預應力鋼絲的應力腐蝕及防治措施

李錦華

(淮北職業(yè)技術學院,安徽淮北 235000)

預應力鋼絲的應力腐蝕及防治措施

李錦華

(淮北職業(yè)技術學院,安徽淮北 235000)

長期以來,冷拉預應力鋼絲的應力腐蝕問題并未引起人們的足夠重視。本文從產(chǎn)生應力腐蝕的機理出發(fā),分析產(chǎn)生應力腐蝕的原因以及影響應力腐蝕的因素,提出了應從鋼材內(nèi)部條件和外部條件兩方面進行防治的防治對策。

預應力鋼絲;應力腐蝕;防治措施

改革開放以來,我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展,綜合國力逐年增強,建筑業(yè)得到了蓬勃發(fā)展,建筑法律、法規(guī)逐步完善,特別是我國加入WTO以來,建筑工程管理走上了法制軌道,但由于有些專業(yè)技術人員和管理人員缺乏質(zhì)量意識或者技術水平不高,各種工程質(zhì)量事故時有發(fā)生。雖然建筑工程質(zhì)量事故發(fā)生的原因是多種多樣的,但由于使用劣質(zhì)工程材料引起的工程質(zhì)量事故還是經(jīng)常出現(xiàn)的,各級管理部門對工程材料的把關管理都得到足夠的重視。在預應力構件生產(chǎn)過程中,對預應力鋼筋、水泥、砂、石子、各種錨、夾具等的采購、驗收、保管、使用基本上都能夠嚴格把關,但是預應力鋼絲的應力腐蝕問題并未引起人們的足夠重視,本文對預應力鋼絲的應力腐蝕問題,從產(chǎn)生應力腐蝕的機理出發(fā) ,分析了產(chǎn)生應力腐蝕的原因以及影響應力腐蝕的因素,提出了防治對策。

1 金屬的應力腐蝕現(xiàn)象及腐蝕機理

1.1 什么叫應力腐蝕

處于腐蝕性溶液和氣氛下工作的金屬,在機械應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下,在遠低于屈服強度的條件下,發(fā)生突然的、沒有形變預兆的破裂現(xiàn)象,稱為應力腐蝕,也稱為低應力脆斷或應力腐蝕破裂。

應力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌,發(fā)生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應力(不論是殘余應力還是外加應力,或者兩者兼而有之)和特定的腐蝕介質(zhì)存在。型紋的形成和擴展大致與拉應力方向垂直。這個導致應力腐蝕開裂的應力值,要比沒有腐蝕介質(zhì)存在時材料斷裂所需要的應力值小得多。在微觀上,穿過晶粒的裂紋稱為穿晶裂紋,而沿晶界擴展的裂紋稱為沿晶裂紋,當應力腐蝕開裂擴展至某一深度時,則材料就按正常的裂紋而斷開。一般應力腐蝕都屬于脆性斷裂。

1.2 應力腐蝕機理

金屬的應力腐蝕破裂是電化學腐蝕和應力的機械破壞互相促進的結果。

金屬的應力腐蝕破裂過程一般可分為三個階段。第一階段為孕育期,因腐蝕過程的局部化和拉應力的結果,使裂紋生核;第二階段為腐蝕裂紋發(fā)展期,使裂紋擴展;在第三階段中,由于拉應力的局部集中,裂紋急劇生長導致材料的破壞。

金屬的表面缺陷(劃痕、小孔或縫隙存在)部位的電位比其他部位低,成為活性點,為應力腐蝕提供了裂紋核心。材料表面的裂紋核心,在特定介質(zhì)(含活性陰離子,尤其是氯離子)和拉應力的聯(lián)合作用下,將產(chǎn)生塑性變形,導致表面鈍化膜破裂,新裸露的金屬表面相對于鈍化表面的電位變負,形成一個面積特別小的陽極,以較大的腐蝕電流迅速溶解成為蝕坑。腐蝕電流流向坑外,即流向陰極,在陰極上發(fā)生如下反應:

如蝕坑沿著滑移線和拉應力垂直的方向發(fā)展為微觀裂紋,就完成了裂紋的孕育階段。

微觀裂紋形成后,裂紋尖端產(chǎn)生應力集中,高的集中應力使裂紋尖端及附近區(qū)域屈服變形,微觀滑移再次破壞尖端表面膜,使尖端又一次加速溶解。這些步驟連續(xù)交替進行,裂紋便不斷向深處擴展。這就是裂紋的擴展階段。

隨著裂紋擴展階段的進行,拉應力逐漸增大,應力集中就愈大,導致裂紋的迅速擴展,最后導致材料的破壞。

2)分析數(shù)據(jù)。這個過程需要進行抽象，將S表示為分數(shù)和，Max表示最大值，Min表示最小值，df是最終計算結果，平均數(shù)。

2 預應力鋼絲的應力腐蝕現(xiàn)象及防治措施

預應力鋼絲及鋼絞線的應力腐蝕是在應力和腐蝕復合作用下的應力腐蝕(屬電化腐蝕范疇),其特點是在金屬內(nèi)部先形成裂紋,內(nèi)裂紋發(fā)生后便形成應力集中,加速裂紋的發(fā)展,它是一種沒有征兆的脆性斷裂。在工程中一旦出現(xiàn),后果將是災難性的。

2.1 影響應力腐蝕的因素

根據(jù)深圳華油五金塑膠制品有限公司總工程師胡堅石同志的研究,影響應力腐蝕的因素主要由內(nèi)外兩種因素組成。

2.1.1 內(nèi)部因素

鋼中含氫量對應力腐蝕的影響。鋼的各種冶金敏感性(包括晶粒大小、晶粒取同、形態(tài)、相結構、各種缺陷、加工狀態(tài)等)都將影響到鋼的應力腐蝕能力。冶煉過程中熔入鋼水中的氣體,隨鋼坯的凝固而存在于鋼錠中,它們對鋼的力學和化學性能產(chǎn)生有害影響。尤其是以原子態(tài)存在于鋼中的氫,其危害性更大。在外力作用下(例如軋制、拉拔等),氫原子將化合成氫分子,由于分子氫的體積遠大于原子氫,在鋼的內(nèi)部便會產(chǎn)生巨大的壓力,當此壓力超過鋼的強度極限時,鋼便產(chǎn)生了微裂紋(此裂紋存在于鋼的內(nèi)部,稱為白點)。這一微裂紋有可能在隨后的酸洗、拉拔或施加預應力時得到擴展而導致鋼絲斷裂。

另一方面,對于冷拉鋼絲而言,環(huán)境介質(zhì)中的氫也能在一定條件下以原子的形態(tài)透過鋼的表面而進入鋼的內(nèi)部,在應力的作用下,引發(fā)鋼的氫脆現(xiàn)象。應力越大,則氫脆越嚴重。其原因在于冷拉能增加缺陷濃度,因而能大大提高氫的聚集程度。同時,冷拉鋼絲的表面形成的鈍化膜不具有保護性,有可能導致局部腐蝕的過早形成,在應力或應變的作用下,產(chǎn)生了應力腐蝕開裂。

因此,對冷拉預應力鋼絲而言,嚴格控制鋼中及鋼絲在使用環(huán)境中的氫含量,具有特別重要的意義。

一般對于使用冷拉狀態(tài)的鋼絲,要求w(H)不得大于3.5×10-6,最好控制在1×10-6以下。

2.1.2 外部因素

(1)拉拔造成的附加有害內(nèi)應力。預應力鋼絲在拉拔過程中,由于設備性能落后,尤其是冷卻能力不夠,拉拔工藝編排不當或操作不規(guī)范;磷化質(zhì)量不佳,潤滑不好,使拉拔力過大,拉拔熱過高等都將給鋼絲增加有害附加應力。產(chǎn)生了有害附加應力的鋼絲是能檢測出來的。與正常鋼絲相比較,產(chǎn)生了有害應力的鋼絲表現(xiàn)出如下特征:①斷面收縮率小。按正常工藝生產(chǎn)出來的鋼絲,其斷面縮率一般應大于35%。如果成品鋼絲的斷面縮率小于35%,則應認為在某一環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了問題。②抗拉強度過高。合格鋼絲的選材和工藝確定后,其抗拉強度的波動范圍一般應能控制在200Mpa以內(nèi);如果強度波動范圍大大超過此范圍,則可初步判定拉拔工藝失控。③扭轉(zhuǎn)性能不合格。合格的鋼絲,作360°單向扭轉(zhuǎn)時,不僅扭轉(zhuǎn)次數(shù)應合格,且扭轉(zhuǎn)斷口應平整并垂直于軸線;附加過大有害應力的鋼絲,雖然其扭轉(zhuǎn)次數(shù)可能合格,但其斷口有可能出現(xiàn)不平整、劈裂、或式樣表面呈現(xiàn)肉眼可見的螺旋形裂紋。

(2)環(huán)境因素對應力腐蝕的影響。對預應力混凝土構件中的鋼絲而言,其主要環(huán)境介質(zhì)是混凝土。由于混凝土不能完全隔水,那么,當滿足有足夠的單體氧原子、有足夠的氯化物(700×10-6以上)使鋼絲產(chǎn)生敏化作用、有水分存在三個條件時,就有可能產(chǎn)生應力腐蝕。也就是說,如果鋼絲周圍有足夠的氯化物存在,而環(huán)境又是無數(shù)次“干燥”與“潮濕”循環(huán)交替狀態(tài),就有可能促使應力腐蝕的加速形成。除了氯化物的影響以外,還有下述因素也能促使應力腐蝕的發(fā)展,而導致鋼絲失效。①在高pH(8～10)和近中性pH環(huán)境中,可產(chǎn)生應力腐蝕開裂,尤其是濃碳酸鹽和碳酸氫鹽可導致鋼絲產(chǎn)生腐蝕裂紋。②陰極保護不當。在一些重要管道上,采用了陰極電流防蝕系統(tǒng),以緩解局部腐蝕和均勻腐蝕。然而,過電壓使氫較易析出,導致氫進人鋼中引起氫脆。文獻[1]指出:當電位在-0.52～0.78V(相對氫電極)時,鋼絲將受到可靠的保護。但實際上,由于鋼絲存在缺陷,其周圍電位變化較大,常使材料的電位落在應力腐蝕的敏感區(qū)內(nèi)。為此,建議采用化學方法進行保護,即用鋅為正極形成電流保護。由于鋅元素有防止過電壓的作用,凡采用鋅為正極的防蝕系統(tǒng)基本上未出現(xiàn)問題。③力學性能。只有當拉應力大于鋼絲的應力腐蝕臨界值時,應力腐蝕裂紋才會擴展。這個拉應力既可以是外加應力,也可以是鋼的殘余應力。如果鋼絲存在裂紋,或表面存在氧化皮,或周圍存在腐蝕環(huán)境等,都將導致門檻應力大大降低。

2.2 防治措施

防治措施可從鋼材的內(nèi)部條件和外部條件上進行。

2.2.1 內(nèi)部條件

從鋼材的內(nèi)部條件上,要求該類鋼材必須經(jīng)過爐外精煉,已納入《預應力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條》(YB/T146-1998)的標準條款,并在疏、磷、銅雜質(zhì)含量上加以嚴格控制,在盤條的表面缺陷上也應加以嚴格控制。

2.2.2 外部條件

(1)設置預應力鋼材的防腐鍍(涂)層,按保護層的種類,可分為非金屬保護層(稱為涂層),化學保護層和金屬保護層(稱為鍍層)三類。預應力鋼材的非金屬涂層主要有塑料,環(huán)氧樹脂和防腐油脂三種,由于其工藝裝備比較簡單,投資低,易于上馬。化學保護層:在金屬表面形成保護層,如鋅層的鈍化、鋁層的氧化、鐵基的磷化等。該類保護層往往不是作為單一的鋼材保護層,而是與金屬鍍層兼并使用。金屬保護鍍層:在電化腐蝕中,處于陽極的金屬首先被溶解,為此在鋼絲表面鍍以較鐵活潑的金屬,如鋅、鋁等。在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中,使鋅首先被溶解而保護鐵基,稱為陽極鍍層保護。由于鍍鋅(或鋅-鋁合金)在金屬防腐中具有良好的結果和成熟的工藝裝備,因此被預應力鋼材廣泛使用。

(2)為了避免拉拔不當引起的應力腐蝕,美國材料試驗協(xié)會ASTMA648“預應力混凝土管道用冷拉鋼絲”標準中,特別作出如下規(guī)定:

①嚴格控制冷拉溫度。該標準指出:當拉拔熱過大,例如鋼絲出模溫度在 204℃時超過 5s或出模溫度在182℃時超過20s,就將對鋼絲產(chǎn)生有害影響。②對符合公稱強度的鋼絲,規(guī)定了鋼絲的最小拉力值和最大拉力值。其目的是控制拉拔工藝,使強度波動范圍控制在不致產(chǎn)生過分有害的程度。③控制扭轉(zhuǎn)斷口的形貌。凡是斷裂的試樣呈現(xiàn)出螺旋形劈裂,或在鋼絲表面上產(chǎn)生了用手指能觸摸到的錯位時,都應進行復試。

[1] 胡堅石.預應力鋼絲的應力腐蝕[J].金屬制品,2002,28(2):528.

TU511.3+2

A

1671-8275(2010)03-0057-02

2010-02-21

李錦華 (19622),女,淮北職業(yè)技術學院工程師。研究方向:混凝土施工。

責任編輯:訾興建