升高的原因主要來自于局部銹蝕的發(fā)展。

(3)鋼絞線銹蝕形貌在實(shí)際服役時(shí)間1～5 a階段，由于銹蝕產(chǎn)物的不斷堆積，對(duì)蝕坑的發(fā)展有一定的阻礙作用，造成全區(qū)域的塊狀剝落而不是就蝕坑開展集中侵蝕作用，使得蝕坑長寬深的擴(kuò)展十分緩慢。

(4)對(duì)鋼絞線蝕坑長寬深與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分段函數(shù)擬合，得到實(shí)際服役環(huán)境下銹蝕形貌與時(shí)間關(guān)系為分段函數(shù)。