孫麗雅,葉忠明,彭衛(wèi)*

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鋼絞線加速銹蝕及其力學(xué)性能試驗(yàn)研究

孫麗雅1,葉忠明2,彭衛(wèi)2*

1. 浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 東陽(yáng) 322100 2. 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院, 浙江 寧波 315100

鋼絞線作為一種常用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料，其耐久性性能的優(yōu)劣受到諸多因素的影響，其中，環(huán)境因素造成的銹蝕使得鋼絞線力學(xué)性能退化，嚴(yán)重降低其耐久性。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)沿用在鋼筋中的銹蝕定律加以修正；并利用修正后的銹蝕經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)鋼絞線加速銹蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析；不同腐蝕速率為1％~9％的試樣由30根長(zhǎng)度為100 cm的鋼絞線制成。靜態(tài)拉伸試驗(yàn)用于獲得腐蝕鋼絞線的機(jī)械性能隨腐蝕速率的變化，從而為實(shí)際工程中的吊桿及拉索結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估提供依據(jù)。

鋼絞線; 力學(xué)性能; 加速銹蝕

對(duì)于鋼絞線銹蝕后的力學(xué)性能研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從極限強(qiáng)度、極限延伸率、名義彈性模量進(jìn)行分析。在靜力分析方面，國(guó)外學(xué)者Vehovar利用某高架橋上已嚴(yán)重銹蝕的鋼絞線進(jìn)行了軸向拉伸試驗(yàn)[1]，結(jié)果表明隨著銹蝕程度的加大，鋼絲強(qiáng)度明顯下降。李富民、鄭亞明等[2,3]各自通過(guò)不同加速銹蝕手段得到特定銹蝕率下的鋼絞線，進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，一致得出“銹蝕鋼絞線的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與銹蝕率成反比”的相似結(jié)論，吳雪峰[4]則通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)分析認(rèn)為，當(dāng)鋼絲腐蝕速率高于百分之八時(shí)，一般未出現(xiàn)屈服性質(zhì)。腐蝕后鋼絞線的標(biāo)稱(chēng)彈性模量特性尚未達(dá)到一致的學(xué)術(shù)成果，其研究成果具有一定的差異性，但一致認(rèn)為銹蝕率的增加會(huì)導(dǎo)致其彈性模量的降低。

盡管針對(duì)鋼絞線銹蝕后的靜力拉伸斷裂特性研究較少，但力學(xué)性能退化研究頗有進(jìn)展。戴品強(qiáng)等[5]從微觀的角度出發(fā)，對(duì)珠光體裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了探索，認(rèn)為鋼絲珠光體層片與拉伸軸間位向關(guān)系影響較大；Toribio等[6]利用人工刻痕的方式制作特定銹蝕源構(gòu)件，進(jìn)而研究了拉拔程度對(duì)銹蝕后鋼絲斷裂特性的影響；李富民等[7]利用銹蝕鋼絞線進(jìn)行拉伸斷裂特性的研究，將其斷口形式總結(jié)為四種，分別是杯錐式、銑刀式、劈裂式以及劈裂-銑刀式，為后續(xù)研究提供了依據(jù)；申麗娟等[8]通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕后的靜力拉伸試驗(yàn)，得到筆尖狀斷裂形狀，使得鋼絞線拉伸斷裂斷口形式得到了補(bǔ)充。

1 鋼絞線加速銹蝕

電化學(xué)的環(huán)節(jié)是形成鋼筋腐蝕的重中之重。鑒于鋼筋（鋼絞線）在實(shí)際工程中的腐蝕是十分長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)節(jié)，為了更好擁有諸多試驗(yàn)所準(zhǔn)備的銹鋼絞線，本文運(yùn)用了改進(jìn)的鋼筋。腐蝕法加速了腐蝕速率的控制而且擁有了生銹的鋼絞線試件[9]。因?yàn)殇摰母g關(guān)鍵是面臨普通鋼的腐蝕規(guī)律，為了將它推廣應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力鋼絞線，先對(duì)其進(jìn)行修正。

1.1 鋼筋銹蝕定律

鋼腐蝕規(guī)律：電極界面處化學(xué)變化物質(zhì)的質(zhì)量與引入的電量是成正比的[10]。通常，在鋼筋的電化學(xué)腐蝕環(huán)節(jié)中，鋼筋的腐蝕損失質(zhì)量與電流強(qiáng)度的大小和通電的時(shí)間長(zhǎng)度息息相關(guān)，可以根據(jù)公式（1）和（2）計(jì)算。

式中，各參數(shù)的定義見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

特定銹蝕率的鋼絞線試件制作通過(guò)控制電流密度和通電時(shí)間來(lái)完成。但上述公式主要適用于鋼筋而非鋼絞線，由于其截面構(gòu)成和材料成分皆不同于普通鋼筋，為將法拉第第一定律應(yīng)用到鋼絞線電化學(xué)加速銹蝕中，需利用試驗(yàn)對(duì)上述公式進(jìn)行修正。

1.2 修正鋼筋銹蝕定律公式

試驗(yàn)設(shè)置29組試件，共63根鋼絞線。4組12根長(zhǎng)度均為30 cm，編號(hào)為GJ1-1~GJ4-3；3組3根長(zhǎng)30 cm，每根10 cm范圍外包混凝土，編號(hào)為GJ17-GJ19；12組18根長(zhǎng)度50 cm，編號(hào)為GJ5-1 ~GJ7-3和GJ8~GJ16；10組共30根長(zhǎng)度為100 cm的鋼絞線，編號(hào)為GJ20-1~GJ29-3。30 cm、50 cm長(zhǎng)的鋼絞線通電加速銹蝕試驗(yàn)是為了修正鋼筋銹蝕定律公式，100 cm長(zhǎng)的鋼絞線用于承載力試驗(yàn)。

銹蝕電流密度分別取300 μA/cm2、600 μA/cm2實(shí)現(xiàn)加速銹蝕的目的，再通過(guò)鋼筋銹蝕定律（式3），計(jì)算出不同銹蝕率下的通電時(shí)間。

1.2.2 鋼筋銹蝕定律適用性修正修正鋼絲在達(dá)到既定的生銹時(shí)間，酸洗，干燥和稱(chēng)重后取出。將鋼絞線浸泡在濃度為12％的稀鹽酸中。在達(dá)到相關(guān)的時(shí)間要求后，審查表面腐蝕的實(shí)際情況。若銹蝕產(chǎn)物被完全酸解，則肉眼可見(jiàn)無(wú)鐵銹等附著在上面，此時(shí)可將其用純凈水洗凈再烘干。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，實(shí)際銹蝕率與理論銹蝕率相比高出0.5倍，如（式4）所示。同時(shí)，銹蝕率越高，實(shí)際值與理論值越接近。若取修正系數(shù)=1.5，則鋼筋銹蝕定律公式將更適用鋼絞線加速銹蝕試驗(yàn)。

1.3 鋼絞線加速銹蝕試驗(yàn)

按修正后的鋼筋銹蝕定律公式加速銹蝕100 cm長(zhǎng)鋼絞線（10組共30根長(zhǎng)度為100 cm的鋼絞線，編號(hào)為GJ20-1~GJ29-3），再研究其靜態(tài)力學(xué)性能。

2 靜力拉伸銹蝕鋼絞線過(guò)程

2.1 銹蝕鋼絞線靜力拉伸試驗(yàn)準(zhǔn)備

在軸向拉力作用下測(cè)定材料的力學(xué)性能試驗(yàn)方法即為拉伸試驗(yàn)。本次拉伸試驗(yàn)主要為得到鋼絞線的極限承載力、屈服力、總伸長(zhǎng)率和彈性模量。最大試驗(yàn)力按GB/T21839的規(guī)定確定。在WEW-600數(shù)字顯示萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行30 cm和50 cm長(zhǎng)的試樣的靜力拉伸試驗(yàn)，在CEW-1000B計(jì)算機(jī)電腦屏鋼絞線試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行100 cm長(zhǎng)的試樣的靜力拉伸試驗(yàn)。如果鋼絞線試件的斷裂位置在試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)或鋼雙股公稱(chēng)直徑范圍內(nèi)，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)，在統(tǒng)計(jì)分析中，不包括該組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用標(biāo)距長(zhǎng)度的不成比例延伸（不小于一個(gè)捻距）來(lái)獲得引伸計(jì)標(biāo)距0.2％的力（Fp0.2）作為屈服力，然后按公稱(chēng)直徑截面積計(jì)算鋼絞線的抗拉強(qiáng)度。

2.2 銹蝕鋼絞線靜力拉伸試驗(yàn)分析

圖1 GJ24-1荷載—拉伸變形關(guān)系

圖2 GJ25-1荷載—拉伸變形關(guān)系

圖3 GJ28-1荷載—拉伸變形關(guān)系

圖4 GJ29-2荷載—拉伸變形關(guān)系

由圖1~4分析得知，鋼絞線變形曲線的屈服段隨銹蝕程度的增加而逐漸減小，其最大破斷力與銹蝕程度成反比。觀察試樣GJ28-1得知，銹蝕鋼絞線突然斷裂，荷載——位移曲線出現(xiàn)陡然下降段，屈服段消失，此時(shí)的鋼絞線實(shí)際銹蝕率為9.1%。由此推斷，當(dāng)銹蝕率大于9.1%后，鋼絞線不會(huì)出現(xiàn)屈服，而是直接發(fā)生脆性破壞。

3 銹蝕鋼絞線靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 銹蝕鋼絞線斷裂性能及斷口形式

該試驗(yàn)結(jié)果表征清晰，具體如下：鋼絞線的最大破斷力直接受到銹蝕弱化影響，銹蝕后破斷力小于無(wú)銹蝕鋼絞線；當(dāng)鋼絞線拉伸斷裂時(shí)，無(wú)銹鋼絞線的形狀是一樣的，隨著腐蝕速率的增加，生銹鋼絞線同時(shí)斷裂的鋼絲數(shù)量逐漸變少。鑒于在腐蝕鋼絞線的加速腐蝕環(huán)節(jié)中不均勻的蝕坑分布，且銹蝕程度不一，使得各根鋼絲的損傷程度有一定的差異性，從而導(dǎo)致銹蝕程度最嚴(yán)重的鋼絲在拉伸變形初期便首先斷裂，伴隨著銹蝕程度加劇，鋼絲損傷的差異性更加突出。進(jìn)一步分析得知：銹蝕鋼絞線拉伸過(guò)程中最大破斷力出現(xiàn)時(shí)刻與第一批鋼絲斷裂的時(shí)刻基本一致，且最大破斷力與銹蝕程度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，銹蝕程度過(guò)大將發(fā)生脆性破壞。此時(shí)的銹蝕率可作為脆性破壞的判別依據(jù)。

圖5 鋼絞線斷口形式

試驗(yàn)得到的鋼絲斷口形式具有一定特征，該特征基本與李富民[2]獲得的結(jié)論相符，破斷特征于圖5中示出。從圖5可以看出，圖5（a）和圖5（b）都發(fā)生頸縮現(xiàn)象，屬于延性破壞斷口；圖5（c）和圖5（d）未發(fā)生頸縮現(xiàn)象，屬于脆性破壞斷口。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著銹蝕程度的不斷發(fā)展，鋼絞線更容易發(fā)生脆性破壞。

3.2 隨銹蝕率條件下的銹蝕鋼絞線力力學(xué)性質(zhì)的變化數(shù)據(jù)規(guī)律

3.2.1 名義屈服強(qiáng)度名義屈服強(qiáng)度采用鋼絞線殘余應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。為使鋼絞線在斷裂破壞之前無(wú)明顯征兆，需再選擇合適的鋼絞線屈強(qiáng)比。其試驗(yàn)結(jié)果如圖6（a）所示，擬合曲線得到該名義屈服強(qiáng)度和銹蝕率的統(tǒng)計(jì)公式（式5），其中相關(guān)系數(shù)為0.923。

R0.2=175293-16.52(5)

3.2.2 名義極限強(qiáng)度鋼絞線的首根鋼絲斷裂時(shí)的拉力與鋼絞線公稱(chēng)面積的比值可作為試驗(yàn)獲得的名義極限強(qiáng)度。由圖1~4分析得知，名義極限強(qiáng)度與銹蝕率成反比具體函數(shù)關(guān)系如圖6（b）所示，與文獻(xiàn)[6,8]中得到的擬合結(jié)果相比，數(shù)據(jù)離散小較小，其名義腐蝕速率與極限強(qiáng)度和的擬合見(jiàn)圖6，相關(guān)系數(shù)是0.947。

R=1956.75-36.250≤≤10.9 (6)

3.2.3 名義彈性模量 標(biāo)稱(chēng)彈性模量無(wú)銹損壞鋼絞線本構(gòu)曲線中彈性相的斜率值可用作生銹鋼絞線的標(biāo)稱(chēng)彈性模量。在本文中，鋼絞線的標(biāo)稱(chēng)彈性模量是通過(guò)測(cè)試儀器獲得的。其與銹蝕率的關(guān)系如圖6（c）所示，其擬合曲線公式如式7所示，相關(guān)系數(shù)為0.86。

=213.43-2.650≤≤10.9 (7)

3.2.4 極限延伸率鋼絞線受到其材料限制，延性相對(duì)較差，隨著銹蝕程度的不斷增加，蝕坑加深、擴(kuò)展，應(yīng)力集中愈加明顯，同時(shí)由于不可忽略的泊松比，鋼絞線橫向收縮，故面積不斷減小，極大程度地削弱了其延性。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，其銹蝕率接近某限值時(shí)，鋼絞線拉伸變形屈服平臺(tái)逐漸消失，即刻發(fā)生脆性破壞。于本次試驗(yàn)，前述銹蝕率限值可確定為10.9%。根據(jù)圖6（d）散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，可得極限延伸率與銹蝕率關(guān)系（式8），其相關(guān)系數(shù)為0.908。

A=4.83-0.3750≤≤10.9 (8)

圖6 鋼絞線力學(xué)性能隨銹蝕率變化

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，修正沿用在鋼筋中的銹蝕定律模型，以適用于鋼絞線的加速腐蝕；根據(jù)改進(jìn)的試驗(yàn)-經(jīng)驗(yàn)公式，鋼絞線加速生銹;對(duì)銹蝕鋼絞線進(jìn)行了靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，總結(jié)了腐蝕鋼絞線的靜力學(xué)性能。作為腐蝕速率函數(shù)的性能定律（標(biāo)稱(chēng)屈服強(qiáng)度，標(biāo)稱(chēng)極限強(qiáng)度，標(biāo)稱(chēng)彈性模量，極限伸長(zhǎng)率）。結(jié)果表明，腐蝕鋼絞線的力學(xué)性能與腐蝕速率呈線性關(guān)系，伴隨腐蝕速百分比數(shù)據(jù)的增加，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)皆呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；本文試驗(yàn)結(jié)果的離散性相較于其他作者更小，可靠性更高；通過(guò)銹蝕鋼絞線斷口形式分析得知，銹蝕率的增大將導(dǎo)致延性降低，使之更容易發(fā)生脆性破壞。

[1] Vehovar L, Kuhar V, Vehovar A. Hydrogen-assisted stress-corrosion of prestressing wires in a motoway viaduct[J]. Engineering Failure Analysis,1998,5(1):21-27

[2] 李富民,袁迎曙,杜健民,等.氯鹽腐蝕鋼絞線的受拉性能退化特征[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,39(2):340-344

[3] 鄭亞明,歐陽(yáng)平,安琳.銹蝕鋼絞線力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2005(6):33-36

[4] 吳雪峰.銹蝕鋼絞線力學(xué)性能和粘結(jié)性能研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2014

[5] 戴品強(qiáng),何則榮,毛志遠(yuǎn),等.珠光體裂紋萌生與擴(kuò)展的TEM原位觀察[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2003,24(2):41-45

[6] Toribio J, Ayaso FJ. An isotropic fracture behaviour of cold drawn steel: a materials science approach[J]. Materials Science and Engineering A, 2003,343(1/2):265-272

[7] 李富民,袁迎曙.銹蝕鋼絞線的靜力拉伸斷裂特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2007,37(5):905-909

[8] 申麗娟,萬(wàn)長(zhǎng)杰,李國(guó)軍,等.預(yù)應(yīng)力鋼絞線SWRH82B斷裂分析[J].河南冶金,2012,20(6):23-24

[9] 葉忠明.銹蝕鋼絞線力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2016

[10] 楊綺琴,方北龍,童葉翔.應(yīng)用電化學(xué)[M].第2版.廣州:中山大學(xué)出版社,2005:112-118

Experimental Study on Accelerated Corrosion and Mechanical Properties of Steel Strands

SUN Li-ya1, YE Zhong-ming2, PENG Wei2*

1.322100,2.315100,

As a common prestressing structural material, the durability of steel strand has affected by many factors. Corrosion will lead to degradation of mechanical properties of steel strand and further reduce its durability. Corrosion formula used in reinforced accelerated corrosion was amended through the experiments; Steel strand accelerated corrosion test was carried out according to the revised experience formula; the static tensile test of corroded steel strand was carried out, too. Static mechanical properties with the corrosion rate of corroded steel strands were conducted. The results could provide further reference for durability evaluation of suspenders and cable structures.

Steel strand; mechanical properties; accelerated corrosion

TU528.02

A

1000-2324(2019)02-0228-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.011

2018-05-23

2018-07-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:近海環(huán)境斜拉索風(fēng)致疲勞損傷的磁流變阻尼器控制(51478430)

孫麗雅(1977-),女,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)橥聊窘ㄖこ? E-mail:625022300@qq.com

Author for correspondence. E-mail:pengw@nit.net.cn