模擬北方酸雨對Q235鋼腐蝕力學(xué)行為的試驗研究

張 童，劉海卿，呂學(xué)濤

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧科技學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；3. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院， 廣東 佛山 528225)

0 前 言

鋼管混凝土是指在鋼管內(nèi)填充素混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，因其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)效益和施工效益，被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)物中[1]。與其他受力結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土)類似，鋼管混凝土柱作為一種主要的受力構(gòu)件，其長期服役耐久性在設(shè)計中也是至關(guān)重要的[2]。當(dāng)鋼管混凝土用于雨水較多的地區(qū)時，裸露在外的鋼管易遭受到酸雨的侵蝕，嚴(yán)重的表面腐蝕會削弱鋼管的壁厚，還會對其力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。在不同的設(shè)計規(guī)范中[3，4]，鋼材的力學(xué)性能是評估鋼管混凝土強度以及對鋼管混凝土受力機(jī)理分析的關(guān)鍵參數(shù)。服役的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)日益增多，故研究酸雨腐蝕后鋼管力學(xué)性能變化規(guī)律就顯得非常重要。

當(dāng)前，對于腐蝕環(huán)境下鋼材力學(xué)性能的研究，大部分集中于氯離子的腐蝕[5，6]，關(guān)于酸雨腐蝕對鋼材力學(xué)性能影響規(guī)律的研究相對較少[7]，可參考的文獻(xiàn)十分有限，試驗樣本不多，因此對受到酸雨腐蝕后鋼材力學(xué)性能的研究還有待完善。此外大氣環(huán)境的成分對鋼材的腐蝕具有較大的影響，相同的腐蝕時間，不同地區(qū)環(huán)境對腐蝕鋼材的力學(xué)性能也存在較大差異，由于腐蝕本身的離散性較大，對具體某地的腐蝕評估只有根據(jù)當(dāng)?shù)氐母g數(shù)據(jù)才能得到較為精確的腐蝕模型[8]。

本工作以酸雨腐蝕的Q235鋼為研究對象，對酸雨腐蝕的鋼板進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗，研究酸雨腐蝕對鋼材屈服強度、極限強度、伸長率、彈性模量、泊松比等力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出不同腐蝕程度情況下Q235鋼力學(xué)性能指標(biāo)的簡化計算經(jīng)驗方法，進(jìn)而為北方酸雨區(qū)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計及結(jié)構(gòu)安全評估提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 試 驗

1.1 酸雨腐蝕試驗

1.1.1 模擬酸雨溶液的配制

文獻(xiàn)[9-11]對大連酸雨的成分進(jìn)行了詳細(xì)的分析，研究結(jié)果表明大連地區(qū)酸雨成分中陰離子SO42-、Cl-、NO3-為主要成分，三者占到總陰離子成分的96.7%。陽離子的主要成分是Ca2+、NH4+、Na+，三者占到總陽離子成分的77.9%。而酸雨成分中SO42-和H+是導(dǎo)致建筑鋼材腐蝕的主要離子。文獻(xiàn)[12]統(tǒng)計了2007～2018年大連降水的pH值，最低為3.48，年平均為4.80～5.85，因此本試驗中人工模擬酸雨溶液的成分為Ca(NO3)2、Na2SO4及NH4Cl，其含量分別為0.143，0.251，0.038 g/L。pH值由HNO3進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定為pH=4.5。為保證人工酸雨溶液pH值的穩(wěn)定，每隔12 h測量溶液的pH 值，若相對于原值變化了0.3以上時則更換溶液[8]。

1.1.2 拉伸試件的制作

試樣全部從Q235級鋼管上截取。根據(jù)規(guī)范 GB/T 228.1-2010“金屬材料拉伸試驗”[13]，設(shè)計拉伸試驗試件，具體尺寸如圖1所示，初始厚度為3 mm。為了提高試驗結(jié)果的均一性，在加速腐蝕試驗之前，首先使用600級金剛砂紙對試樣的所有表面進(jìn)行拋光，去掉原始金屬表面層，然后用醫(yī)用棉球蘸取丙酮溶液進(jìn)行脫脂清洗[14]，將表面擦干后放置在室溫內(nèi)測量質(zhì)量。

1.1.3 試驗步驟

在綜合考慮試驗費用和試驗周期的情況下，本次腐蝕試驗擬采用室內(nèi)施加直流電的方式進(jìn)行加速試驗。試驗設(shè)備由貯水槽、穩(wěn)流電源、人工酸雨溶液及電源線構(gòu)成。將配制好的人工酸雨溶液置于試驗容器中，試樣全部浸入溶液中，每組試驗取3個平行試樣。為避免試樣與容器壁接觸，特在試件兩端寬口下墊上大小相同的木塊。試樣浸入溶液時，試樣必須被溶液完全覆蓋且在溶液面下至少10 mm。穩(wěn)流電源的正極連接到拉伸試件，負(fù)極連接到導(dǎo)電棒，具體連接方法如圖2所示。

通電時間按照Faraday定律理論公式進(jìn)行控制，具體計算步驟見公式(1)：

(1)

式中 Δm——金屬減少的質(zhì)量，g

K——Q235鋼金屬電化學(xué)當(dāng)量，K=1.024 g/(A·h)

I——電流強度，A

ΔT——通電時間，h

參考文獻(xiàn)[15]中的經(jīng)驗，本試驗中電流密度控制為2.0×10-4A/cm2。達(dá)到預(yù)定時間后取出試樣，先在流水中用軟毛刷進(jìn)行輕微清洗，去除附著不牢固或酥松的腐蝕產(chǎn)物，若仍存在不能去除的腐蝕產(chǎn)物，則用鋼絲刷進(jìn)行處理。然后用流水反復(fù)清洗，以確保完全去除腐蝕產(chǎn)物，以避免試樣繼續(xù)受到腐蝕，同時也保證不損傷金屬表面[16]。

試件通電后，負(fù)極連接的導(dǎo)電金屬表面立即產(chǎn)生大量氣泡，這是酸雨溶液中流離的H+在得到電子后生成的氫氣。隨著通電時間的增加，溶液逐漸由清澈的白色變成了黃綠色，表面拉伸試件的鐵元素在失去電子后形成了流離的Fe2+，電極反應(yīng)如式(2)～(3)，然后黃綠色消失，溶液變成黃褐色，這是溶液中流離的Fe2+繼續(xù)失去電子，形成了Fe3+，電極反應(yīng)如式(4)～(5)。

陽極：

Fe→Fe2++2e

(2)

陰極：

2H++2e→H2

(3)

陽極：

2Fe2+→2Fe3++2e

(4)

陰極：

2H++2e→H2

(5)

本試驗采用測量腐蝕鋼材殘余質(zhì)量的方法測定鋼材的腐蝕率，如公式(6)所示。其中β為腐蝕率，%；Δm為鋼材因腐蝕質(zhì)量的減少值，g；m0為鋼管初始質(zhì)量，g；m1為腐蝕后鋼管質(zhì)量，g。

(6)

使用Evo18掃描電子顯微鏡(SEM)分析腐蝕鋼板表面形貌。

1.2 單調(diào)力學(xué)性能試驗

目前測量金屬材料的縱橫向變形的常用方法有機(jī)械法、聲學(xué)方法、光學(xué)方法和電阻法等，而由于電阻法靈敏度高，并且可以在應(yīng)變儀上直接讀出應(yīng)變數(shù)據(jù)[17]，因此本試驗采用電阻法測量材料的縱橫向變形。首先將試樣兩面中間位置用砂紙打磨，然后用醫(yī)用棉球蘸少量酒精將打磨處進(jìn)行脫脂清理，然后分別沿平行和垂直于試樣長度方向各貼2個電阻應(yīng)變片(如圖1所示)，型號為BX120-3AA，靈敏系數(shù)為2.0±1%。再用游標(biāo)卡尺標(biāo)定試樣拉伸前的尺寸l0。單調(diào)拉伸試驗采用應(yīng)變加載控制方式，應(yīng)變加載速率為0.000 25 s-1。拉伸試件具體試驗參數(shù)及測試結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試件試驗參數(shù)及測試結(jié)果Table 1 Test parameters and test results of tensile specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕后表面形貌

不同腐蝕程度鋼板試樣表面微觀腐蝕形貌如圖3所示。在0.2 mm標(biāo)尺狀態(tài)下可以看出經(jīng)歷酸雨腐蝕后，試樣表面均存在凹凸不平的腐蝕痕跡，即腐蝕形式屬于坑蝕。但不同腐蝕率下試樣表面的蝕坑數(shù)量、大小以及分布都出現(xiàn)不同的變化。基本規(guī)律：當(dāng)β≤10%時，隨著腐蝕率的增大，蝕坑數(shù)量越多、分布越密集，部分蝕坑相互交匯使得蝕坑表面積增大、深度增加；當(dāng)25%≥β≥15%時，試樣表面產(chǎn)生的蝕坑更趨于明顯和密集，形成了蝕坑集落，并且在集落內(nèi)又生成新的蝕坑，因此表面有較大面積的半球狀蝕坑[18]。

2.2 拉伸斷裂方式

在本研究腐蝕率范圍內(nèi)，不同腐蝕程度拉伸試件存在2種不同的斷裂方式：正斷(斷口垂直于試件軸線方向)或斜斷(斷口與試件軸線呈一定角度)。觀察各拉伸件斷口，都存在正斷和斜斷2種形式，但低腐蝕率(β≤10%)拉伸件的斷口主要為正斷；高腐蝕率(25%≥β≥15%)拉伸件的斷口主要為斜斷，如圖4所示。

2.3 拉伸斷口形貌

韌窩不同腐蝕程度鋼板拉伸斷口的宏觀對比如圖5所示。在2 μm標(biāo)尺狀態(tài)下，可以看出腐蝕鋼板拉伸斷口特征區(qū)域的微觀形貌差異較大：當(dāng)β=5%時，拉伸斷口表面有大量韌窩，且韌窩尺寸較大且深，說明試樣塑性較好；當(dāng)腐蝕率為15%≥β≥10%時，其斷口微觀形貌中韌窩尺寸較小且淺，表明其塑性下降，但此時試樣塑性仍較好；當(dāng)β=20%時，其斷口微觀形貌中不但有很多小韌窩，還有明顯解理面，說明試樣不但具有塑性，同時還存在脆性，而且是以脆性斷裂為主；當(dāng)β=25%時，其斷口微觀形貌中韌窩不再存在，只有呈階梯狀的解理面且逐漸增多，說明試樣為脆性斷裂。

2.4 應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線

拉伸過程中，由于鋼材發(fā)生縮頸現(xiàn)象，拉伸件橫截面發(fā)生變化，應(yīng)變不再均勻，導(dǎo)致粘貼在試樣正中間的應(yīng)變片出現(xiàn)讀數(shù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。但是拉伸試驗并未終止，直到試件被拉斷才停止試驗，進(jìn)而得到了完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

從圖6可以看到，隨著鋼材腐蝕的增加，鋼材強度呈減小的趨勢，而且腐蝕率越大，曲線中彈塑性變形階段的弧度越短，說明由彈性段進(jìn)入強化段時間用時較短。

2.5 力學(xué)性能指標(biāo)

根據(jù)以往研究可知，腐蝕鋼材的力學(xué)指標(biāo)主要集中于屈服強度、極限強度、彈性模量以及伸長率。但由鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理可知，當(dāng)承受外部荷載時由于外部鋼管泊松比(μs=0.28～0.30)大于核心混凝土的(μc=0.20)，因此鋼管橫向變形大于混凝土的，鋼管與混凝土之間沒有橫向約束力，當(dāng)外部荷載逐漸增大時，混凝土橫向變形隨之增大，此時鋼管對混凝土產(chǎn)生橫向約束力，阻止混凝土進(jìn)一步橫向變形，因此鋼材泊松比是分析鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力機(jī)理的一個關(guān)鍵參數(shù)。

圖7給出了腐蝕率與屈服強度、彈性模量、極限強度、泊松比與伸長率的關(guān)系。從圖7可以看出試驗數(shù)據(jù)雖然離散，但整體上鋼材屈服強度、彈性模量、極限強度和伸長率都隨著腐蝕率的增加而呈下降趨勢。這是因為酸雨腐蝕導(dǎo)致鋼材表面形成大小不同的蝕坑，蝕坑的存在會導(dǎo)致鋼材物理性能的不連續(xù)性，且截面尺寸的突變也易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得局部應(yīng)力和局部應(yīng)變突然增大，造成截面應(yīng)力分布不均勻和應(yīng)變速率不同。此外蝕坑也易使鋼材從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)向于脆性狀態(tài)，進(jìn)而使得蝕坑周圍產(chǎn)生微裂紋，并隨著軸向外荷載的增加而逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能的退化[5]。而泊松比隨著腐蝕率的增加而呈上升趨勢，這可能是因為坑蝕導(dǎo)致試樣的橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變均減少，但軸向應(yīng)變的減少值大于橫向應(yīng)變的減少值。泊松比與腐蝕率的變化關(guān)系也表明當(dāng)承受外部軸向荷載作用時，隨著腐蝕率的增加，鋼管對核心混凝土產(chǎn)生的橫向約束作用越晚，對構(gòu)件的安全性不利，應(yīng)該引起重視。

但整體上鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)與腐蝕率近似呈線性關(guān)系。因此利用最小二乘法，回歸出腐蝕鋼材屈服強度(fβy)、彈性模量(Eβs)、極限強度(fβu)、伸長率(fβδ)及泊松比(μβs)與腐蝕率β的定量關(guān)系，如下公式(7)～(11)所示。

fβy=(1-0.908β)fyR2=0.800 6

(7)

Eβs=(1-0.525β)EsR2=0.606 8

(8)

fβu=(1-0.797β)fuR2=0.752 8

(9)

μβs=(1-0.739β)μsR2=0.714 9

(10)

fβδ=(1-2.209β)fδR2=0.831 8

(11)

3 結(jié) 論

(1)酸雨腐蝕后，鋼板表面的腐蝕屬于坑蝕；當(dāng)腐蝕率小于10%時，拉伸件斷口主要為正斷破壞；當(dāng)腐蝕率小于25%大于15%時，拉伸件斷口主要為斜斷破壞。

(2)酸雨腐蝕后鋼材力學(xué)性能指標(biāo)值離散程度相對較大，但整體上屈服強度、彈性模量、極限強度和伸長率都隨著腐蝕率的增加而呈下降趨勢，而泊松比隨著腐蝕率的增加而呈上升趨勢。

(3)基于單調(diào)拉伸試驗數(shù)據(jù)，通過最小二乘法，回歸出酸雨腐蝕條件下Q235鋼材力學(xué)性能指標(biāo)的簡化計算經(jīng)驗公式，試驗值與預(yù)測值偏差較小，可為酸雨區(qū)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計及安全評估提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。