Cl-環(huán)境下錨桿腐蝕過程及錨固邊坡穩(wěn)定性分析

付宏淵， 陳長(zhǎng)睿， 陳昌富， 劉曉明， 林宇亮， 劉鎮(zhèn)， 盧自立 吳定略， 胡紅波， 張紅日， 駱俊暉， 張靜波0

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院； 3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院； 4.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院；5.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院； 6.保利長(zhǎng)大工程有限公司；7.長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司； 8.廣西交科集團(tuán)有限公司；9.廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司；10.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

錨固邊坡內(nèi)部孔隙水中存在大量的Cl-、OH-、Al3+、H+等游離態(tài)離子。這些游離態(tài)離子可通過錨桿周圍水泥漿體中的毛細(xì)孔隙滲入到錨桿表層，使錨桿產(chǎn)生腐蝕，削弱其錨固效果，甚至?xí)?dǎo)致錨桿失效，最終誘發(fā)錨固邊坡失穩(wěn)。因此，開展不同腐蝕條件下錨桿的腐蝕行為研究對(duì)錨固邊坡穩(wěn)定性分析和壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。

針對(duì)錨桿的腐蝕行為，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。余波等對(duì)混凝土試件中的鋼筋進(jìn)行了加速腐蝕試驗(yàn)，研究了均勻和非均勻腐蝕下鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，指出力學(xué)性能隨腐蝕程度的增加而逐漸降低；Wenjun Zhu等采用圓錐和銑刀對(duì)鋼筋進(jìn)行打孔破壞模擬腐蝕產(chǎn)生的點(diǎn)蝕和均勻腐蝕，指出腐蝕形貌和腐蝕程度對(duì)鋼筋的力學(xué)性能有著顯著的影響；Y.G.Du等研究了腐蝕導(dǎo)致鋼筋延展性降低的機(jī)理和程度，指出鋼筋的延展性隨著腐蝕程度的加深而降低。研究表明鋼筋的腐蝕極易導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，但這些研究多討論單一影響因素下鋼筋的腐蝕行為，尚未涉及多因素作用下錨桿的腐蝕行為。

實(shí)踐表明：錨桿在服役過程中所處環(huán)境復(fù)雜，影響因素眾多。為探究多因素作用下錨桿的腐蝕行為，李富民等采用錨桿試件模擬圍巖約束條件下錨桿的腐蝕，發(fā)現(xiàn)化學(xué)腐蝕為錨桿的主要腐蝕方式；Bo Wang等利用自行研制的錨桿應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置，研究了不同工作應(yīng)力、腐蝕環(huán)境和腐蝕時(shí)間下錨桿的性能，發(fā)現(xiàn)腐蝕時(shí)間對(duì)錨桿的腐蝕作用最為顯著；王金超結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究了錨桿的腐蝕影響因素，結(jié)果表明弱腐蝕環(huán)境下，氧含量為主要的腐蝕影響因素。但這些研究主要通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)來研究錨筋的力學(xué)性能損傷、腐蝕行為、腐蝕影響因素等多個(gè)方面，關(guān)于不同腐蝕時(shí)間和Cl-濃度下錨筋的力學(xué)性能損失規(guī)律及錨固邊坡穩(wěn)定性研究尚處于起步階段。

該文通過開展離子腐蝕試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，定量研究不同Cl-濃度和腐蝕時(shí)間作用下錨筋的腐蝕速率與力學(xué)性能演化規(guī)律，并通過Geo-Studio進(jìn)行不同腐蝕程度下錨固邊坡穩(wěn)定性分析，得到腐蝕時(shí)間和離子濃度對(duì)錨固邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)步驟

1.1 材料選取

試驗(yàn)采用φ10 mm的HRB400鋼筋模擬錨桿試件，共設(shè)計(jì)5組。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，確定鋼筋的原始標(biāo)距為50 mm，采用切割機(jī)將鋼筋切割成長(zhǎng)度為10 cm的試件。鋼筋酸洗液采用HFT-828除銹劑，pH值為2～3。梁新亞等指出碳鋼的腐蝕隨Cl-濃度的增加而呈增加的趨勢(shì)，在Cl-濃度為3.2%時(shí)達(dá)到最大腐蝕速率，所以該文采用分析純NaCl和去離子水配置的腐蝕溶液Cl-濃度為1.0%、2.0%、3.0%，依此來探究錨桿在Cl-環(huán)境中由腐蝕導(dǎo)致的強(qiáng)度退化規(guī)律。清洗溶液采用乙醇和去離子水。

1.2 腐蝕試驗(yàn)

沿海地區(qū)土體中的主要腐蝕性離子為Cl-，該文采用Cl-溶液模擬錨固邊坡的腐蝕環(huán)境。首先采用除銹劑對(duì)鋼筋樣品進(jìn)行酸洗，乙醇、去離子水沖洗后烘干稱重，得到腐蝕前重量m0，采用尼龍自鎖扣帶將鋼筋標(biāo)記并吊入Cl-濃度分別為1.0%、2.0%、3.0%腐蝕溶液中，腐蝕時(shí)間為1～5個(gè)月，每隔一個(gè)月將鋼筋取出，采用乙醇、去離子水沖洗除去表面銹蝕產(chǎn)物，烘干后稱重，得到腐蝕后的質(zhì)量mf，根據(jù)式(1)計(jì)算鋼筋單位質(zhì)量腐蝕率：

(1)

式中：η為單位質(zhì)量腐蝕率；mf為腐蝕后鋼筋質(zhì)量(g)；m0為腐蝕前鋼筋質(zhì)量(g)。

1.3 拉伸試驗(yàn)

為精確描述鋼筋腐蝕后的應(yīng)力損失規(guī)律，采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)WDW-100C對(duì)腐蝕后的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣的原始標(biāo)距L0=50 mm,橫截面積A0=78.5 mm2，將試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線按式(2)、(3)轉(zhuǎn)換為名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

(2)

(3)

式中：σ為鋼筋的名義應(yīng)力(MPa)；F為拉伸試樣受到的荷載(kN);A0為拉伸試樣的橫截面面積(mm2)；ΔL為試驗(yàn)測(cè)得的位移(mm)；L0為拉伸試樣的原始標(biāo)距(mm)。

1.4 錨固邊坡穩(wěn)定性分析

錨桿在邊坡支護(hù)前期由于土壤中游離態(tài)的離子通過水泥漿體的毛細(xì)孔隙接觸到錨筋使錨筋產(chǎn)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物不斷在錨筋周圍積累，在銹脹力和巖土體蠕變等因素的作用下，桿體周圍的水泥砂漿會(huì)產(chǎn)生膨脹甚至開裂，使錨筋完全暴露在腐蝕環(huán)境中。因水泥漿體開裂前錨筋的腐蝕速率較小，該文主要研究錨桿周圍水泥砂漿開裂后錨固邊坡的穩(wěn)定性。錨桿依靠錨固段在穩(wěn)定地層中提供的摩擦力作為邊坡的抗滑力，該文在此基礎(chǔ)上假定錨固段的摩擦力遠(yuǎn)大于鋼筋的強(qiáng)度，優(yōu)先考慮錨桿的張拉破壞，采用Geo-Studio軟件中的Slope/W模塊對(duì)錨固邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算模型長(zhǎng)30 m，高20 m，坡腳為55°，計(jì)算條塊數(shù)量為30塊，邊坡土體為鹽漬土，土體材料定義為彈塑性體，滿足摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。穩(wěn)定性分析方法為Bishop法，采用直徑為10 mm的HRB400鋼筋對(duì)該邊坡進(jìn)行支護(hù)。建立如圖1所示邊坡模型。

圖1 邊坡模型

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同腐蝕條件對(duì)錨桿單位質(zhì)量腐蝕率的影響

2.1.1 腐蝕時(shí)間與單位質(zhì)量腐蝕率的關(guān)系

圖2為不同Cl-濃度下單位腐蝕率隨腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.992、0.992、0.996，說明不同Cl-濃度下錨桿的腐蝕速率呈線性變化，可以采用一次函數(shù)進(jìn)行表示。

圖2 錨桿單位質(zhì)量腐蝕率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

由圖2可知：隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)單位腐蝕率逐漸升高。腐蝕時(shí)間為5個(gè)月，Cl-濃度為3.0%時(shí)，單位質(zhì)量腐蝕率增幅為3.96%；腐蝕時(shí)間為1個(gè)月，Cl-濃度為3.0%時(shí)，單位質(zhì)量腐蝕率增幅為0.57%，可見腐蝕時(shí)間對(duì)錨桿單位質(zhì)量腐蝕率的影響較為明顯。造成上述現(xiàn)象的原因是Cl-在腐蝕過程中會(huì)不斷破壞錨筋表面的鈍化膜，促使腐蝕過程持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的增加而逐漸增加。同時(shí)隨著Cl-濃度的增加，單位質(zhì)量腐蝕率的增幅也逐漸增大，因此Cl-濃度也是錨桿腐蝕過程的重要影響因素之一。

2.1.2 氯離子濃度與單位質(zhì)量腐蝕率的關(guān)系

Cl-濃度是錨桿腐蝕過程的重要影響因素之一，圖3為不同腐蝕時(shí)間下Cl-濃度與單位質(zhì)量腐蝕率之間的關(guān)系。

圖3 不同腐蝕時(shí)間下Cl-濃度與單位質(zhì)量腐蝕率的關(guān)系

由圖3可知：腐蝕5個(gè)月，Cl-濃度為3.0%時(shí)，單位質(zhì)量腐蝕率為3.96%，而Cl-濃度為1.0%時(shí)，單位質(zhì)量腐蝕率為1.48%。隨著Cl-濃度的增加會(huì)加劇Cl-對(duì)鈍化膜的侵蝕過程，加速腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，因此隨著氯離子濃度的增加，腐蝕速率也逐漸增加。由數(shù)據(jù)對(duì)比可知Cl-濃度對(duì)單位質(zhì)量腐蝕率的影響小于腐蝕時(shí)間的影響。

2.2 不同腐蝕條件對(duì)錨桿力學(xué)性能的影響

2.2.1 腐蝕時(shí)間與力學(xué)性能的關(guān)系

圖4為不同Cl-濃度時(shí)鋼筋腐蝕的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖4可知：隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，錨筋的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線依舊保持4個(gè)階段。彈性階段：彈性模量保持不變，鋼筋的彈性模量只與其材料類型有關(guān)，其受腐蝕的影響較小。屈服階段：屈服強(qiáng)度逐漸降低，屈服平臺(tái)逐漸縮短，如圖5所示，腐蝕時(shí)間為1～5個(gè)月：Cl-濃度為3.0%時(shí)，屈服強(qiáng)度降幅為24.0%；Cl-濃度為2.0%時(shí)，屈服強(qiáng)度降幅為15.7%；Cl-濃度為1.0%時(shí)，屈服強(qiáng)度降幅為11.3%，可見屈服強(qiáng)度受腐蝕時(shí)間的影響較大。應(yīng)變硬化階段：應(yīng)變硬化階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸減少，極限強(qiáng)度逐漸降低，如圖6所示，腐蝕時(shí)間為1～5個(gè)月：Cl-濃度為3.0%時(shí)，極限強(qiáng)度下降了22.4%；Cl-濃度為2.0%，極限強(qiáng)度下降了14.8%；Cl-濃度為1.0%，極限強(qiáng)度下降了8.7%，腐蝕時(shí)間對(duì)極限強(qiáng)度的影響較為明顯。頸縮階段：斷裂應(yīng)變逐漸減小，鋼筋延性逐漸降低。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，單位質(zhì)量腐蝕率逐漸增加，錨筋產(chǎn)生孔蝕導(dǎo)致錨筋的有效截面積減小，且在有效截面上由于孔蝕的發(fā)生易產(chǎn)生銳邊角導(dǎo)致應(yīng)力集中，使錨筋由塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，?qiáng)度降低。

圖4 不同Cl-濃度環(huán)境中鋼筋腐蝕的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 不同Cl-濃度下錨桿屈服強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

圖6 不同Cl-濃度下鋼筋極限強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

2.2.2 Cl-濃度與錨桿力學(xué)性能的關(guān)系

由前文分析可知：Cl-濃度作為錨桿腐蝕行為的重要影響因素，其對(duì)錨筋力學(xué)性能的具體影響如圖7、8所示。

圖7 不同腐蝕時(shí)間下錨桿屈服強(qiáng)度與Cl-濃度的關(guān)系

由圖7可知：同一腐蝕時(shí)間下錨筋的屈服強(qiáng)度隨著Cl-濃度的增加而逐漸減?。桓g時(shí)間為5個(gè)月，隨Cl-濃度的增加，錨筋的屈服強(qiáng)度降幅為19.1%，腐蝕時(shí)間為1個(gè)月，隨Cl-濃度的增加，錨筋屈服強(qiáng)度的降幅為5.7%。由圖8可知：相同腐蝕時(shí)間下錨桿極限強(qiáng)度隨Cl-濃度的升高而降低；腐蝕5個(gè)月，隨著Cl-濃度的增加，錨筋極限強(qiáng)度降幅為16.3%，腐蝕1個(gè)月，隨著Cl-濃度的增加，錨筋極限強(qiáng)度降幅為1.5%?？梢奀l-濃度對(duì)錨筋力學(xué)性能的影響要小于腐蝕時(shí)間的影響。造成上述現(xiàn)象的原因是，Cl-濃度增加，錨筋的腐蝕程度增加，錨筋的有效截面減小，且易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致錨桿力學(xué)性能下降。

圖8 不同腐蝕時(shí)間下錨桿極限強(qiáng)度與Cl-濃度的關(guān)系

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)該文假定，錨桿的錨固力由錨筋的抗拉強(qiáng)度表示。錨桿在邊坡支護(hù)中，通過錨固力為邊坡土體提供抗滑力。錨筋由于腐蝕導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，錨桿提供的錨固力下降，由于土體本身提供的抗滑力和下滑力保持不變，而此時(shí)錨固力提供的抗滑力下降所以導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降。通過軟件模擬確定的邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面如圖9所示，穩(wěn)定性系數(shù)為0.978。錨桿支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.119。

圖9 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置

該文已通過試驗(yàn)得出鋼筋在不同Cl-環(huán)境下腐蝕不同時(shí)間的極限強(qiáng)度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果依次模擬出不同Cl-環(huán)境下腐蝕不同時(shí)間的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3.1 腐蝕時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

不同Cl-環(huán)境下錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與錨筋腐蝕時(shí)間的關(guān)系如圖10所示，兩者的關(guān)系符合線性變化，可以采用一次函數(shù)進(jìn)行表示。錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)呈線性降低，腐蝕1～5個(gè)月：Cl-濃度為3.0%，由錨桿提高的穩(wěn)定性系數(shù)下降了19.1%，Cl-濃度為1.0%，由錨桿提高的穩(wěn)定系數(shù)降幅為6.4%。

圖10 不同Cl-濃度下錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

3.2 Cl-濃度對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

不同腐蝕時(shí)間下錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨Cl-濃度的變化關(guān)系如圖11所示，相同腐蝕時(shí)間下錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨Cl-濃度的升高呈線性降低，但腐蝕初期錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化不大，且存在一定的離散性，但隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，離散性逐漸降低。腐蝕時(shí)間為1個(gè)月：隨Cl-濃度的增大，錨桿提高的穩(wěn)定性系數(shù)降幅為11.3%，腐蝕時(shí)間為5個(gè)月，隨Cl-濃度的增大，錨桿提高的穩(wěn)定性系數(shù)降幅為0.7%。

圖11 不同腐蝕時(shí)間下錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與Cl-濃度的關(guān)系

4 結(jié)論

將鋼筋作為研究對(duì)象，研究其在不同腐蝕環(huán)境和不同腐蝕時(shí)間下的腐蝕規(guī)律，并將其應(yīng)用到錨固邊坡穩(wěn)定性分析過程中，得出以下結(jié)論：

(1) 不同腐蝕時(shí)間及Cl-濃度與錨筋單位質(zhì)量腐蝕率呈正相關(guān)。腐蝕時(shí)間對(duì)錨筋腐蝕速率的影響大于Cl-濃度。

(2) 不同腐蝕時(shí)間及Cl-濃度與錨筋的力學(xué)性能呈反相關(guān)。錨筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度均隨腐蝕時(shí)間和Cl-濃度的增加而逐漸降低。腐蝕時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響大于Cl-濃度。腐蝕時(shí)間為錨桿腐蝕主要的影響因素。

(3) 通過Geo-Studio軟件模擬了不同腐蝕程度錨桿的力學(xué)性能變化對(duì)錨固邊坡穩(wěn)定性的影響，得出不同腐蝕時(shí)間及Cl-濃度與錨固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈反相關(guān)。