模擬酸雨腐蝕鋼絞線蝕坑幾何尺寸分布規(guī)律

許開成，陳 銳，彭愛(ài)紅，黃文意，曹艷明

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013；2.江西省交通工程集團(tuán)建設(shè)有限公司，江西 南昌330029）

隨著工業(yè)化的進(jìn)程不斷推進(jìn)，酸雨問(wèn)題也越來(lái)越突出，我國(guó)是全球三大酸雨區(qū)之一，全球強(qiáng)酸雨中心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)，包括南昌、長(zhǎng)沙等地的華中區(qū)域已經(jīng)超過(guò)西南酸雨區(qū)成為我國(guó)目前最大的酸雨污染區(qū)[1-2]。混凝土微觀結(jié)構(gòu)由于酸雨中的鹽類（如氯鹽、硫酸鹽等）長(zhǎng)期侵蝕慢慢產(chǎn)生微裂縫[3]，耐久性逐漸劣化，外部荷載耦合作用下更會(huì)加速劣化[4]，對(duì)于鋼筋或預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)慢慢失效。在服役過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力筋自身截面積小，又處于高應(yīng)力狀態(tài)，因而預(yù)應(yīng)力筋對(duì)腐蝕環(huán)境極度敏感[5]。若因混凝土的劣化而使預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境中，其腐蝕速度會(huì)快速增長(zhǎng)，一旦預(yù)應(yīng)力筋因應(yīng)力腐蝕而斷裂，混凝土結(jié)構(gòu)也會(huì)迅速開裂破壞，這將引起重大工程事故，嚴(yán)重危害經(jīng)濟(jì)和生命安全。

酸雨腐蝕已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，酸雨腐蝕后的鋼絞線性能退化成為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的重要問(wèn)題。由于鋼絞線鋼絲的腐蝕蝕坑具有明顯特征，而其受拉性能退化程度及概率特征可能由蝕坑的幾何形狀及其尺寸分布特征所決定，研究鋼絞線在模擬酸雨環(huán)境下的腐蝕蝕坑的幾何形狀和尺寸分布特征有利于進(jìn)一步研究其受拉性能[6]。Tuutti[7]對(duì)比自然腐蝕和加速腐蝕下，鋼筋表面的蝕坑數(shù)，形狀及其尺寸分布特征，發(fā)現(xiàn)鋼筋最大蝕坑深度可達(dá)到平均深度的4～10倍，而Gonzalez等[8]指出這個(gè)比值為4～8倍。Darmawan等[9]對(duì)氯鹽環(huán)境下鋼絞線鋼絲的最大坑深分布特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明蝕坑最大深度服從Grumbel極值-I型分布。翁永基等[10-11]統(tǒng)計(jì)了低碳鋼板蝕坑的深度和直徑，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)尺寸的分布具備分形特征。李富民等[6]在此基礎(chǔ)上將氯鹽腐蝕鋼絞線蝕坑形狀抽象概括為橢球形和馬鞍形，發(fā)現(xiàn)蝕坑長(zhǎng)度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，蝕坑深度不服從常見(jiàn)分布，兩者具有明顯分形特征；而蝕坑寬度近似服從正態(tài)分布，無(wú)明顯分形特征。

目前，在腐蝕鋼絞線蝕坑尺寸分布研究方面，已有文獻(xiàn)多集中于氯鹽環(huán)境下鋼絞線的腐蝕，酸雨腐蝕鋼絞線蝕坑研究這方面還不夠深入。為獲得酸雨腐蝕鋼絞線蝕坑幾何尺寸分布特征，采用模擬酸雨溶液腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并對(duì)其蝕坑形狀及其密度、長(zhǎng)度、寬度和深度的分布特征分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)鋼絞線的蝕坑形狀及其尺寸分布規(guī)律可進(jìn)一步分析腐蝕后鋼絞線的受拉性能。我國(guó)酸雨屬于硫酸型，本文模擬酸雨腐蝕鋼絞線的研究，對(duì)實(shí)際工程中鋼絞線腐蝕情況和性能分析具有一定的參考意義。

1 材料與方法

1.1 材料

本文腐蝕鋼絞線取自于模擬酸雨環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，鋼絞線采用?s15.2（1×7）1 860級(jí)鋼 絞線，成分（mass%）：0.76 C，0.60 Mn，0.26 Si，0.024 P，0.025 S，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 鋼絞線性能指標(biāo)Tab.1 The performance of steel strand

梁試件所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C50設(shè)計(jì)，水泥是42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用贛江中砂，Ⅱ區(qū)級(jí)配，粗骨料選用連續(xù)級(jí)配5～25 mm碎石。混凝土質(zhì)量配合比為水∶水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶氯化鈉=0.42∶1∶1.19∶2.53∶0.04。本試驗(yàn)采用固含量為19.8%的聚羧酸高效減水劑，其減水率為31%，實(shí)際摻量為水泥質(zhì)量的1%。

綜合分析江西省氣象資料[12]確定模擬酸雨溶液的成分并將模擬酸雨溶液pH值調(diào)節(jié)為4.5，每升水加入的化學(xué)試劑配比如下：硫酸鈉0.994 g，硫酸鎂0.240 g，硫酸銨0.132 g，硝酸鈣0.164 g，氯化鈉0.012 g。

1.2 方法

試驗(yàn)采用內(nèi)摻鹽加速腐蝕的方法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼絞線進(jìn)行研究，共制作了4根100 mm×160 mm×1 000 mm后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁。在梁試件養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，張拉完成后有效預(yù)應(yīng)力約1 100 MPa。梁試件制作完成后放入模擬酸雨溶液中進(jìn)行腐蝕，采用室內(nèi)全浸泡腐蝕，腐蝕時(shí)間分別為2 000，4 000，6 000 h和8 000 h。

腐蝕完成后對(duì)梁進(jìn)行破形，取出鋼絞線試件，在腐蝕段截取80 cm稱重，按照規(guī)范GB/T 50082-2009的要求打磨除銹后稱重，完成腐蝕率（即失重率）的測(cè)定。測(cè)量和統(tǒng)計(jì)鋼絞線蝕坑幾何參數(shù)，其內(nèi)容分別是：蝕坑幾何形狀和分布密度，蝕坑長(zhǎng)度L，蝕坑寬度W，蝕坑深度H。蝕坑計(jì)數(shù)原則是H≥0.1 mm，且L≥1 mm或者W≥1 mm。用數(shù)顯卡尺測(cè)量L和W，精度為0.01 mm；用單尖頭電子螺旋測(cè)微器測(cè)量H，精度為0.001 mm。

2 蝕坑的幾何形狀與分布密度

2.1 蝕坑的幾何形狀

通過(guò)對(duì)腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的觀察發(fā)現(xiàn)，鋼絞線表面具有較明顯的蝕坑特征，蝕坑隨機(jī)分布在外表面或者兩股鋼絲交接處，而且蝕坑大量集中出現(xiàn)在與空氣接觸的預(yù)留洞口附近，這表明氧氣能促進(jìn)鋼絞線的腐蝕，增大鋼絞線局部腐蝕率。劈散鋼絞線后外圍與中心鋼絲之間可見(jiàn)大量紅銹，處理后無(wú)明顯蝕坑，說(shuō)明此處幾乎未受到模擬酸雨溶液腐蝕作用，對(duì)比未腐蝕鋼絞線可知，這是由于存放時(shí)暴露在空氣中形成的銹蝕。

鋼絞線蝕坑形狀多不規(guī)則，如圖1所示簡(jiǎn)單抽象為3類蝕坑形狀，分別為橢球形、馬鞍形和棱錐形。橢球形蝕坑特點(diǎn)是內(nèi)表面向內(nèi)凹進(jìn)，沿鋼絲縱軸線呈長(zhǎng)形，兩端為弧形，形似橢球；馬鞍形蝕坑特點(diǎn)是沿鋼絲橫軸線呈長(zhǎng)形，沿縱軸線兩端向內(nèi)凸出，似馬鞍形；棱錐形蝕坑特點(diǎn)是通過(guò)蝕坑縱、橫斷面輪廓線總體呈下?lián)闲螤?，蝕坑深度略深，沿鋼絲縱軸方向兩端有尖角，形似棱錐。從微觀組織結(jié)構(gòu)層面分析，每根鋼絲由許多不同的珠光體團(tuán)[13]構(gòu)成。珠光體團(tuán)沿鋼絲縱軸排列，呈長(zhǎng)條狀或長(zhǎng)板狀，其中同一個(gè)珠光體團(tuán)其內(nèi)部自身電化學(xué)特性相似，而不同珠光體團(tuán)的電化學(xué)特性則不同，腐蝕發(fā)展更多地集中在某部分珠光體團(tuán)內(nèi)部[6]；因而會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)形的橢球形蝕坑或棱錐形蝕坑，當(dāng)腐蝕沿著橫斷面進(jìn)行，則形成馬鞍形蝕坑。

2.2 蝕坑的分布密度

鋼絞線的腐蝕率、蝕坑形狀及蝕坑密度分布如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制蝕坑占比如圖2所示，蝕坑密度及相對(duì)增長(zhǎng)率如圖3所示。在同一腐蝕率下，棱錐形蝕坑數(shù)量最少；PS2～PS4鋼絞線上馬鞍形蝕坑數(shù)量最多，而在PS1鋼絞線上則是橢球形蝕坑數(shù)量最多，但與馬鞍形蝕坑數(shù)量相差不多。

圖1 蝕坑幾何形狀圖Fig.1 The geometry diagram of pits

表2 蝕坑形狀及蝕坑密度分布表Tab.2 Distribution of density and geometric configuration of pits

圖2 蝕坑占比Fig.2 Percentage of various pits

結(jié)合圖2看，隨著腐蝕率的增大，3類蝕坑占比趨于穩(wěn)定。其中，棱錐形蝕坑在腐蝕率為1.32%時(shí)，占比最大，之后占比減小?？赡苁怯捎诟g初期，腐蝕以點(diǎn)為中心均勻向四周進(jìn)行發(fā)展，不同類型的蝕坑均有形成；早期主要沿鋼絲縱向發(fā)展，故長(zhǎng)形的蝕坑較多，以橢球形蝕坑為主；棱錐形蝕坑可能是由于長(zhǎng)板狀珠光體團(tuán)寬度垂直鋼絲橫斷面，腐蝕向深度發(fā)展形成的，棱錐形蝕坑形成條件相對(duì)較難，故棱錐形蝕坑最少。

隨著腐蝕的進(jìn)行，腐蝕深度加深，呈現(xiàn)出腐蝕沿橫斷面進(jìn)行的現(xiàn)象，此時(shí)馬鞍形蝕坑最多。在不同腐蝕率下，總蝕坑數(shù)隨腐蝕率的增加而增加，棱錐形與橢球形蝕坑在腐蝕率達(dá)到一定值后，基本不再增加，而馬鞍形蝕坑仍在不斷增加，這表明腐蝕的進(jìn)行伴隨著新蝕坑的不斷產(chǎn)生和舊蝕坑在幾何尺寸上的不斷擴(kuò)展。

圖3 蝕坑密度及相對(duì)增長(zhǎng)率Fig.3 Density of pits and relative increase rate

從圖3可知，與總蝕坑數(shù)相對(duì)應(yīng)的蝕坑密度也是遞增，但是顯然相對(duì)增長(zhǎng)速率在不斷減小，這表明在腐蝕初期，未腐蝕區(qū)域較多，多個(gè)腐蝕點(diǎn)同時(shí)開始腐蝕，蝕坑增長(zhǎng)速率較快。隨著腐蝕的進(jìn)行，未腐蝕區(qū)域面積減小，且蝕坑表面附著的腐蝕產(chǎn)物阻礙了蝕坑的發(fā)展，甚至是相鄰蝕坑出現(xiàn)貫通，盡管蝕坑尺寸增加但數(shù)量減少了。

3 蝕坑幾何尺寸分布特征

3.1 同一腐蝕率下蝕坑幾何尺寸分布特征

在本試驗(yàn)腐蝕率范圍中，為了更好地分析在同一腐蝕率下的蝕坑幾何尺寸的分布規(guī)律，分別對(duì)蝕坑長(zhǎng)度L、寬度W及深度H做頻率分布分析，并對(duì)其進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)或?qū)?shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)。

鋼絞線蝕坑長(zhǎng)度1.10 mm≤L≤12.39 mm，在α0.01顯著水平下，顯著性系數(shù)α分別為0.000，0.000，0.001，0.001，4個(gè)樣本均不服從正態(tài)分布；顯著性系數(shù)α分別為0.085，0.012，0.348，0.220，4個(gè)樣本均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。蝕坑寬度0.64 mm≤W≤4.85 mm，在α0.01顯著水平下，顯著性系數(shù)α分別為0.389，0.000，0.000，0.139，4個(gè)樣本中有2個(gè)服從正態(tài)分布；在α0.01顯著水平下，顯著性系數(shù)分別為0.729，0.011，0.003，0.701，4個(gè)樣本中有3個(gè)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。蝕坑深度0.086 mm≤H≤1.078 mm，在α0.01顯著水平下，顯著性系數(shù)α分別為0.557，0.005，0.174，0.102，有1個(gè)不服從正態(tài)分布，但對(duì)數(shù)正態(tài)分布漸進(jìn)；顯著性系數(shù)α為0.385，0.295，0.031，0.366，4個(gè)樣本都服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。蝕坑長(zhǎng)度完全不服從正態(tài)分布，而全部服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；寬度不完全不服從正態(tài)分布，近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；深度近似服從正態(tài)分布，全部服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

綜上，可以認(rèn)為鋼絞線蝕坑長(zhǎng)度不服從正態(tài)分布，深度均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，而寬度只是近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。綜合分析蝕坑幾何尺寸在同一腐蝕率下的分布特征，其整體分布特征是相對(duì)短、窄、中深的蝕坑分布較多，而長(zhǎng)、寬、深或者長(zhǎng)、寬、淺的蝕坑分布相對(duì)較少。

3.2 不同腐蝕率下蝕坑幾何尺寸分布特征

分形是一種描述復(fù)雜現(xiàn)象揭示其簡(jiǎn)單相似組分規(guī)律性的非線性科學(xué)理論，可借助分形理論橫向?qū)Ρ炔煌g率鋼絞線蝕坑分布研究其幾何尺寸分布特征。在現(xiàn)代分形體系中，分形維數(shù)被用來(lái)描述一個(gè)隨機(jī)體系的復(fù)雜程度[14]，分形維數(shù)的D表達(dá)式為

式中：ε為測(cè)量時(shí)指定的單元尺度；Nε為使用單元尺度ε時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)量；D為豪斯多夫分形維數(shù)，每個(gè)分形體系的分形維數(shù)D為定值。

圖4為根據(jù)4個(gè)樣本坑長(zhǎng)分布直方圖，取L的區(qū)間中值的自然對(duì)數(shù)ln L作為橫坐標(biāo)，L出現(xiàn)的概率P的自然對(duì)數(shù)ln P作為縱坐標(biāo)繪制的分形特征圖。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，樣本中大部分散點(diǎn)明顯具有線性趨勢(shì)，這也就表明了其分布的分形特征，即趨勢(shì)線的斜率是其分布分維。

總體來(lái)看，蝕坑長(zhǎng)度L的分布分維D隨著鋼絞線腐蝕率的增大而增大?？紤]兩類極限情況，一是完全的均勻腐蝕，所有蝕坑的長(zhǎng)度都相同，該情況下對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)D=∞；二是完全的不均勻腐蝕，各蝕坑長(zhǎng)度L出現(xiàn)的概率相同，該情況下對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)D=0。隨著鋼絞線腐蝕率的增大，蝕坑長(zhǎng)度逐漸趨于一致。同一腐蝕率下，腐蝕早期階段，鋼絲上受腐蝕區(qū)域較小，大量的點(diǎn)蝕坑不斷出現(xiàn)，而老蝕坑在長(zhǎng)度上的拓展伴隨著新蝕坑的出現(xiàn)，新、老蝕坑的長(zhǎng)度差值明顯，長(zhǎng)、短蝕坑出現(xiàn)的概率相同。圖4（b）～圖4（d）中左側(cè)奇異點(diǎn)的出現(xiàn)可能由于新蝕坑生成速度減緩；而圖4（a）和圖4（d）右側(cè)的奇異點(diǎn)的出現(xiàn)可能是由于蝕坑之間的貫通形成更長(zhǎng)蝕坑。由此可知，隨著腐蝕的發(fā)展，新蝕坑的生成逐漸減慢，以老蝕坑的發(fā)展為主，又因?yàn)殚L(zhǎng)蝕坑的腐蝕產(chǎn)物較多阻礙了長(zhǎng)蝕坑的發(fā)展，而短蝕坑的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)作用較小。相對(duì)而言，短蝕坑的腐蝕比長(zhǎng)蝕坑更快，然后隨著腐蝕發(fā)展，其長(zhǎng)度將逐漸趨于一致。不同腐蝕率下，分維分布點(diǎn)總體趨勢(shì)上相同，可將腐蝕率大小轉(zhuǎn)化為腐蝕發(fā)展階段來(lái)分析，腐蝕率較小的可當(dāng)作為腐蝕早期，蝕坑長(zhǎng)度差異較大，反之則為腐蝕后期，蝕坑長(zhǎng)度相差不大。

圖5為4個(gè)樣本的蝕坑寬度分形特征圖，顯然在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，PS1與PS4的線性擬合不是很好，線性方程相關(guān)系數(shù)R2分別為0.521 1和0.666 5，表明蝕坑寬度不具有分形特征。從前面的蝕坑寬度分布直方圖統(tǒng)計(jì)分析中得到，4個(gè)樣本的蝕坑寬度均值分別為1.59，1.61，1.76和1.84，顯然蝕坑寬度均值隨腐蝕率增大而增大，蝕坑多數(shù)聚集在窄和中寬之間，表明各層次蝕坑寬度均衡增大。

圖4 蝕坑長(zhǎng)度分形特征圖Fig.4 Fractal characteristics of pits length

圖6為4個(gè)樣本的蝕坑深度分形特征圖，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，大部分分維分布散點(diǎn)具有明顯的線性趨勢(shì)，表明蝕坑深度具有一定的分形特征。總體而言，與蝕坑長(zhǎng)度相同，蝕坑深度的分布分維隨著腐蝕率的增大而增大?？紤]兩類極限狀態(tài)，當(dāng)分形維數(shù)D=∞時(shí)，各蝕坑腐蝕均勻發(fā)展，深度完全相同；當(dāng)分形維數(shù)D=0時(shí)，各蝕坑發(fā)展不均勻，不同深度具有相同出現(xiàn)概率。隨腐蝕率的增大，坑深的分布也表現(xiàn)出了逐漸接近的趨勢(shì)，坑深的分布形成原因與坑長(zhǎng)相同。

圖5 蝕坑寬度分形特征圖Fig.5 Fractal characteristics of pits width

圖6 蝕坑深度分形特征圖Fig.6 Fractal characteristics of pits depth

綜上可知，隨著腐蝕率的增大，各蝕坑的幾何尺寸逐漸趨于一致，蝕坑坑長(zhǎng)多分布在較小值附近，坑深多分布在中值附近，坑寬多分布在較小值和中值。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)4根鋼絞線上550個(gè)蝕坑的觀察，模擬酸雨腐蝕鋼絞線蝕坑形狀可分為3類，分別為棱錐形、橢球形和馬鞍形。

2）模擬酸雨腐蝕鋼絞線的蝕坑密度隨腐蝕率的增大而增大，但其相對(duì)增長(zhǎng)率減小。

3）同一腐蝕率下，蝕坑長(zhǎng)度不服從正態(tài)分布，與深度均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，寬度只是近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；蝕坑幾何尺寸的整體分布特征是相對(duì)短、窄、深的蝕坑分布較多，而長(zhǎng)、寬、深或者長(zhǎng)、寬、淺的蝕坑分布相對(duì)較少。

4）不同腐蝕率下，鋼絞線的蝕坑長(zhǎng)度和深度有明顯的分形特征，而蝕坑寬度無(wú)明顯的分形特征；隨著腐蝕率的增大，各蝕坑的幾何尺寸逐漸趨于一致，蝕坑坑長(zhǎng)多分布在較小值附近，坑深多分布在中值附近，坑寬多分布在較小值和中值。