交變荷載和氯鹽環(huán)境耦合作用下鋼絞線的腐蝕特征及力學(xué)性能

喻宣瑞，姚國(guó)文，鐘 浩，蔣一星

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

氯鹽環(huán)境下，由氯離子侵蝕所誘發(fā)的拉索內(nèi)鋼絞線銹蝕是導(dǎo)致索承式橋梁耐久性失效破壞的重要原因［1］.因此揭示氯離子對(duì)鋼絞線的腐蝕規(guī)律及侵蝕過(guò)程中鋼絞線力學(xué)性能變化過(guò)程，對(duì)評(píng)價(jià)索承式橋梁安全性能，提高結(jié)構(gòu)物在惡劣環(huán)境下的耐久性具有一定理論意義和工程價(jià)值［2］.

起初，絕大部分研究?jī)H考慮交變荷載對(duì)鋼絞線耐久性的影響，如Mayrbaurl等［3］分析了交變荷載對(duì)索承式橋梁承載能力的影響，得到鋼絞線的破壞模式；李先立等［4］通過(guò)物理模型試驗(yàn)，揭示了交變荷載應(yīng)力幅對(duì)高強(qiáng)鍍鋅鋼絲的破壞規(guī)律，并采用可靠度的方法對(duì)鋼絲疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).但上述研究?jī)H考慮了交變荷載對(duì)鋼絞線力學(xué)性能的影響，而忽視了氯鹽環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)壽命的作用.為此，Khaled等［5］依托相關(guān)工程案例，探究鋼絞線的腐蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋼絞線與水、氯離子三者之間易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氯離子在整個(gè)反應(yīng)中起到催化劑作用，故反應(yīng)一旦發(fā)生，將會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去，直至鋼絞線斷裂.鋼絞線的腐蝕種類大致分為2類：析氫腐蝕和吸氧腐蝕［6］.析氫腐蝕更容易在酸性條件下發(fā)生，而吸氧腐蝕更容易在堿性或者中性環(huán)境下進(jìn)行.對(duì)鋼絞線的腐蝕分為3個(gè)階段：蝕坑萌芽、蝕坑衍生、裂紋形成（包括短裂紋的形成、長(zhǎng)裂紋的形成）［7］.Quesnay等［8］發(fā)現(xiàn)蝕坑是影響鋼絞線安全性能及疲勞壽命的關(guān)鍵因素，在拉力作用下，蝕坑位置處形成明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋易從該處衍生，導(dǎo)致鋼絞線安全性能降低.

然而大多數(shù)研究?jī)H考慮荷載對(duì)鋼絞線耐久性的影響，或者分別考慮交變荷載和氯鹽環(huán)境對(duì)其耐久性的作用，而未考慮氯鹽環(huán)境和荷載的耦合作用.在實(shí)際工程中，鋼絞線往往承受二者共同作用，故對(duì)該問(wèn)題應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步深入研究.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)開(kāi)展鹽霧腐蝕試驗(yàn)，在不同應(yīng)力幅和氯鹽環(huán)境共同作用下模擬鋼絞線腐蝕規(guī)律，并基于灰度處理方法從細(xì)觀層面上量化鋼絞線腐蝕形態(tài)，通過(guò)對(duì)鋼絞線進(jìn)行腐蝕分區(qū)，得到鋼絞線抗拉強(qiáng)度和延伸率與腐蝕率之間的關(guān)系.采用工業(yè)電子顯微鏡觀察各腐蝕區(qū)鋼絞線的破壞規(guī)律，分析了不同腐蝕等級(jí)下鋼絞線的疲勞壽命.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及試驗(yàn)儀器

鋼絞線由中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，直徑為15.2 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，表面鍍鋅層厚度為0.2 mm，單根鋼絲鍍鋅層質(zhì)量不小于110 g/m2，每根鋼絞線長(zhǎng)度為5.4 m.試驗(yàn)儀器的名稱、型號(hào)技術(shù)參數(shù)等如表1所示.將試件分為20組，每組3根.分別以5、15、30 d為周期進(jìn)行試驗(yàn)，所施加的應(yīng)力幅（Δσ）分別為100、200、300 MPa，最大循環(huán)荷載為744 MPa，即0.4fptk（fptk為鋼絞線極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）［9］.整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)720 h，以Δσ＝200 MPa為例，其加載示意圖如圖1所示.

圖1 交變荷載加載示意圖Fig.1 Loading schematic diagram of alternating load

表1 試驗(yàn)儀器Table 1 Test instruments

1.2 試驗(yàn)條件

綜合考慮溫度、濕度及氯離子質(zhì)量濃度對(duì)試驗(yàn)的影響，同時(shí)為保證試驗(yàn)精度，本文參照ASTIM G85-94《Standard practice for modified salt spray（fog）testing》來(lái)配置氯鹽溶液.該溶液由氯化鈉、水、氯化銅及醋酸組成，其pH值為3.1～3.3，試驗(yàn)溫度設(shè)置為25℃.氯鹽溶液配置步驟如下：先將氯化鈉溶于水，質(zhì)量濃度控制在50 g/L左右；再往鹽溶液中加入0.26～0.28 g/L氯化銅；最后加入醋酸，以保持酸性環(huán)境.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用鉻酸溶液清洗鋼絞線后，為防止鹽霧中的氯離子腐蝕鋼絞線基體，用自來(lái)水沖洗鋼絞線，冷風(fēng)吹干靜置.向清洗鋼絞線后的鉻酸溶液中加入KSCN（硫氰化鉀），溶液變紅，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Fe3＋.采用KYKY-2008B電子顯微鏡將鋼絞線斷面放大6 000倍，其SEM照片如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，在交變荷載和氯鹽環(huán)境耦合作用下，鋼絞線表面出現(xiàn)大量蝕坑，且裂紋從蝕坑周圍衍生，其中部分裂紋有進(jìn)一步擴(kuò)展趨勢(shì)，裂紋最大長(zhǎng)度可達(dá)5 mm.

圖2 鋼絞線蝕坑的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of steel strand corrosion pit

當(dāng)腐蝕時(shí)間為720 h時(shí)，鋼絞線局部腐蝕部位灰度處理結(jié)果如表2所示.

表2 鋼絞線局部腐蝕部位灰度處理結(jié)果Table 2 Gray processing results of local corrosion of steel strand

由表2可見(jiàn)：當(dāng)應(yīng)力幅為100 MPa時(shí)，鋼絞線表面較為平整，蝕坑深度較小，但密度較大，部分鍍鋅層仍存在，個(gè)別蝕坑直徑約為40μm；當(dāng)應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，鋼絞線表面出現(xiàn)了大量蝕坑，且蝕坑深度明顯大于應(yīng)力幅為100 MPa時(shí)，個(gè)別蝕坑直徑達(dá)到55μm，部分蝕坑已聯(lián)合貫通形成裂紋；當(dāng)應(yīng)力幅為300 MPa時(shí)，鋼絞線表面出現(xiàn)大面積腐蝕，鍍鋅層完全被破壞，大量小蝕坑已聯(lián)合貫通形成較大蝕坑，個(gè)別蝕坑直徑可達(dá)75μm，蝕坑位置處產(chǎn)生明顯裂紋，部分裂紋已經(jīng)開(kāi)始衍生，鋼絞線壽命受到嚴(yán)重影響.

將色調(diào)值在110以下的數(shù)值定義為蝕坑［9］，導(dǎo)出色調(diào)分布直方圖，并統(tǒng)計(jì)分布量來(lái)計(jì)算鋼絞線的蝕坑密度，所得結(jié)果如表3所示.

表3 不同交變荷載作用下的灰度直方圖數(shù)據(jù)Table 3 Grayscale histogram data under different loading conditions

由表3可知，灰度直方圖總頻數(shù)為398 034，對(duì)于應(yīng)力幅為100、200、300 MPa這3種工況，色調(diào)值小于等于110的頻數(shù)總和分別為126 541、156 777、247 975.將色調(diào)值小于等于110的頻數(shù)總和所占總頻數(shù)的百分比定義為鋼絞線的腐蝕率［10-11］，得到3種工況下鋼絞線的腐蝕率分別為32.1%、39.4%、62.3%.參照文獻(xiàn)［12-13］，按照灰度處理結(jié)果對(duì)鋼絞線進(jìn)行腐蝕分區(qū)，如表4所示.由表4可知，在應(yīng)力幅為100、200、300 MPa時(shí)，鋼絞線所對(duì)應(yīng)的腐蝕區(qū)分別為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū).將位移增長(zhǎng)量控制在1 mm/min［14］，通過(guò)對(duì)不同腐蝕等級(jí)的鋼絞線施加1 860 MPa拉應(yīng)力，得到鋼絞線抗拉強(qiáng)度、延伸率與腐蝕率之間的關(guān)系，如圖3所示.由圖3可知：鋼絞線的抗拉強(qiáng)度與腐蝕率之間的相關(guān)系數(shù)為0.95；鋼絞線的延伸率與腐蝕率之間的相關(guān)系數(shù)為0.93，表明擬合結(jié)果具有較高精度.鋼絞線抗拉強(qiáng)度、延伸率與腐蝕率之間的關(guān)系如式（1）、（2）所示.

圖3 鋼絞線抗拉強(qiáng)度、延伸率與腐蝕率的關(guān)系Fig.3 Relationship between tensile strength，elongation and corrosion rate of steel strand

表4 鋼絞線腐蝕分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Division standard of steel strand［12-13］

式中：σut為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，MPa；ε為鋼絞線延伸率，%；Δw為腐蝕率，%.

從上述結(jié)果可知：鋼絞線的抗拉強(qiáng)度與其腐蝕率服從指數(shù)分布；鋼絞線的延伸率與其腐蝕率服從線性分布.

3 鋼絞線破壞模式

采用電子顯微鏡對(duì)鋼絞線典型破壞斷面放大1 000倍進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，鋼絞線斷裂的原因是由蝕坑所引起的.蝕坑作為潛在疲勞源，當(dāng)鋼絞線的開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子（ΔK，MPa·m1/2）大于其開(kāi)裂韌性值時(shí)，裂紋易從該位置處延伸.ΔK計(jì)算表達(dá)式［15］為：

圖4 鋼絞線斷面破壞模式Fig.4 Fracture failure modes of steel strands

式中：Δσ0為應(yīng)力變化幅值，MPa；Area為疲勞源擴(kuò)展區(qū)面積，μm2.

根據(jù)鋼絞線疲勞源擴(kuò)展區(qū)面積計(jì)算結(jié)果（圖5），通過(guò)式（3）計(jì)算得到不同腐蝕區(qū)鋼絞線的ΔK，如圖6所示.由圖6可見(jiàn)：鋼絞線腐蝕率與ΔK的增長(zhǎng)有較為顯著的關(guān)系；隨著鋼絞線腐蝕程度的加深，其ΔK顯著增大.研究表明，鋼絞線的開(kāi)裂韌性值為6～8 MPa·m1/2［8］.以ΔK＝7.5 MPa·m1/2為例，由圖6還可知，腐蝕區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的鋼絞線發(fā)生開(kāi)裂的概率分別為28.5%、30.4%、37.8%、45.7%.當(dāng)鋼絞線裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，其斷裂應(yīng)力因子（KI，MPa·m1/2）超過(guò)材料本身斷裂韌性值，鋼絞線瞬斷.KI計(jì)算表達(dá)式為：

圖5 鋼絞線疲勞源擴(kuò)展區(qū)面積Fig.5 Fatigue source defect area of steel strand

圖6 鋼絞線開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子Fig.6 Fatigue crack propagation threshold of steel strands

式中：Y為裂紋形狀因子；σ為試件兩端所承受的應(yīng)力，MPa；a為蝕坑深度.

圓柱體表面橢圓裂紋形狀因子計(jì)算式［15］為：

式中：Φ為鋼絞線直徑；b為蝕坑寬度；Cij取值范圍見(jiàn)表5［15］.

表5 Cij的取值范圍Table 5 Values of coefficient Cij［15］

各腐蝕區(qū)鋼絞線的斷裂應(yīng)力因子計(jì)算結(jié)果如表6所示.由表6可知，鋼絞線腐蝕程度越嚴(yán)重，其斷裂應(yīng)力因子值越低.在不同應(yīng)力幅作用下，其破壞模式又存在著較大區(qū)別，當(dāng)所施加應(yīng)力幅較大時(shí)，鋼絞線腐蝕較為嚴(yán)重，易發(fā)生單疲勞源破壞（圖4（a））.原因在于，施加應(yīng)力幅越大，鋼絞線的裂紋擴(kuò)展速率越大，開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子更加容易達(dá)到開(kāi)裂韌性值，裂紋貫穿鋼絞線整個(gè)截面，使得鋼絞線迅速斷裂.隨著應(yīng)力幅的減小，鋼絞線腐蝕程度降低，此時(shí)裂紋難以從一個(gè)方向衍生并貫穿整個(gè)截面，故裂紋從多個(gè)蝕坑衍生，相互貫穿，形成多疲勞源破壞.當(dāng)處于低應(yīng)力幅狀態(tài)，如應(yīng)力幅為100 MPa時(shí)，各疲勞源處裂紋無(wú)法短時(shí)間貫穿斷面，鋼絞線易出現(xiàn)分層破壞.

表6 鋼絞線斷裂應(yīng)力因子計(jì)算結(jié)果Table 6 Fracture toughness values of steel strands

4 鋼絞線的腐蝕疲勞壽命

采用圖2所示的加載方式，對(duì)不同腐蝕區(qū)的鋼絞線進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，所得疲勞壽命N如表7所示.由表7可見(jiàn)：鋼絞線的腐蝕率和應(yīng)力幅對(duì)鋼絞線疲勞壽命影響顯著；當(dāng)腐蝕程度相當(dāng)時(shí)，隨著應(yīng)力幅的增大，特別是應(yīng)力幅為300 MPa時(shí)，鋼絞線的疲勞壽命出現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)；當(dāng)所加荷載幅度相同時(shí)，鋼絞線的腐蝕程度越嚴(yán)重，其疲勞壽命的下降幅度越大.原因在于，鋼絞線腐蝕程度越嚴(yán)重，其開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂應(yīng)力因子顯著降低，裂紋更易發(fā)生衍生，故疲勞壽命越短.通過(guò)三參數(shù)法對(duì)表7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各腐蝕區(qū)鋼絞線的腐蝕疲勞壽命，其計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)式（6）.

表7 鋼絞線的腐蝕疲勞壽命Table 7 Valid experimental results of steel strands fatigue life

由式（6）可看出，隨著腐蝕率的增大，鋼絞線的疲勞壽命出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì).原因在于，鋼絞線腐蝕面積過(guò)大，其基體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋，在荷載作用下裂紋極易衍生，致使鋼絞線整體力學(xué)性能顯著降低，鋼絞線發(fā)生斷裂破壞.

5 結(jié)論

（1）基于灰度處理方法，根據(jù)腐蝕率進(jìn)行分區(qū)，發(fā)現(xiàn)鋼絞線的抗拉強(qiáng)度與腐蝕率服從指數(shù)分布，其延伸率與腐蝕率服從線性分布.運(yùn)用斷裂力學(xué)對(duì)不同腐蝕程度鋼絞線進(jìn)行分析，得出不同腐蝕程度下鋼絞線的開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂應(yīng)力因子，兩者可直觀反映腐蝕率對(duì)鋼絞線力學(xué)性能的影響.

（2）在高應(yīng)力幅作用下，鋼絞線易出現(xiàn)單疲勞源破壞模式.隨著應(yīng)力幅的減小，其破壞模式由單疲勞源破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥谠雌茐?當(dāng)裂紋處于低應(yīng)力幅狀態(tài)，如應(yīng)力幅為100 MPa時(shí)，裂紋從不同斷面上衍生，鋼絞線易出現(xiàn)分層破壞.

（3）鋼絞線腐蝕疲勞壽命理論計(jì)算公式的獲得，為評(píng)價(jià)索承式橋梁結(jié)構(gòu)壽命提供了參考，具有一定的理論意義和工程價(jià)值.