懸索橋主纜鋼絲在持力狀態(tài)下的表觀腐蝕規(guī)律試驗(yàn)研究

洪 華，曹素功,2，傅俊磊，田 浩

(1.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311305；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

主纜作為懸索橋主要承力結(jié)構(gòu)，后期幾乎不可更換，被稱(chēng)為懸索橋的“生命索”[1]。然而，主纜鋼絲正常使用期間經(jīng)常會(huì)與它所處的環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生物理、化學(xué)抑或是電化學(xué)作用，這就是所謂的鋼絲腐蝕[2-7]。我國(guó)由于腐蝕問(wèn)題所造成的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失大概占國(guó)民生產(chǎn)總值的1%～5%[8～12]。其中，持力狀態(tài)下鋼絲腐蝕及其養(yǎng)護(hù)問(wèn)題是全世界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，也是一個(gè)世界性的難題。以往設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)取大值，但是經(jīng)濟(jì)性差，近代設(shè)計(jì)安全系數(shù)有所降低，但是腐蝕問(wèn)題就變得更加敏感。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)主纜鋼絲的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行了一定的有益研究。陳小雨等[13]利用中性鹽霧試驗(yàn)，對(duì)懸索橋主纜鍍鋅鋼絲的剩余抗力和腐蝕外觀之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，明確了通過(guò)檢測(cè)鋼絲腐蝕外觀判斷其剩余抗力。張振浩等[14]通過(guò)疲勞強(qiáng)度與鋼材強(qiáng)度的關(guān)系以及腐蝕引起的鋼材抗力衰變，得到了鋼材腐蝕疲勞抗力時(shí)變模型。Airong Chen等[15]建立了腐蝕鋼絲屈服載荷和極限載荷的退化模型。Cui Chuanjie等[16]通過(guò)鹽霧環(huán)境下Q345鋼表面點(diǎn)蝕的試驗(yàn)研究，計(jì)算了腐蝕坑的最大深度，建立了腐蝕坑數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有成果對(duì)鋼絲腐蝕問(wèn)題的研究多集中于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，而鮮有對(duì)持力狀態(tài)下主纜鋼絲腐蝕的試驗(yàn)研究。但現(xiàn)實(shí)工程中主纜鋼絲的腐蝕問(wèn)題多發(fā)生于持力狀態(tài)下，對(duì)持力狀態(tài)下主纜鋼絲的試驗(yàn)研究意義重大[17-18]。本研究為研究持力狀態(tài)下主纜鋼絲腐蝕隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套可預(yù)加荷載的電解加速腐蝕試驗(yàn)裝置，用以分析持力狀態(tài)下主纜鋼絲的表觀腐蝕規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

1.1 設(shè)計(jì)思路

本試驗(yàn)的目的在于研究不同應(yīng)變水平下主纜鋼絲腐蝕隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，對(duì)于試驗(yàn)設(shè)計(jì)而言有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)如何將主纜鋼絲長(zhǎng)時(shí)間保持較高的應(yīng)變水平。

(2)試驗(yàn)中如何加速腐蝕主纜鋼絲。

(3)如何對(duì)不同腐蝕程度的主纜鋼絲進(jìn)行評(píng)定。

經(jīng)過(guò)對(duì)各種室內(nèi)加速試驗(yàn)方案的比選，最終選取了預(yù)加荷載的電解加速腐蝕試驗(yàn)方案對(duì)不同應(yīng)變等級(jí)下的主纜鋼絲進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。原因是這種試驗(yàn)方法可以更真實(shí)模擬出持力狀態(tài)下主纜鋼絲的腐蝕現(xiàn)狀。

1.2 試驗(yàn)裝置

依照設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出如圖1所示試驗(yàn)裝置，該裝置由持力裝置、腐蝕池、通電回路、鋼絲、氯化鈉溶液5個(gè)部分組成。

圖1 預(yù)加荷載的電解加速腐蝕試驗(yàn)裝置Fig.1 Electrolytic accelerated corrosion test device with preload

主纜鋼絲上粘貼應(yīng)變片，利用靜態(tài)采集儀裝置對(duì)主纜鋼絲上的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。在千斤頂將主纜鋼絲拉伸到目標(biāo)應(yīng)變后，千斤頂穩(wěn)壓，通過(guò)特制的應(yīng)變持力裝置持力，作用到鋼臺(tái)座，最后由地錨承擔(dān)，使主纜鋼絲保持住目標(biāo)應(yīng)變。鋼絲穿過(guò)電解腐蝕池，利用法拉利電解原理對(duì)主纜鋼絲進(jìn)行加速腐蝕。腐蝕池設(shè)計(jì)為半封閉的溶液槽盛，放濃度為5%的NaCl電解液。

1.3 試驗(yàn)工況

因?yàn)閷?shí)際運(yùn)營(yíng)中的主纜鋼絲應(yīng)變水平多介于1 000 με 與3 000 με之間，所以本試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種不同應(yīng)變分別為：0，1 000，2 000和3 000 με。腐蝕的時(shí)間設(shè)置為0，1，2，3和4 d共5種時(shí)間尺度?？偼婋娏鞅３譃? A，通過(guò)法拉利電解定律計(jì)算可以得出每根鋼絲的理論通電電流量，可以得到對(duì)應(yīng)的腐蝕率。

考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性，為保證數(shù)據(jù)的有效性，每個(gè)工況試件設(shè)置為3根，共60根直徑5.25 mm的鋼絲試件。0～4 d，每天拿出3根/工況×4工況=12根，第4 d完成60根鋼絲電解加速腐蝕試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)觀測(cè)參數(shù)

采用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行通電試驗(yàn)(如圖1)，設(shè)定好通電量與電流密度，依據(jù)法拉利電解定律進(jìn)行電解試驗(yàn)。每批次工況試驗(yàn)結(jié)束后，將試件卸下，利用以下參數(shù)對(duì)主纜鋼絲表面腐蝕形態(tài)規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)。

(1)腐蝕后主纜鋼絲表觀規(guī)律

對(duì)于腐蝕后主纜鋼絲表觀規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在接觸式觀測(cè)的基礎(chǔ)上，利用超景深三維顯微系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致觀測(cè)。

(2)質(zhì)量損失率

通常情況下，主纜鋼絲的腐蝕率可以用質(zhì)量損失率來(lái)衡量。主纜鋼絲通電腐蝕前稱(chēng)重為M0。腐蝕后，對(duì)各時(shí)間未腐蝕段質(zhì)量稱(chēng)量，記作M1，腐蝕段除銹后稱(chēng)重M2，并進(jìn)行記錄，按照以下公式計(jì)算質(zhì)量損失率。

(1)

(3)最大截面損失率

考慮到主纜鋼絲在腐蝕過(guò)程中，縱向腐蝕不一定分布均勻，而局部點(diǎn)蝕現(xiàn)象可能比較明顯，橫截面的面積損失率較大，考慮采用最大橫截面面積損失率表示鋼絲腐蝕程度。按照如下公式計(jì)算：

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 外觀分析

2.1.1 外觀試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)觀察試驗(yàn)高強(qiáng)鋼絲分別在保持0，1 000，2 000 和3 000 με應(yīng)變下腐蝕0～4 d后的外觀形態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著通電時(shí)間的增加，首先是鍍鋅涂層發(fā)生破壞，這種涂層破壞是整體的、非剝落式的溶蝕破壞。伴隨著涂層的整體破壞，母材受到了電解反應(yīng)，析出褐色以及黑色的腐蝕產(chǎn)物。通電時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生的腐蝕面積增大。在持力狀態(tài)下，這種腐蝕產(chǎn)物基本是沿主纜鋼絲的縱向上均勻分布，鋼絲的直徑隨著通電時(shí)間的增加減少，宏觀上的局部腐蝕較少。

2.1.2 外觀試驗(yàn)結(jié)果分析

由于不同于鋼板的顯微成相，主纜鋼絲本身構(gòu)件有宏觀曲率，過(guò)小的放大倍率不能精確地掃描出鋼絲局部表征的特性。當(dāng)放大倍率過(guò)高時(shí)，地表的隨機(jī)振動(dòng)會(huì)對(duì)顯微鏡頭的聚焦過(guò)程產(chǎn)生較大的干擾，導(dǎo)致很多情況下無(wú)法成相。由此一來(lái)，如何選取適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵适钦麄€(gè)局部表征識(shí)別工作的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)不斷地研究，發(fā)現(xiàn)500倍是非常適合做此種主纜鋼絲局部表征識(shí)別的放大倍率。

利用500倍放大倍率超景深三維顯微成相技術(shù)對(duì)腐蝕后(為避免冗繁，此處僅列出2 000 με下結(jié)果)試驗(yàn)高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行掃描，利用D.F.D(Depth from Defocus)技術(shù)，進(jìn)行三維圖像的繪制，局部點(diǎn)蝕坑成像結(jié)果如圖2所示。

圖2 D.F.D技術(shù)主纜鋼絲腐蝕表征對(duì)比Fig.2 Comparison of main cable steel wires’ corrosion characterizes by D.F.D technology

由圖2可知：

(1)高應(yīng)變水平會(huì)顯著地加速鋼絲的腐蝕，無(wú)論是對(duì)于涂層還是鋼絲母材。對(duì)比各應(yīng)變狀態(tài)下第1 d 的腐蝕形態(tài)，0 με和1 000 με兩種應(yīng)力水平下，主纜鋼絲的涂層還沒(méi)有發(fā)生整體溶蝕，而持有2 000 με 應(yīng)變的主纜鋼絲的涂層基本有50%的溶蝕程度，至于3 000 με應(yīng)變的試樣，涂層對(duì)母材的保護(hù)作用基本消失，已經(jīng)可以觀察到裸露的母材。

(2)時(shí)間的增長(zhǎng)，對(duì)主纜鋼絲局部表征的起伏有很大影響，腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，局部表面起伏越劇烈。

(3)2 000 με下，加速腐蝕1 d，最大表觀腐蝕起伏達(dá)35 μm；4 d最大表觀腐蝕起伏達(dá)127 μm。

2.2 腐蝕過(guò)程中質(zhì)量損失率的變化規(guī)律

主纜鋼絲具有非常好的材性，首先考慮是否可以用主纜鋼絲的質(zhì)量損失率對(duì)鋼絲腐蝕后的材性建立起一個(gè)直觀對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是存在的，那么將對(duì)主纜鋼絲的剩余性能評(píng)估起到非常有益的作用。對(duì)所有電解加速腐蝕的主纜鋼絲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表1所示：

表1 不同應(yīng)變水平及腐蝕時(shí)間下平均質(zhì)量損失率Tab.1 Average mass loss rates under different strain levels and corrosion time

由圖3～4試驗(yàn)結(jié)果可知：

圖3 不同應(yīng)變水平下質(zhì)量損失率隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of mass loss rate varying with time under different strain levels

圖4 鋼絲均勻腐蝕質(zhì)量損失變化(文獻(xiàn)[13])Fig.4 Change of mass loss of steel wires in uniform corrosion (reference [13])

(1)持力3 000 με電解加速腐蝕4 d，與自然腐蝕420 d試驗(yàn)結(jié)果[13]接近，且變化趨勢(shì)一致，表明利用持力電解加速腐蝕的試驗(yàn)方法可靠，且本法可極大地縮減試驗(yàn)研究時(shí)間。

(2)3 000 με下加速腐蝕平均質(zhì)量損失率4 d是1 d的6.40倍，表明鋼絲平均質(zhì)量損失率隨著時(shí)間增長(zhǎng)呈非線性增長(zhǎng)，整體呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增長(zhǎng)腐蝕速率變快的趨勢(shì)。

(3)3 000 με下加速腐蝕1～4 d平均質(zhì)量損失率分別是2 000 με下的1.17倍、1.22倍、2.27倍以及3.02倍，表明應(yīng)變水平越高，鋼絲腐蝕越明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在持有高應(yīng)變水平使得主纜鋼絲局部腐蝕產(chǎn)生的基材缺陷不斷拉伸、擴(kuò)展，導(dǎo)致越高應(yīng)變的鋼絲腐蝕越快，伴隨著直徑的變小，會(huì)加劇腐蝕。其次，在持有高應(yīng)變狀態(tài)下，主纜鋼絲的電阻會(huì)下降，在外界電化學(xué)電位不變的情況下，會(huì)加強(qiáng)電流密度，使得其腐蝕加劇。

以無(wú)應(yīng)變鋼絲腐蝕為基準(zhǔn)，以其質(zhì)量損失率為分母，其他持有應(yīng)變的鋼絲質(zhì)量損失率對(duì)其做比值得到質(zhì)量損失率，將時(shí)間作為觀測(cè)的角度，那么將4 d 的腐蝕過(guò)程分開(kāi)來(lái)，形成各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上質(zhì)量損失率和應(yīng)變的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同時(shí)間應(yīng)變水平對(duì)質(zhì)量損失率的影響Fig.5 Influences of different time strain levels on mass loss ratio

由圖5分析結(jié)果可知，在腐蝕的前兩天，應(yīng)變對(duì)于質(zhì)量損失比率的影響近似線性分布，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，逐漸呈現(xiàn)出指數(shù)分布的形式。時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)變水平對(duì)質(zhì)量損失效應(yīng)越顯著。

2.3 腐蝕過(guò)程中最大截面損失率的變化規(guī)律

質(zhì)量損失率參數(shù)分析的不足之處在于，由于保護(hù)涂層的存在以及腐蝕過(guò)程隨機(jī)性導(dǎo)致的腐蝕不均勻分布使得我們無(wú)法較好地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。這導(dǎo)致我們不得不退而求其次研究鋼絲腐蝕最大截面損失率的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同應(yīng)變水平下鋼絲平均最小直徑隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of average minimum diameter of steel wires varying with time under different strain levels

由圖6分析結(jié)果可知：

(1)隨著時(shí)間的發(fā)展，最大截面損失率增大。應(yīng)變水平的增加會(huì)加劇主纜鋼絲的腐蝕進(jìn)程，最大截面損失率隨應(yīng)變水平增大而增大。

(2)對(duì)比分析平均質(zhì)量損失率、最大截面損失率隨應(yīng)變水平、時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，得出最大截面損失率與應(yīng)變、時(shí)間兩變量相關(guān)關(guān)系更好。在相關(guān)研究中可以考慮采用最大截面損失率作為核心中間變量來(lái)衡量主纜鋼絲的腐蝕等級(jí)。

3 結(jié)論

本研究基于預(yù)加荷載電解加速腐蝕試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了主纜鋼絲電解加速腐蝕試驗(yàn)研究，探討了主纜鋼絲的表觀腐蝕規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)應(yīng)變水平和腐蝕時(shí)間對(duì)主纜鋼絲腐蝕有顯著影響，應(yīng)變水平越高，腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，鋼絲局部表面起伏越劇烈。

(2)持力鋼絲電解加速腐蝕4 d質(zhì)量損失，與自然腐蝕420 d試驗(yàn)結(jié)果接近，且變化趨勢(shì)一致。

(3)3 000 με下加速腐蝕平均質(zhì)量損失率4 d是1 d的6.40倍，且1～4 d分別是2 000 με下的1.17倍、1.22倍、2.27倍以及3.02倍。

(4)應(yīng)變水平越高，腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，鍍鋅涂層發(fā)生溶蝕破壞后，鋼絲基材缺陷不斷拉伸、擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼絲腐蝕加快，即腐蝕程度呈非線性增長(zhǎng)。

(5)隨著時(shí)間的增加，最大截面損失率增大。應(yīng)變水平的增加會(huì)加劇主纜鋼絲的腐蝕進(jìn)程，最大截面損失率隨應(yīng)變水平增大而增大，且與兩變量相關(guān)性較好。