應(yīng)力荷載對(duì)錨索腐蝕影響的試驗(yàn)研究

摘要 為了研究應(yīng)力荷載對(duì)錨索腐蝕的影響規(guī)律，文章選取實(shí)際工程中的常用錨索并配制現(xiàn)場地層環(huán)境模擬液，在不同應(yīng)力荷載條件下開展了錨索的電化學(xué)腐蝕模擬試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的電化學(xué)腐蝕參數(shù)，分析了錨索腐蝕速率的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著應(yīng)力載荷的增加，錨索鋼絞線的動(dòng)電位極化曲線整體向右移，而自腐蝕電位呈負(fù)移趨勢，線性極化電阻不斷下降；自腐蝕電流密度隨著應(yīng)力的施加而不斷提高，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到17.9 kN時(shí)，自腐蝕電流密度約為無應(yīng)力施加條件下的20倍，應(yīng)力施加對(duì)錨索的腐蝕行為有較為明顯的影響，應(yīng)力荷載越大，則影響越顯著；錨索的腐蝕速率隨著應(yīng)力的增加而增大，施加的應(yīng)力越高，錨索腐蝕速率增幅越大，對(duì)錨索腐蝕具有的加速作用更明顯。

關(guān)鍵詞 巖土工程；錨索；應(yīng)力腐蝕；電化學(xué)試驗(yàn)；腐蝕速率

中圖分類號(hào) TU442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0066-03

0 引言

在巖土工程中，預(yù)應(yīng)力錨索由于施工簡便、效果顯著、經(jīng)濟(jì)合理的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于礦山、隧道支護(hù)和邊坡等工程的治理與維護(hù)中，但其安全問題逐漸暴露出來，錨索腐蝕問題及其防腐技術(shù)也越來越受到工程界的重視。

張思峰等人[1]基于試驗(yàn)，通過觀察錨索腐蝕形貌狀況，從微觀結(jié)構(gòu)分析了錨索表觀損傷規(guī)律；蔣春霞[2]研究了不同酸堿度的錨索腐蝕機(jī)制；潘繼良等人[3]總結(jié)了錨固開裂的機(jī)理、腐蝕的影響因素，以及錨固工程可靠性的評(píng)估方法；曾輝輝等人[4]研究了不同腐蝕環(huán)境下，錨索腐蝕時(shí)的力學(xué)性能變化規(guī)律；鄭靜等人[5]開展了四種不同預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下鋼絞線裸筋與注漿空洞錨索的對(duì)比腐蝕試驗(yàn)。

上述研究成果表明，預(yù)應(yīng)力錨索在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能衰減較快，但這些研究主要集中于對(duì)錨索外觀及力學(xué)性能變化規(guī)律的研究，而對(duì)于另一種威脅錨索壽命的應(yīng)力腐蝕研究則相對(duì)較少。

該文通過配制地層環(huán)境模擬液，模擬現(xiàn)場腐蝕環(huán)境，利用自制的應(yīng)力施加系統(tǒng)和電化學(xué)測試系統(tǒng)，開展不同應(yīng)力荷載作用下錨索鋼絞線的電化學(xué)試驗(yàn)，分析錨索鋼絞線腐蝕速率的變化規(guī)律，為工程實(shí)際中錨索鋼絞線腐蝕的性能分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

（1）錨索鋼絞線

基于錨索在實(shí)際應(yīng)用中的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)及現(xiàn)場服役后錨索的預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)調(diào)研，該試驗(yàn)現(xiàn)場研究的錨索預(yù)應(yīng)力為500 kN，共四束鋼絞線，鋼絞線規(guī)格為1×7-15.20-1860-GB/T 5224-2014，即公稱直徑15.20 mm，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，每束鋼絞線由7股鋼絲捻制而成，單股鋼絲直徑約5 mm，如圖1所示。四束鋼絞線作為一個(gè)預(yù)應(yīng)力加載整體，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力加載為500 kN，即每股鋼絲預(yù)應(yīng)力為500/28=17.9 kN。

（2）地層環(huán)境模擬液

該試驗(yàn)采用地層模擬液模擬實(shí)際鋼絞線所處的土體環(huán)境，參考《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》（GB/T 19285—2014）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)腐蝕環(huán)境的定義，將現(xiàn)場采集的土樣（三個(gè)采樣點(diǎn)：京港澳高速粵境北段K1941、京港澳高速粵境北段K1951、樂廣K123右四級(jí)坡，其中京港澳高速粵境北段K1941與K1951為砂巖地層，樂廣K123為煤系地層）制成土樣浸出液，再采用離子色譜法，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì) 可溶性陽離子（Li+、Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+）的測定 離子色譜法》（HJ 812—2016）和《水質(zhì) 無機(jī)陰離子（F?、Cl?、NO2?、Br?、NO3?、PO43?、SO32?、SO42?）的測定 離子色譜法》（HJ 84—2016）中的規(guī)定，測試土樣浸出液中的可溶性陰離子和可溶性陽離子的濃度，最后根據(jù)所測得的現(xiàn)場土樣離子濃度配制試驗(yàn)用的地層環(huán)境模擬液。

現(xiàn)場土樣典型離子濃度測試結(jié)果如表1所示，其中實(shí)土樣品中的Cl?和SO42?作為主要的腐蝕性離子。由表1可知，京港段K1941和K1951兩種實(shí)土樣品中的Cl?含量相同，約為0.016 mg/g，均沒有可溶性的SO42?檢出；樂廣K123實(shí)土樣品相對(duì)較高，其中Cl?含量達(dá)到0.332 mg/g?？紤]過高Cl?含量可能會(huì)對(duì)其他環(huán)境因素的規(guī)律研究產(chǎn)生影響，該實(shí)驗(yàn)擬選取Cl?含量相對(duì)較低的京港段實(shí)土樣品作為地層環(huán)境模擬液的基液，模擬液成分如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)采用電化學(xué)試驗(yàn)方法，首先將錨索單絲置于地層環(huán)境模擬液中，用C環(huán)固定鋼絞絲兩端，然后通過應(yīng)力施加系統(tǒng)施加不同拉應(yīng)力，并通過電化學(xué)工作站測試系統(tǒng)采集不同應(yīng)力載荷作用下錨索的電化學(xué)腐蝕參數(shù)，最后分析應(yīng)力載荷對(duì)錨索腐蝕速率的影響規(guī)律，判斷錨索的應(yīng)力腐蝕敏感性。該試驗(yàn)共進(jìn)行5組，測試環(huán)境為地層環(huán)境模擬液（pH為5.5，溫度為25℃，含氧量為15%），在無應(yīng)力、5 kN、10 kN、15 kN、17.9 kN等五組不同拉應(yīng)力施加下對(duì)錨索單絲進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的裝置包括C環(huán)應(yīng)力施加系統(tǒng)和電化學(xué)工作站測試系統(tǒng)，如圖3所示：

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同應(yīng)力荷載作用下錨索鋼絞線的動(dòng)電位變化規(guī)律

不同應(yīng)力荷載作用下錨索鋼絞線單絲的動(dòng)電位極化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，隨著應(yīng)力荷載的增加，動(dòng)電位極化曲線整體右移，尤其在應(yīng)力達(dá)到15 kN以上時(shí)，鋼絞線單絲的動(dòng)電位極化曲線大幅向右移，這表明鋼絞線單絲的自腐蝕電流隨著應(yīng)力的增加而逐漸升高，當(dāng)應(yīng)力增加到一定幅度后，自腐蝕電流增加越顯著。

通過采用Gamry電化學(xué)工作站內(nèi)置軟件對(duì)極化曲線的自動(dòng)擬合，獲取不同應(yīng)力荷載下錨索的電化學(xué)腐蝕參數(shù)，如表3所示。由表3可知，隨著應(yīng)力載荷的施加，自腐蝕電位呈負(fù)移趨勢，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到17.9 kN時(shí)，鋼絞線單絲的自腐蝕電位約為?330 mV，相比無應(yīng)力載荷條件下負(fù)移了約50 mV；線性極化電阻值隨著應(yīng)力的施加幅度增大而不斷下降，在17.9 kN時(shí)下降幅度最明顯，約降低了93%；自腐蝕電流密度的變化趨勢則與極化電阻相反，隨著應(yīng)力的施加而不斷下降，在17.9 kN條件下自腐蝕電流密度約為2.01×10?5 A/cm2，約為無應(yīng)力施加條件下的20倍。

綜上所述，有無應(yīng)力施加對(duì)錨索的腐蝕行為有明顯影響，應(yīng)力荷載越大則影響越顯著。

2.2 應(yīng)力荷載對(duì)錨索腐蝕速率的影響

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)力荷載作用下錨索腐蝕的量化影響分析，該文基于上述獲取的電化學(xué)腐蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)，求得不同應(yīng)力荷載作用下錨索的腐蝕速率。腐蝕速率的計(jì)算公式如下：

vcorr= 3270×icorr×A " " " " " " " " nD " " " " （1）

式中，vcorr——平均腐蝕速率（mm/y）；icorr——自腐蝕電流密度（A/cm2）；A——金屬原子量，取56；n——得失電子數(shù)，取2；D——鋼絞絲材料密度（g/cm3），取7.86 g/cm3。

由式（1）計(jì)算得到的不同應(yīng)力荷載下錨索平均腐蝕速率如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)應(yīng)力荷載從0增加到10 kN時(shí)，錨索的腐蝕速率略微上升；當(dāng)應(yīng)力值提高至15 kN時(shí)，錨索的腐蝕速率出現(xiàn)較為明顯的上升，而當(dāng)應(yīng)力提高至17.9 kN時(shí)，腐蝕速率達(dá)到0.23 mm/y（毫米/年）左右，相比無應(yīng)力荷載作用下的腐蝕速率提高了約20倍，這說明在較低應(yīng)力荷載（低于10 kN）條件下，錨索的腐蝕速率隨應(yīng)力的變化不大，當(dāng)應(yīng)力荷載較高時(shí)（15 kN），錨索的腐蝕速率開始出現(xiàn)顯著的增加，高應(yīng)力荷載對(duì)錨索的腐蝕具有更明顯的加速作用。

3 結(jié)論

該文通過采用地層環(huán)境模擬液和自制應(yīng)力施加系統(tǒng)，完成了不同應(yīng)力荷載作用下的錨索鋼絞線電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隨著應(yīng)力載荷的增加，錨索鋼絞線的自腐蝕電位呈負(fù)移趨勢，線性極化電阻不斷下降，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到17.9 kN時(shí)下降幅度最明顯，降低了約93%；自腐蝕電流密度隨著應(yīng)力的施加而不斷提高，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到17.9 kN時(shí)自腐蝕電流密度約為無應(yīng)力施加條件下的20倍。

（2）有無應(yīng)力施加對(duì)錨索的腐蝕行為有明顯影響，應(yīng)力荷載越大則影響越顯著。

（3）錨索的腐蝕速率隨著應(yīng)力的增加而增長，在較低應(yīng)力作用下，錨索的腐蝕速率相對(duì)無應(yīng)力作用下的增幅很?。划?dāng)應(yīng)力超過一定值后，錨索的腐蝕速率增長顯著，即施加的應(yīng)力越高，對(duì)錨索的腐蝕具有更明顯的加速作用。

參考文獻(xiàn)

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