鋼絞線加速銹蝕及其力學性能試驗研究

孫麗雅,葉忠明,彭衛(wèi)*

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鋼絞線加速銹蝕及其力學性能試驗研究

孫麗雅1,葉忠明2,彭衛(wèi)2*

1. 浙江廣廈建設職業(yè)技術(shù)學院, 浙江 東陽 322100 2. 浙江大學寧波理工學院, 浙江 寧波 315100

鋼絞線作為一種常用的預應力結(jié)構(gòu)材料，其耐久性性能的優(yōu)劣受到諸多因素的影響，其中，環(huán)境因素造成的銹蝕使得鋼絞線力學性能退化，嚴重降低其耐久性。本文通過實驗，對沿用在鋼筋中的銹蝕定律加以修正；并利用修正后的銹蝕經(jīng)驗公式，對鋼絞線加速銹蝕實驗進行分析；不同腐蝕速率為1％~9％的試樣由30根長度為100 cm的鋼絞線制成。靜態(tài)拉伸試驗用于獲得腐蝕鋼絞線的機械性能隨腐蝕速率的變化，從而為實際工程中的吊桿及拉索結(jié)構(gòu)耐久性評估提供依據(jù)。

鋼絞線; 力學性能; 加速銹蝕

對于鋼絞線銹蝕后的力學性能研究，國內(nèi)外學者分別從極限強度、極限延伸率、名義彈性模量進行分析。在靜力分析方面，國外學者Vehovar利用某高架橋上已嚴重銹蝕的鋼絞線進行了軸向拉伸試驗[1]，結(jié)果表明隨著銹蝕程度的加大，鋼絲強度明顯下降。李富民、鄭亞明等[2,3]各自通過不同加速銹蝕手段得到特定銹蝕率下的鋼絞線，進行靜力拉伸試驗，一致得出“銹蝕鋼絞線的極限強度和屈服強度與銹蝕率成反比”的相似結(jié)論，吳雪峰[4]則通過相關(guān)試驗分析認為，當鋼絲腐蝕速率高于百分之八時，一般未出現(xiàn)屈服性質(zhì)。腐蝕后鋼絞線的標稱彈性模量特性尚未達到一致的學術(shù)成果，其研究成果具有一定的差異性，但一致認為銹蝕率的增加會導致其彈性模量的降低。

盡管針對鋼絞線銹蝕后的靜力拉伸斷裂特性研究較少，但力學性能退化研究頗有進展。戴品強等[5]從微觀的角度出發(fā)，對珠光體裂紋的萌生和擴展機理進行了探索，認為鋼絲珠光體層片與拉伸軸間位向關(guān)系影響較大；Toribio等[6]利用人工刻痕的方式制作特定銹蝕源構(gòu)件，進而研究了拉拔程度對銹蝕后鋼絲斷裂特性的影響；李富民等[7]利用銹蝕鋼絞線進行拉伸斷裂特性的研究，將其斷口形式總結(jié)為四種，分別是杯錐式、銑刀式、劈裂式以及劈裂-銑刀式，為后續(xù)研究提供了依據(jù)；申麗娟等[8]通過預應力鋼絞線銹蝕后的靜力拉伸試驗，得到筆尖狀斷裂形狀，使得鋼絞線拉伸斷裂斷口形式得到了補充。

1 鋼絞線加速銹蝕

電化學的環(huán)節(jié)是形成鋼筋腐蝕的重中之重。鑒于鋼筋（鋼絞線）在實際工程中的腐蝕是十分長時間的環(huán)節(jié)，為了更好擁有諸多試驗所準備的銹鋼絞線，本文運用了改進的鋼筋。腐蝕法加速了腐蝕速率的控制而且擁有了生銹的鋼絞線試件[9]。因為鋼的腐蝕關(guān)鍵是面臨普通鋼的腐蝕規(guī)律，為了將它推廣應用到預應力鋼絞線，先對其進行修正。

1.1 鋼筋銹蝕定律

鋼腐蝕規(guī)律：電極界面處化學變化物質(zhì)的質(zhì)量與引入的電量是成正比的[10]。通常，在鋼筋的電化學腐蝕環(huán)節(jié)中，鋼筋的腐蝕損失質(zhì)量與電流強度的大小和通電的時間長度息息相關(guān)，可以根據(jù)公式（1）和（2）計算。

式中，各參數(shù)的定義見文獻[10]。

特定銹蝕率的鋼絞線試件制作通過控制電流密度和通電時間來完成。但上述公式主要適用于鋼筋而非鋼絞線，由于其截面構(gòu)成和材料成分皆不同于普通鋼筋，為將法拉第第一定律應用到鋼絞線電化學加速銹蝕中，需利用試驗對上述公式進行修正。

1.2 修正鋼筋銹蝕定律公式

試驗設置29組試件，共63根鋼絞線。4組12根長度均為30 cm，編號為GJ1-1~GJ4-3；3組3根長30 cm，每根10 cm范圍外包混凝土，編號為GJ17-GJ19；12組18根長度50 cm，編號為GJ5-1 ~GJ7-3和GJ8~GJ16；10組共30根長度為100 cm的鋼絞線，編號為GJ20-1~GJ29-3。30 cm、50 cm長的鋼絞線通電加速銹蝕試驗是為了修正鋼筋銹蝕定律公式，100 cm長的鋼絞線用于承載力試驗。

銹蝕電流密度分別取300 μA/cm2、600 μA/cm2實現(xiàn)加速銹蝕的目的，再通過鋼筋銹蝕定律（式3），計算出不同銹蝕率下的通電時間。

1.2.2 鋼筋銹蝕定律適用性修正修正鋼絲在達到既定的生銹時間，酸洗，干燥和稱重后取出。將鋼絞線浸泡在濃度為12％的稀鹽酸中。在達到相關(guān)的時間要求后，審查表面腐蝕的實際情況。若銹蝕產(chǎn)物被完全酸解，則肉眼可見無鐵銹等附著在上面，此時可將其用純凈水洗凈再烘干。通過試驗結(jié)果分析，實際銹蝕率與理論銹蝕率相比高出0.5倍，如（式4）所示。同時，銹蝕率越高，實際值與理論值越接近。若取修正系數(shù)=1.5，則鋼筋銹蝕定律公式將更適用鋼絞線加速銹蝕試驗。

1.3 鋼絞線加速銹蝕試驗

按修正后的鋼筋銹蝕定律公式加速銹蝕100 cm長鋼絞線（10組共30根長度為100 cm的鋼絞線，編號為GJ20-1~GJ29-3），再研究其靜態(tài)力學性能。

2 靜力拉伸銹蝕鋼絞線過程

2.1 銹蝕鋼絞線靜力拉伸試驗準備

在軸向拉力作用下測定材料的力學性能試驗方法即為拉伸試驗。本次拉伸試驗主要為得到鋼絞線的極限承載力、屈服力、總伸長率和彈性模量。最大試驗力按GB/T21839的規(guī)定確定。在WEW-600數(shù)字顯示萬能試驗機上進行30 cm和50 cm長的試樣的靜力拉伸試驗，在CEW-1000B計算機電腦屏鋼絞線試驗機上進行100 cm長的試樣的靜力拉伸試驗。如果鋼絞線試件的斷裂位置在試驗機夾頭內(nèi)或鋼雙股公稱直徑范圍內(nèi)，則試驗數(shù)據(jù)不符合標準，在統(tǒng)計分析中，不包括該組的實驗數(shù)據(jù)。使用標距長度的不成比例延伸（不小于一個捻距）來獲得引伸計標距0.2％的力（Fp0.2）作為屈服力，然后按公稱直徑截面積計算鋼絞線的抗拉強度。

2.2 銹蝕鋼絞線靜力拉伸試驗分析

圖1 GJ24-1荷載—拉伸變形關(guān)系

圖2 GJ25-1荷載—拉伸變形關(guān)系

圖3 GJ28-1荷載—拉伸變形關(guān)系

圖4 GJ29-2荷載—拉伸變形關(guān)系

由圖1~4分析得知，鋼絞線變形曲線的屈服段隨銹蝕程度的增加而逐漸減小，其最大破斷力與銹蝕程度成反比。觀察試樣GJ28-1得知，銹蝕鋼絞線突然斷裂，荷載——位移曲線出現(xiàn)陡然下降段，屈服段消失，此時的鋼絞線實際銹蝕率為9.1%。由此推斷，當銹蝕率大于9.1%后，鋼絞線不會出現(xiàn)屈服，而是直接發(fā)生脆性破壞。

3 銹蝕鋼絞線靜力拉伸試驗結(jié)果分析

3.1 銹蝕鋼絞線斷裂性能及斷口形式

該試驗結(jié)果表征清晰，具體如下：鋼絞線的最大破斷力直接受到銹蝕弱化影響，銹蝕后破斷力小于無銹蝕鋼絞線；當鋼絞線拉伸斷裂時，無銹鋼絞線的形狀是一樣的，隨著腐蝕速率的增加，生銹鋼絞線同時斷裂的鋼絲數(shù)量逐漸變少。鑒于在腐蝕鋼絞線的加速腐蝕環(huán)節(jié)中不均勻的蝕坑分布，且銹蝕程度不一，使得各根鋼絲的損傷程度有一定的差異性，從而導致銹蝕程度最嚴重的鋼絲在拉伸變形初期便首先斷裂，伴隨著銹蝕程度加劇，鋼絲損傷的差異性更加突出。進一步分析得知：銹蝕鋼絞線拉伸過程中最大破斷力出現(xiàn)時刻與第一批鋼絲斷裂的時刻基本一致，且最大破斷力與銹蝕程度存在負相關(guān)關(guān)系，銹蝕程度過大將發(fā)生脆性破壞。此時的銹蝕率可作為脆性破壞的判別依據(jù)。

圖5 鋼絞線斷口形式

試驗得到的鋼絲斷口形式具有一定特征，該特征基本與李富民[2]獲得的結(jié)論相符，破斷特征于圖5中示出。從圖5可以看出，圖5（a）和圖5（b）都發(fā)生頸縮現(xiàn)象，屬于延性破壞斷口；圖5（c）和圖5（d）未發(fā)生頸縮現(xiàn)象，屬于脆性破壞斷口。試驗結(jié)果表明，隨著銹蝕程度的不斷發(fā)展，鋼絞線更容易發(fā)生脆性破壞。

3.2 隨銹蝕率條件下的銹蝕鋼絞線力力學性質(zhì)的變化數(shù)據(jù)規(guī)律

3.2.1 名義屈服強度名義屈服強度采用鋼絞線殘余應變所對應的應力值。為使鋼絞線在斷裂破壞之前無明顯征兆，需再選擇合適的鋼絞線屈強比。其試驗結(jié)果如圖6（a）所示，擬合曲線得到該名義屈服強度和銹蝕率的統(tǒng)計公式（式5），其中相關(guān)系數(shù)為0.923。

R0.2=175293-16.52(5)

3.2.2 名義極限強度鋼絞線的首根鋼絲斷裂時的拉力與鋼絞線公稱面積的比值可作為試驗獲得的名義極限強度。由圖1~4分析得知，名義極限強度與銹蝕率成反比具體函數(shù)關(guān)系如圖6（b）所示，與文獻[6,8]中得到的擬合結(jié)果相比，數(shù)據(jù)離散小較小，其名義腐蝕速率與極限強度和的擬合見圖6，相關(guān)系數(shù)是0.947。

R=1956.75-36.250≤≤10.9 (6)

3.2.3 名義彈性模量 標稱彈性模量無銹損壞鋼絞線本構(gòu)曲線中彈性相的斜率值可用作生銹鋼絞線的標稱彈性模量。在本文中，鋼絞線的標稱彈性模量是通過測試儀器獲得的。其與銹蝕率的關(guān)系如圖6（c）所示，其擬合曲線公式如式7所示，相關(guān)系數(shù)為0.86。

=213.43-2.650≤≤10.9 (7)

3.2.4 極限延伸率鋼絞線受到其材料限制，延性相對較差，隨著銹蝕程度的不斷增加，蝕坑加深、擴展，應力集中愈加明顯，同時由于不可忽略的泊松比，鋼絞線橫向收縮，故面積不斷減小，極大程度地削弱了其延性。試驗中發(fā)現(xiàn)，其銹蝕率接近某限值時，鋼絞線拉伸變形屈服平臺逐漸消失，即刻發(fā)生脆性破壞。于本次試驗，前述銹蝕率限值可確定為10.9%。根據(jù)圖6（d）散點圖進行線性擬合，可得極限延伸率與銹蝕率關(guān)系（式8），其相關(guān)系數(shù)為0.908。

A=4.83-0.3750≤≤10.9 (8)

圖6 鋼絞線力學性能隨銹蝕率變化

4 結(jié)語

本文通過實驗，修正沿用在鋼筋中的銹蝕定律模型，以適用于鋼絞線的加速腐蝕；根據(jù)改進的試驗-經(jīng)驗公式，鋼絞線加速生銹;對銹蝕鋼絞線進行了靜態(tài)拉伸試驗，總結(jié)了腐蝕鋼絞線的靜力學性能。作為腐蝕速率函數(shù)的性能定律（標稱屈服強度，標稱極限強度，標稱彈性模量，極限伸長率）。結(jié)果表明，腐蝕鋼絞線的力學性能與腐蝕速率呈線性關(guān)系，伴隨腐蝕速百分比數(shù)據(jù)的增加，其各項力學性能指標皆呈現(xiàn)下降趨勢；本文試驗結(jié)果的離散性相較于其他作者更小，可靠性更高；通過銹蝕鋼絞線斷口形式分析得知，銹蝕率的增大將導致延性降低，使之更容易發(fā)生脆性破壞。

[1] Vehovar L, Kuhar V, Vehovar A. Hydrogen-assisted stress-corrosion of prestressing wires in a motoway viaduct[J]. Engineering Failure Analysis,1998,5(1):21-27

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[10] 楊綺琴,方北龍,童葉翔.應用電化學[M].第2版.廣州:中山大學出版社,2005:112-118

Experimental Study on Accelerated Corrosion and Mechanical Properties of Steel Strands

SUN Li-ya1, YE Zhong-ming2, PENG Wei2*

1.322100,2.315100,

As a common prestressing structural material, the durability of steel strand has affected by many factors. Corrosion will lead to degradation of mechanical properties of steel strand and further reduce its durability. Corrosion formula used in reinforced accelerated corrosion was amended through the experiments; Steel strand accelerated corrosion test was carried out according to the revised experience formula; the static tensile test of corroded steel strand was carried out, too. Static mechanical properties with the corrosion rate of corroded steel strands were conducted. The results could provide further reference for durability evaluation of suspenders and cable structures.

Steel strand; mechanical properties; accelerated corrosion

TU528.02

A

1000-2324(2019)02-0228-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.011

2018-05-23

2018-07-02

國家自然科學基金項目:近海環(huán)境斜拉索風致疲勞損傷的磁流變阻尼器控制(51478430)

孫麗雅(1977-),女,碩士,副教授,主要研究方向為土木建筑工程. E-mail:625022300@qq.com

Author for correspondence. E-mail:pengw@nit.net.cn