考慮通氧環(huán)境的預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕損傷時(shí)變特征

王小偉，朱杰兵，阮懷寧，程偉健，LI Jia-bin

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，南京 210098； 3.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 4.Research Group RecyCon,Department of Civil Engineering, KU Leuven, Campus Bruges, 8200 Bruges, Belgium)

1 研究背景

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，錨固結(jié)構(gòu)在我國(guó)各類巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，賦存于巖土中的錨固結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分惡劣，有相當(dāng)一部分存在錨桿銹蝕問題[1-2]。其中，預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)制更為復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力錨桿的強(qiáng)度損傷對(duì)腐蝕環(huán)境更加敏感，由此造成的預(yù)應(yīng)力錨固工程破壞現(xiàn)象屢見不鮮[3]。眾多專家學(xué)者指出，預(yù)應(yīng)力錨桿的腐蝕多發(fā)生在臨近錨頭的自由段內(nèi)[4-5]。影響錨桿銹蝕的環(huán)境因素不外乎侵蝕性離子[6-8]、pH值[9]、氧氣濃度[9-10]、溫度[10]等，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿而言，應(yīng)力與腐蝕協(xié)同作用下表現(xiàn)出的應(yīng)力腐蝕開裂(stress corrosion cracking，SCC)行為非常普遍，往往造成預(yù)應(yīng)力錨桿的過早破壞，是近幾年的研究熱點(diǎn)。Wu等[11]通過開發(fā)一種模擬錨索應(yīng)力腐蝕開裂的試驗(yàn)設(shè)備，基于電鏡掃描(SEM)探究了應(yīng)力腐蝕后錨索的亞臨界裂紋擴(kuò)展特征，并指出施加應(yīng)力水平與錨索破壞時(shí)間呈線性負(fù)相關(guān)；Craig等[12]通過地下礦井腐蝕環(huán)境調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)分析了存在應(yīng)力腐蝕開裂與點(diǎn)蝕的錨桿斷裂范圍，發(fā)現(xiàn)黏土可能是導(dǎo)致腐蝕的主要原因；Villalba等[13]通過開展線性增加應(yīng)力試驗(yàn)探究了不同錨桿在pH值為2.1的溶液中的SCC行為，認(rèn)為導(dǎo)致錨桿發(fā)生SCC的原因之一是氫的演化，類似于氫脆機(jī)制。

預(yù)應(yīng)力錨桿的服役壽命歸根到底主要取決于其鈍化膜的耐久性，氧氣是促使鈍化膜形成的最基本介質(zhì)[14]，鋼筋的鈍化能力隨施加應(yīng)力的增大而降低[15]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)混凝土孔隙液中鋼筋銹蝕行為的研究已日漸成熟[16-19]，模擬巖土環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿的腐蝕機(jī)制研究卻相對(duì)較少。為探究預(yù)應(yīng)力錨桿在通氧腐蝕液中的時(shí)變損傷行為，本文通過開展室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，結(jié)合電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)和電化學(xué)極化曲線分析了預(yù)應(yīng)力錨桿在酸性通氧條件下的銹蝕演變機(jī)制，進(jìn)一步討論了預(yù)應(yīng)力錨桿錨固力損失與銹蝕速率的關(guān)系。該研究可以為巖土工程中預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的耐久性研究提供一定的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)所取試樣采用公稱直徑為6 mm的Q235商用光圓鋼筋，具體材料屬性如表1所示。腐蝕試驗(yàn)前按照美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM標(biāo)準(zhǔn)[20]將鋼筋用240～600目(網(wǎng)孔為0.061～0.023 mm)的SiC砂紙依次仔細(xì)打磨至光滑，對(duì)于生銹比較明顯的鋼筋則用稀鹽酸洗去表面浮銹，然后將試件烘干，置于真空容器中封存待用。錨固槽設(shè)計(jì)為“目”字型三格鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通氧裝置為可調(diào)轉(zhuǎn)子流量計(jì)及供氧泵，設(shè)計(jì)通氧速率(Oxygen Flow Rate, OFR)為0、40、80、160 cm3/min共4檔，試驗(yàn)過程中依次向分別裝有試樣P1—P4的腐蝕池(見圖1)中輸氧。浸泡之前采用液壓千斤頂對(duì)打磨好的鋼筋施加相當(dāng)于40%斷裂荷載水平的預(yù)應(yīng)力，并通過錨具鎖定。借助數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀記錄腐蝕過程中預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固力時(shí)變，具體的加速腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

表1 腐蝕試驗(yàn)前錨桿材料與力學(xué)屬性Table 1 Materials and mechanical properties of rock bolts before corrosion test

電化學(xué)測(cè)試使用武漢Corrtest儀器公司生產(chǎn)的CS系列電化學(xué)工作站(如圖3所示)，三電極體系以預(yù)應(yīng)力錨桿作為工作電極(WE)，石墨棒作為輔助電極(CE)，飽和甘汞電極作為參比電極(RE)，示意圖如圖4所示。模擬腐蝕液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaCl分析純與稀鹽酸的混合劑，攪拌均勻至pH值為6±0.2，試驗(yàn)過程中定期補(bǔ)充稀鹽酸，保持pH值基本不變。當(dāng)電化學(xué)工作站顯示開路電位基本穩(wěn)定時(shí)，對(duì)工作電極進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試，測(cè)試頻率范圍為105～10-2Hz，可以基本滿足腐蝕特征信號(hào)提取需要。同樣地，在對(duì)每一試樣進(jìn)行完電化學(xué)阻抗測(cè)試后立即進(jìn)行動(dòng)電位掃描，掃描頻率為0.5 mV/s，掃描區(qū)間為-30～30 mV。每隔3～5 d采集一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于ZView阻抗解析與Corrview數(shù)據(jù)分析軟件分別進(jìn)行EIS和極化曲線的整理。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 銹蝕預(yù)應(yīng)力錨桿外觀特征

表2給出了經(jīng)歷近6個(gè)月浸泡腐蝕并除銹后的預(yù)應(yīng)力錨桿外觀形貌特征(pH值均為6)。由表2可見，處于弱酸通氧環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿發(fā)生明顯銹蝕，隨著通氧速率不斷增大，預(yù)應(yīng)力錨桿表面局部腐蝕程度愈嚴(yán)重，形貌上完成了淺長(zhǎng)條狀-大片麻點(diǎn)狀-深坑狀腐蝕的演變。

表2 銹蝕預(yù)應(yīng)力錨桿外觀特征Table 2 Appearance characteristics of corroded prestressed rock bolt

3.2 銹蝕預(yù)應(yīng)力錨桿的電化學(xué)阻抗特性

對(duì)處于穩(wěn)態(tài)的電極系統(tǒng)施加一個(gè)小幅度的正弦波電信號(hào)，體系會(huì)產(chǎn)生頻率相同的正弦波響應(yīng)，該頻率響應(yīng)函數(shù)即為電化學(xué)阻抗，通過不同頻率測(cè)得一系列阻抗就可以繪制體系的阻抗譜，其可以提供較多的關(guān)于電極過程動(dòng)力學(xué)和電極界面狀態(tài)的信息[21]。圖5給出了處于不同通氧速率環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿P1—P4電化學(xué)阻抗譜隨腐蝕時(shí)間的變化情況。

圖5 不同通氧速率下預(yù)應(yīng)力錨桿電化學(xué)阻抗譜的時(shí)變關(guān)系Fig.5 Time-varying electrochemical impedance spectra of prestressed rock bolt under different oxygen flow rates

由圖5中各試件Nyquist曲線可知，有無(wú)通氧環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕機(jī)制有所不同。圖5(a)顯示未通氧腐蝕液中的預(yù)應(yīng)力錨桿(P1)阻抗譜在浸泡前期(7 d內(nèi))為一個(gè)半徑很大的容抗弧，浸泡30 d時(shí)圓弧半徑略微增大，試件表面未出現(xiàn)腐蝕，表面鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)；隨著浸泡時(shí)間的增大，錨桿表面氯離子濃度達(dá)到脫鈍閾值，試件開始腐蝕，然而阻抗值依舊很大，錨桿腐蝕不明顯，主要以電荷傳遞控制為主。由圖5(c)看出，對(duì)通氧速率OFR為40 cm3/min的試件P2，其Nyquist曲線在浸泡7 d時(shí)為一半徑較大的容抗弧，而在30～180 d時(shí)間段內(nèi)隨著浸泡時(shí)長(zhǎng)增加，高頻區(qū)逐漸表現(xiàn)為半徑很小的圓弧，此時(shí)點(diǎn)蝕開始生長(zhǎng)，低頻區(qū)則為一條近45°的直線，表現(xiàn)為具有擴(kuò)散特征的Warburg阻抗，可見浸泡初期預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕以電荷傳遞控制為主，中后期氧氣加快了腐蝕液流動(dòng)，使得局部溶液濃度變小，與錨桿表面的腐蝕產(chǎn)物形成了較大的濃度差，因此腐蝕主要受擴(kuò)散控制。圖5(e)、圖5(g)表明，繼續(xù)增大通氧速率，預(yù)應(yīng)力錨桿Nyquist曲線并沒有太大變化，不同的是，P3試件比P4試件出現(xiàn)擴(kuò)散控制更為提前(前者為30 d，后者約60 d)，究其原因，可能是由于過大的通氧速率擾動(dòng)了試件表面腐蝕產(chǎn)物的堆積，進(jìn)而縮小了試件表面與溶液濃度差所致。

從所有試件的Bode圖來(lái)看，預(yù)應(yīng)力錨桿的電化學(xué)阻抗隨著通氧速率增大顯著減小，在同一時(shí)間未通氧試件(P1)阻抗明顯高于通氧樣本阻抗，最大相差約9倍，意味著通氧環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕程度更為嚴(yán)重，這與表2中銹蝕試件形貌相吻合。未通氧環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿在7～30 d內(nèi)阻抗變化不明顯，表明此時(shí)錨桿表面較穩(wěn)定，而隨著通氧速率由40 cm3/min增大到80 cm3/min再到160 cm3/min，此時(shí)間段內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨桿阻抗變化較大，約分別降低了1倍、3倍、2倍，30 d后預(yù)應(yīng)力錨桿阻抗隨通氧速率變化較??；由此可知，通氧速率水平對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿的去鈍化作用主要體現(xiàn)在腐蝕前期，腐蝕中后期(30～180 d)錨桿表面腐蝕產(chǎn)物的不斷堆積阻礙了溶解氧與錨桿表層接觸，也可能腐蝕液中氧氣濃度的相對(duì)飽和，錨桿去鈍化能力減弱，陽(yáng)極溶解變緩；同時(shí)也可看出，通氧速率為80 cm3/min時(shí)該試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕最快，預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕速率并非隨通氧速率的增大而無(wú)限加快。

3.3 銹蝕預(yù)應(yīng)力錨桿的極化曲線

穩(wěn)態(tài)極化曲線是測(cè)試金屬腐蝕速率、分析腐蝕機(jī)理的重要手段，典型的金屬腐蝕極化曲線如圖6所示[22]。圖6中Ecorr與icorr分別表示腐蝕金屬的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度。

圖6 典型金屬腐蝕極化曲線Fig.6 Typical polarization curve of metal corrosion

圖7為不同通氧速率環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿的腐蝕時(shí)變極化曲線。由圖7可以看出，無(wú)論通氧與否，預(yù)應(yīng)力錨桿均未出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)，可見在該試驗(yàn)環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿表面對(duì)腐蝕性介質(zhì)很敏感，在很短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生腐蝕。圖8為各預(yù)應(yīng)力錨桿自腐蝕電位隨時(shí)間變化，可以看出，未通氧環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿P1其自腐蝕電位Ecorr在所有試樣中最低，且隨時(shí)間逐漸負(fù)移，表明在弱酸性腐蝕液中預(yù)應(yīng)力錨桿易發(fā)生腐蝕，耐蝕性差；從浸泡120 d到試驗(yàn)結(jié)束自腐蝕電位Ecorr先是正移，繼而負(fù)移，可能由于表面腐蝕產(chǎn)物處于堆積與溶解的波動(dòng)循環(huán)所致；對(duì)于通氧環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿其自腐蝕電位Ecorr在浸泡一個(gè)月內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)移，負(fù)移幅度明顯高于同時(shí)間內(nèi)的無(wú)氧環(huán)境，可見氧氣嚴(yán)重劣化了預(yù)應(yīng)力錨桿耐蝕性能，30 d后P2、P3、P4試樣的自腐蝕電位Ecorr開始正移，約90 d時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)P3試樣自腐蝕電位Ecorr最大，P3次之，P4最小。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕時(shí)變極化曲線Fig.7 Time-varying polarization curve of prestressed rock bolt corrosion

圖8 預(yù)應(yīng)力錨桿自腐蝕電位隨時(shí)間變化Fig.8 Change of self-corrosion potential Ecorr of prestressed rock bolts with time

試驗(yàn)表明，酸性環(huán)境不利于鈍化膜的生成，浸泡前期氧氣加劇了錨桿腐蝕，隨著通氧時(shí)間增加，溶液中氧氣趨于飽和，受擴(kuò)散控制的腐蝕行為逐漸減弱，預(yù)應(yīng)力錨桿耐蝕性有所增強(qiáng)。試驗(yàn)中后期，預(yù)應(yīng)力錨桿表面的堆積物不斷堆積、溶解，因此其耐蝕性也是處于波動(dòng)之中，但總的來(lái)說(shuō)，耐蝕性逐漸變差。

3.4 錨固力與腐蝕速率關(guān)系

預(yù)應(yīng)力錨桿的腐蝕速率可由式(1)[23]求得。

(1)

式中：CR為腐蝕速率(μm/a)；K為腐蝕電流密度系數(shù)，取值為3.27×10-3mm·g/(μA·cm·a)；icorr為自腐蝕電流密度(μA/cm2)，由極化曲線得出；ρ為預(yù)應(yīng)力錨桿密度(g/cm3)；EW為預(yù)應(yīng)力錨桿摩爾當(dāng)量(失去兩個(gè)電子),取值為28。

圖9為預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕速率與錨固力隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)合Millard等[24]通過線性極化法測(cè)量的銹蝕鋼筋腐蝕電流密度與銹蝕狀態(tài)的關(guān)系可知，酸性無(wú)氧環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿銹蝕速率為中等偏低，而酸性通氧環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿銹蝕速率很高，在腐蝕前期(7 d)腐蝕速率最大，之后急劇減??；30 d后通氧環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕速率開始緩慢增大，通氧速率為80 cm3/min的P3試件腐蝕速率增加幅度最大，約為最低點(diǎn)的2倍，相應(yīng)地，其錨固力衰減最大，約減小了5.23%；而通氧速率為160 cm3/min的P4試件錨固力損失約為2.35%，可見，錨固力損失與通氧速率并非呈正相關(guān)。

圖9 預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕速率與錨固力隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.9 Changes in corrosion rate of prestressed rock bolt and anchoring force with time

4 結(jié)論與展望

通過處于弱酸環(huán)境并考慮通氧條件下的預(yù)應(yīng)力錨桿的銹蝕損傷時(shí)變行為，初步得到以下結(jié)論：

(1)該環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿均未出現(xiàn)明顯的鈍化，通氧條件下預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕程度遠(yuǎn)嚴(yán)重于未通氧環(huán)境，且隨著通氧速率增大，形貌上完成了淺長(zhǎng)條狀—大片麻點(diǎn)狀—深坑狀腐蝕的演變。

(2)未通氧環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕前期受電荷傳遞控制，阻抗隨時(shí)間逐漸減小，通氧環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿腐蝕受電荷傳遞與擴(kuò)散聯(lián)合控制，隨通氧速率增大擴(kuò)散控制作用有所提前。

(3)無(wú)氧環(huán)境下預(yù)應(yīng)力錨桿耐蝕性相對(duì)較差，浸泡前期氧氣顯著減弱預(yù)應(yīng)力錨桿耐蝕性，中后期氧氣誘發(fā)的腐蝕損傷較緩慢，本試驗(yàn)中錨固力損失與通氧速率并非呈正相關(guān)。

(4)通過分析不同通氧水平下預(yù)應(yīng)力錨桿的銹蝕演化機(jī)制，可為探究預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的耐久性機(jī)理提供一定的參考依據(jù)，更全面地實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡中預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)；由于試驗(yàn)過程中未考慮溫度等條件對(duì)腐蝕速率造成的影響，錨固力與腐蝕速率的關(guān)系可能有所偏差，需要進(jìn)一步做出細(xì)致研究。

致謝:本項(xiàng)目得到國(guó)家留學(xué)基金(No. 201906710027)資助，在此表示感謝！