巖土預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕損傷演化規(guī)律研究

張思峰陳興吉韓冰齊輝

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,山東濟(jì)南250101；2.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250101)

0 引言

實(shí)際工程中巖土預(yù)應(yīng)力錨索受地下水和巖土體中的腐蝕介質(zhì)作用會(huì)形成明顯的銹蝕,錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也將隨之下降,一旦發(fā)生破壞將產(chǎn)生嚴(yán)重后果[1]。自錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)用到實(shí)際工程中以來,錨索的防腐問題引起了越來越多關(guān)注,開展了許多提高巖土預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕耐久性的措施和標(biāo)準(zhǔn)的探討[2]。但埋設(shè)于巖土體中的錨索體受降雨、溫度、應(yīng)力和環(huán)境等因素的影響,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、電化學(xué)腐蝕、生物腐蝕等,其中又以應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)腐蝕為主[3-4]。目前的研究主要集中在預(yù)應(yīng)力索體腐蝕后力學(xué)性能的改變方面。朱爾玉等[5]、鄭靜等[6]、羅小勇等[7]和吳振等[8]分別通過某種單因素影響下的錨筋腐蝕試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)試件的彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂荷載、極限荷載及伸長(zhǎng)率等指標(biāo)隨腐蝕時(shí)間或銹蝕率的增長(zhǎng)有不同程度的降低。李應(yīng)勇等通過室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)對(duì)溶液pH值、時(shí)間及應(yīng)力水平等因素對(duì)試件單位長(zhǎng)度腐蝕量的影響規(guī)律進(jìn)行了定量化的描述[9]。黎慧珊通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了氯離子濃度、時(shí)間和pH值等因素對(duì)鋼絞線腐蝕的影響特點(diǎn)及不同影響因素之間的相互耦合關(guān)系[10]。張未林認(rèn)為錨索的腐蝕與其所受的疲勞荷載作用關(guān)系密切,并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)錨桿材料在疲勞荷載和腐蝕介質(zhì)耦合作用下的試件物理、力學(xué)性能變化規(guī)律進(jìn)行了研究[11]。在巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)腐蝕損傷演化機(jī)理研究方面,目前相關(guān)文獻(xiàn)不多。徐俊將斜拉橋拉索鋼絲的腐蝕損傷演化過程從宏觀上劃分為6個(gè)階段,并將等效裂紋深度和等效截面直徑作為損傷演化模型的2個(gè)參數(shù)[12]。陳惟珍等從化學(xué)角度分析認(rèn)為預(yù)應(yīng)力筋的析氫是其損傷的直接原因,而預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度和硬度是重要的氫致開裂敏感性影響量[13]。

由于多大型巖土預(yù)應(yīng)力錨固工程正在并將長(zhǎng)期經(jīng)受應(yīng)力腐蝕的作用,分析巖土預(yù)應(yīng)力錨索在應(yīng)力腐蝕作用下的損傷演化機(jī)理,可為防腐措施的制定提供理論支持。文章在室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用超景深三維數(shù)字顯微系統(tǒng)及掃描電鏡對(duì)索體銹蝕損傷形貌及細(xì)觀腐蝕損傷演化機(jī)理進(jìn)行了研究,建立了相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)與腐蝕時(shí)間之間的關(guān)系。

1 預(yù)應(yīng)力錨索試件宏觀損傷形貌特征研究

1.1 室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)材料

室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)材料選取直徑為5 mm,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為400 mm的鋼絞線中心鋼絲。酸性條件下的腐蝕介質(zhì)溶液pH值分別為5和6.5,堿性條件下腐蝕介質(zhì)溶液pH值分別為7.5和9。酸性溶液采用98%的濃硫酸并加純凈水稀釋配置,堿性溶液采用無水碳酸鈉稀釋配置。為保證溶液pH值的恒定和避免溫度的影響,盛放溶液的容器保持恒溫,并通過電子數(shù)顯pH計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液 pH值,當(dāng)其變化幅度＞10%時(shí)即更換溶液。時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別選擇了4、6、9和12個(gè)月,具體試驗(yàn)方案參見文獻(xiàn)[9]。

1.1.2 錨索腐蝕形貌觀測(cè)

在室內(nèi)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的不同階段,用細(xì)砂紙將試件表面鈍化膜打磨掉,以試件表面腐蝕坑內(nèi)無肉眼可見腐蝕產(chǎn)物為準(zhǔn)。利用基恩士VHX-600E超景深三維數(shù)字顯微系統(tǒng)對(duì)試件表觀銹蝕損傷形貌進(jìn)行觀測(cè),并采用蝕坑面積、深度、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度等指標(biāo)作為表面腐蝕損傷的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。由于其景深范圍大于光學(xué)顯微系統(tǒng)的20倍,因此對(duì)于試驗(yàn)中無法用顯微系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)的凹凸不平的大目標(biāo)物體也可精確測(cè)量蝕坑面積及長(zhǎng)軸長(zhǎng)度等指標(biāo)。觀測(cè)時(shí)先將打磨光滑的試件放在載物臺(tái)上,在顯示器上調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為20倍。調(diào)節(jié)載物臺(tái)與目鏡之間的距離,直到顯示屏上的圖像清晰。在pH值為9的溶液中分別腐蝕4、9和12個(gè)月后試件表面的微觀形貌及其蝕坑長(zhǎng)軸、面積的測(cè)量方法如圖1所示。從顯示屏上確定需要測(cè)量的腐蝕坑以后,鼠標(biāo)拾取腐蝕坑長(zhǎng)軸兩端點(diǎn),系統(tǒng)自動(dòng)顯示2點(diǎn)之間距離,即長(zhǎng)軸長(zhǎng)度(如圖1中紅色線段所示)。測(cè)量面積時(shí),沿著蝕坑周長(zhǎng)依次拾取點(diǎn),屏幕自動(dòng)顯示拾取點(diǎn)周長(zhǎng)范圍內(nèi)的腐蝕坑面積,拾取點(diǎn)數(shù)越多則測(cè)量面積越準(zhǔn)確(如圖1中藍(lán)色線段所示)。當(dāng)腐蝕坑面積較大時(shí),將其分成2部分測(cè)量。由于在酸性溶液中腐蝕時(shí)間＞6個(gè)月的桿件其蝕坑基本已全部貫通,無法測(cè)量其長(zhǎng)軸長(zhǎng)度及面積等參數(shù),故對(duì)pH值為5的酸性溶液僅測(cè)量了其各斷面腐蝕深度,并以此計(jì)算其平均腐蝕深度。

圖1 試件表面腐蝕形狀觀測(cè)及蝕坑長(zhǎng)軸、面積測(cè)量圖(20×)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索體桿件的平均腐蝕深度與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析,如圖2所示。桿件的平均腐蝕深度隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加,由顯微系統(tǒng)測(cè)定的試件表面平均腐蝕深度與時(shí)間的關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。

腐蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。隨著時(shí)間延長(zhǎng),腐蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度也逐漸增長(zhǎng),對(duì)于pH值分別為6.5及9的腐蝕介質(zhì)中的桿件,其蝕坑長(zhǎng)度增長(zhǎng)速率＞pH 7.5的介質(zhì)中的桿件。3種腐蝕介質(zhì)中蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與時(shí)間的擬合曲線(pH值為6.5及9的按照指數(shù)函數(shù)擬合,pH值為7.5的按照線性擬合)也反映了上述規(guī)律。

圖2 平均腐蝕深度與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖3 腐蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與時(shí)間關(guān)系曲線圖

不同pH值下腐蝕坑面積與時(shí)間的擬合關(guān)系曲線如圖4所示。與蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與時(shí)間曲線類似,在pH值為6.5及9溶液中,蝕坑面積也隨時(shí)間呈指數(shù)形式增長(zhǎng),而pH 7.5的溶液中的腐蝕坑槽面積與時(shí)間仍呈線性增長(zhǎng)。pH值為6.5的溶液中的桿件在6個(gè)月后的蝕坑面積增長(zhǎng)率遠(yuǎn)＞pH 9的腐蝕溶液中的桿件,說明酸性介質(zhì)有助于腐蝕坑槽的貫通,pH值為5的溶液中腐蝕12個(gè)月試件外觀形貌(如圖5所示)所反映的規(guī)律一致[9-11]。

圖4 腐蝕坑面積與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖5 pH 5溶液中12個(gè)月外觀圖(20×)

2 預(yù)應(yīng)力錨索試件細(xì)觀損傷演化規(guī)律分析

2.1 試驗(yàn)制備及觀測(cè)

試驗(yàn)采用的熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡最大放大倍數(shù)為80萬倍,主要用于金屬、非金屬及復(fù)合材料等的微觀組織觀察。

試驗(yàn)首先對(duì)典型溶液(pH值為5、9)中分別腐蝕4、6、9和12個(gè)月后的桿件進(jìn)行拉破壞試驗(yàn),獲取了不同腐蝕時(shí)間下試件抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。桿件拉斷后,用蒸餾水清洗斷口,吹干后放入干燥器中保存。觀察前從試件斷口處用砂輪機(jī)截取約1 cm試樣,切取時(shí)小心保護(hù)斷口。在酒精溶液內(nèi)通過超聲波清洗后,放于熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下對(duì)試件斷口顯微組織等進(jìn)行觀測(cè)。

電鏡掃描試驗(yàn)首先對(duì)斷口進(jìn)行低倍(34×)大視域觀測(cè),而后從斷口邊緣到中心按其斷口特征依次取3點(diǎn)作為高倍(20000×)放大的觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)。試件的拉破壞試驗(yàn)表明,在高應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)耦合作用下,腐蝕介質(zhì)作用時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)桿件的屈服及斷裂荷載會(huì)產(chǎn)生一定影響。腐蝕時(shí)間為4個(gè)月的錨索試件到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)試驗(yàn)拉力為36.81 kN,試件此時(shí)位移變化為10.37 mm,最終試件的拉斷拉力為39.94 kN,其時(shí)桿件位移為22.90 mm。腐蝕9個(gè)月的試件屈服荷載及斷裂荷載分別34.26、37.21 kN,所對(duì)應(yīng)的試件位移分別為10.16、21.93 mm。腐蝕12個(gè)月的試件屈服荷載及斷裂荷載分別為32.18、35.12 kN,所對(duì)應(yīng)的試件位移分別為 9.16、18.11 mm,如圖6所示。由此可知,隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng),桿件的屈服荷載及斷裂荷載逐漸減小,到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)桿件所產(chǎn)生的位移也有所減小,與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)論基本一致。

圖6 pH值為5溶液中不同腐蝕時(shí)間下的試件荷載—位移曲線圖

2.2 電鏡掃描結(jié)果分析

2.2.1 宏觀形貌分析

各斷口在低倍大視域下的宏觀形貌如圖7所示。pH 5的溶液中腐蝕4、9個(gè)月的試件斷口和pH 9的溶液中腐蝕9個(gè)月的試件斷口形成了明顯的纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)分別如圖7中的數(shù)字3、2、1所示。按照材料力學(xué)的斷裂理論[15],纖維區(qū)為斷裂的源頭,是斷裂源的形成區(qū),位于斷口正中央,一般顏色灰暗,無金屬光澤,其面積的大小反映出試件韌性的好壞。放射區(qū)有明顯的放射狀花紋,其與裂紋擴(kuò)展方向一致,且裂紋寬度隨著放射向外延伸而逐漸變寬,放射區(qū)的寬度與材料韌性反相關(guān)。剪切唇區(qū)位于放射區(qū)周圍,表面光滑,與拉伸軸向方向約呈45°。

對(duì)比圖7(a)～(c)可知,與pH 5的溶液中腐蝕9個(gè)月的試件斷口相比,腐蝕4個(gè)月的試件斷口纖維區(qū)面積大,放射區(qū)面積小,裂紋寬度較小且延伸形狀規(guī)則,說明4個(gè)月試件好于9個(gè)月試件的抗拉性能。同樣的,在pH 5的溶液中,9個(gè)月試件比12個(gè)月試件的抗拉性能要好。pH 5的溶液中腐蝕12個(gè)月的試件斷裂特征顯示為,頸縮極小,主要是由于腐蝕坑槽的存在造成拉伸時(shí)的應(yīng)力集中,斷口頸縮現(xiàn)象不明顯。

圖7(f)中pH 9的溶液中腐蝕12個(gè)月的試件由于腐蝕坑槽較深,試件拉斷時(shí)斷口直接發(fā)生在腐蝕坑槽處,端口周邊表現(xiàn)為鋸齒狀,宏觀樣貌中并沒有出現(xiàn)較明顯的剪切唇區(qū)。放射區(qū)所占斷面比例增大,放射裂紋不規(guī)則,纖維區(qū)面積極小,因此其抗拉性能比相同腐蝕溶液中的9個(gè)月時(shí)的試件要差。。

腐蝕12個(gè)月的試件其放射區(qū)裂紋均出現(xiàn)了縱橫向交織,是由于試件受到介質(zhì)的腐蝕后力學(xué)性能下降,受拉過程中拉應(yīng)力交互作用而產(chǎn)生,其余腐蝕月份的桿件在電鏡宏觀掃描下未明顯出現(xiàn)此現(xiàn)象。

通過上述對(duì)高應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)耦合作用下試件斷口電鏡掃描的宏觀樣貌特征分析可知,腐蝕影響了材料的性能,相同腐蝕介質(zhì)下隨時(shí)間延長(zhǎng),材料的塑性降低,脆性逐漸增強(qiáng),也說明了在高應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)間作用下,試件將呈現(xiàn)出一種無預(yù)兆的、極為突然的脆性破壞方式[16]。此外,pH 5的溶液中受腐蝕時(shí)間較長(zhǎng)(12個(gè)月)的試件由于表面腐蝕坑槽的應(yīng)力集中現(xiàn)象,表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕的特征,即初始裂紋萌生于試件表面腐蝕坑槽處,而其他試件由于在實(shí)驗(yàn)中腐蝕時(shí)間較短,其拉伸初始裂紋萌生于試件中央的纖維區(qū)。

2.2.2 斷口高倍微觀分析

對(duì)同一腐蝕介質(zhì)中不同腐蝕時(shí)間下的試件斷口分別進(jìn)行剪切唇區(qū)、放射區(qū)及纖維區(qū)高倍小視域下的觀察,分析其裂紋萌生及發(fā)展規(guī)律,以探求腐蝕損傷演化的細(xì)觀力學(xué)本質(zhì)。pH 5的溶液中,不同腐蝕時(shí)間下的試件不同區(qū)域?qū)Ρ葓D如圖8所示。腐蝕4及9個(gè)月的試件斷口纖維區(qū)及放射區(qū)微觀形貌顯示一些大小不等的橢圓形的凹坑——韌窩。大韌窩周圍密集著小韌窩,在韌窩內(nèi)有一些夾雜物或第二相粒子(如圖8中黃色圓圈標(biāo)記所示),這也是高應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)耦合作用下試件斷裂破壞的起源。當(dāng)拉伸應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí),材料局部出現(xiàn)頸縮且軸心處軸向應(yīng)力最大,致使夾雜物與金屬界面處分離產(chǎn)生微孔,或夾雜物本身破碎形成裂紋。隨著應(yīng)力繼續(xù)增大,微孔縱向和橫向不斷增長(zhǎng),微孔隨之變大,微孔壁變薄,部分微孔相互貫通以撕裂方式連接,聚合成微裂紋,最后裂紋沿剪切面擴(kuò)展到剪切唇處試件斷裂。腐蝕4個(gè)月的試件斷口韌窩分布均勻且平均直徑及深度要大于腐蝕9個(gè)月的試件的韌窩,且9個(gè)月試件斷口韌窩撕裂程度高(如圖8中藍(lán)線標(biāo)示區(qū)域所示),這說明其韌窩貫通快,微裂紋形成快,所以在相同腐蝕介質(zhì)下,腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)的試件塑性越差,這與前述的宏觀分析結(jié)論相吻合。

與上述分析不同,pH 5的溶液中12個(gè)月的試件斷口無論是放射區(qū)還是纖維區(qū)均無明顯裂紋產(chǎn)生,也無較多的韌窩出現(xiàn),說明導(dǎo)致試件發(fā)生斷裂的初始裂紋并非由試件中央的纖維區(qū)生成,而是在試件最外緣的腐蝕坑槽處,這些腐蝕坑槽在張拉荷載作用下形成的應(yīng)力集中區(qū)形成試件的裂紋萌生點(diǎn)(如圖8中紅線標(biāo)示區(qū)域所示)。裂紋形核后,在拉應(yīng)力作用下形成裂紋尖端,在應(yīng)力集中的作用下向試件內(nèi)部擴(kuò)展,試件截面剩余的有效面積不能承受外荷載的作用,最終導(dǎo)致試件的破壞。

圖7 各試件斷口宏觀形貌圖

圖8 pH 5的溶液中不同區(qū)域的微觀形貌圖(從左到右腐蝕試件依次為4、9、12個(gè)月)

3 結(jié)論

通過研究得到以下結(jié)論:

(1)隨時(shí)間延長(zhǎng),腐蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、深度及蝕坑面積均逐漸增長(zhǎng),平均腐蝕深度與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。pH值為6.5及9的腐蝕介質(zhì)中的桿件,其蝕坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、面積與腐蝕時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,而pH值為7.5的腐蝕介質(zhì)中桿件的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、面積等指標(biāo)與時(shí)間呈線性關(guān)系。pH值為6.5的溶液中,桿件腐蝕6個(gè)月后的蝕坑面積要遠(yuǎn)大于pH值為9的腐蝕溶液中的桿件,說明酸性介質(zhì)有助于腐蝕坑槽的貫通。

(2)試驗(yàn)中pH 5酸性腐蝕介質(zhì)中的桿件隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng),桿件的屈服荷載及斷裂荷載均逐漸減小,到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)桿件所產(chǎn)生的位移也有所減少。

(3)腐蝕作用影響了材料的韌性:相同腐蝕介質(zhì)下隨時(shí)間延長(zhǎng),材料的塑性降低,脆性逐漸增強(qiáng),說明在高應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的耦合作用下,試件將呈現(xiàn)出一種無預(yù)兆的脆性斷裂。

(4)酸性溶液中受腐蝕時(shí)間較長(zhǎng)(12個(gè)月)的試件由于表面腐蝕坑槽的應(yīng)力集中效應(yīng),初始裂紋萌生于表面坑槽處,表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕的特征。而其他試件拉伸初始裂紋萌生于試件中央的纖維區(qū)。