陳秀玲，陳明政，朱佳豪，汪 偉，肖云鳳

(重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 400074)

預(yù)應(yīng)力鋼材無論在建筑結(jié)構(gòu)還是橋梁結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用都是極為常見，同時(shí)也多為關(guān)鍵受力部位。由于交通運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)迅猛發(fā)展導(dǎo)致的霧霾及酸雨改變了重慶地區(qū)的大氣環(huán)境，也加速了預(yù)應(yīng)力鋼材的腐蝕，嚴(yán)重影響了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

通過查閱文獻(xiàn)和相關(guān)資料收集，得到關(guān)于國內(nèi)外因鋼絲腐蝕造成的病害情況表，如表1所示,鋼絲銹蝕是目前較為常見病害之一，同時(shí)其造成的影響也是不容小覷。

表1 國內(nèi)外鋼絲腐蝕病害統(tǒng)計(jì)

隨著使用年限的增加，越來越多的因鋼絲腐蝕、老化等問題造成建筑物倒塌事故層出不窮，預(yù)應(yīng)力鋼材的可靠度和耐久性對(duì)結(jié)構(gòu)體系的安全影響較大，一旦失效或者發(fā)生結(jié)構(gòu)耐久性問題，將產(chǎn)生毫無征兆的脆性破壞。因此，為了減小由于預(yù)應(yīng)力鋼材腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的可能性，本項(xiàng)目結(jié)合重慶地區(qū)霧霾酸雨環(huán)境的特點(diǎn)，科學(xué)構(gòu)建預(yù)應(yīng)力鋼材試件，人工模擬酸雨環(huán)境下對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕試驗(yàn)，深入全面研究預(yù)應(yīng)力鋼筋在各致酸離子影響下的腐蝕規(guī)律，并提出合理的耐久性設(shè)計(jì)建議，為預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和安全保障奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件加載裝置設(shè)置

試驗(yàn)所采用的鋼絲為直徑為5 mm的普通熱鍍鋅鋼絲，鋼絲長度為1 000 mm，抗拉強(qiáng)度代表值為1 670 MPa。結(jié)合JGT 369-2016《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼絲和鋼絞線的張拉控制應(yīng)力允許值為0.40fptk～0.75fptk。因此，本次試驗(yàn)采用三個(gè)相同的加載裝置，對(duì)每個(gè)加載裝置上的鋼絲施加3種不同的張拉控制應(yīng)力，分別是0.25fptk、0.5fptk、0.75fptk，以求達(dá)到對(duì)比性效果。

試驗(yàn)中每個(gè)裝置是由足夠剛度的鋼板焊接而成，且經(jīng)過鍍鋅處理，鋼板厚15 mm、高42 mm、長200 mm、寬200 mm。鋼框兩端分別鉆有3個(gè)直徑為9 mm的孔洞，用于固定預(yù)應(yīng)力鋼絲，兩端用直徑為5 mm的單孔夾片式錨具錨固。預(yù)應(yīng)力的施加大小是通過千斤頂來完成，由壓力傳感器顯示讀數(shù)，將鋼絲超張拉到設(shè)計(jì)好的張拉控制應(yīng)力值后，通過分級(jí)張拉進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)校核，再通過擰動(dòng)標(biāo)定件上的螺母來固定位移并穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)，使其達(dá)到預(yù)定的效果，張拉完成后，再拆除千斤頂?shù)阮A(yù)應(yīng)力加載構(gòu)件。具體加載裝置詳圖可見圖1。

圖1 加載裝置設(shè)計(jì)

1.2 人工模擬酸雨環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)前將整個(gè)加固好的試件進(jìn)行清洗和烘干處理，處理好后再放入腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行下一步的腐蝕試驗(yàn)操作。本試驗(yàn)采用的是將近5 a的重慶酸雨溶液中各離子濃度的加權(quán)平均值作為計(jì)算依據(jù)[1]，模擬的酸雨溶液化學(xué)組成表如表2所示。

表2 模擬酸雨溶液組成成分及含量 umol/L

本試驗(yàn)為酸性鹽霧試驗(yàn)，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行[2]。根據(jù)酸雨溶液中離子的組成成分及含量表，科學(xué)合理的選取相應(yīng)的化學(xué)試劑，用精確度為0.004的分析天平稱取溶劑NaCl 1.00 g，(NH4)2SO417.76 g，KNO31.00 g，MgSO40.96 g，NaNO310.00 g，Ca(NO3)2·6H2O1.5 g，稱取誤差控制在±0.1 g，將稱取好的化學(xué)試劑溶于500 mL的燒杯中，再加入純度大于15的去離子水直至500 mL，用玻璃棒攪拌均勻后，將調(diào)配好的溶劑移入到5 L的容器中，加去離子水至5 L，溶液的pH值控制在3.1～3.5，若不滿足條件則用冰乙酸和氫氧化鈉進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，pH值的測(cè)定選用pH計(jì)。

通過鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱模擬大氣酸雨環(huán)境，鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱外型尺寸為2 700 mm×1 500 mm×1 500 mm。試驗(yàn)箱的溫度為35 ℃±2 ℃并保持恒定，采取連續(xù)噴霧的方式，每隔48 h取樣、拍照，腐蝕周期為16 d。本次試驗(yàn)分為3組，放入鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱里，每組試件有3種不同的張拉控制應(yīng)力，分別是0.25fptk、0.5fptk、0.75fptk，分3個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)，分別是4 d、8 d、16 d，每個(gè)時(shí)間段有一組試驗(yàn)。通過失重法來測(cè)量鋼筋的腐蝕速率，失重法的平行試樣為3個(gè)，取平均值，去除鋼筋表面的腐蝕產(chǎn)物采用pH為3的500 mL HCl+500 mL 蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺混合液進(jìn)行浸泡清洗，取出后用清水清洗和鋼絲球刷掉表面腐蝕產(chǎn)物，放入烘干箱進(jìn)行烘干，烘干時(shí)需要加入白紙作為隔離層，放入吸水沙，溫度控制在100 ℃±2 ℃鼓風(fēng)烘干，取出后用電子天平稱取質(zhì)量。

1.3 試驗(yàn)情況

本次試驗(yàn)記錄了4～16 d不同的腐蝕現(xiàn)象，其腐蝕情況如圖2～圖4所示。

圖2 腐蝕4d的情況

圖3 腐蝕8d的情況

圖4 腐蝕16d的情況

通過觀察鋼絲表面的腐蝕情況得到預(yù)應(yīng)力鋼絲隨著時(shí)間的增長腐蝕現(xiàn)象越明顯；鋼絲表面呈現(xiàn)出分布較為均勻的不同形狀，隨著時(shí)間的增長其腐蝕面積也逐步變大，腐蝕深度逐步明顯；同時(shí)，鋼絲的腐蝕率與應(yīng)力的大小密切相關(guān)，應(yīng)力越大腐蝕現(xiàn)象越明顯。

2 結(jié)果分析(影響因素)

將預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力卸載后用天平稱取腐蝕后的質(zhì)量，并計(jì)算出截面面積，得到相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)(表3、表4)，通過分析這些數(shù)據(jù)來得出結(jié)論。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到以下腐蝕速率與時(shí)間關(guān)系圖，見圖5～圖7。

表3 酸雨環(huán)境下人工腐蝕鋼絲的腐蝕數(shù)據(jù)(時(shí)間變化)

表4 酸雨環(huán)境下人工腐蝕鋼絲的腐蝕數(shù)據(jù)(應(yīng)力變化)

圖5 張拉控制應(yīng)力為0.25fptk的腐蝕速率

圖6 張拉控制應(yīng)力為0.5fptk的腐蝕速率

圖7 張拉控制應(yīng)力為0.75fptk的腐蝕速率

3 結(jié)束語

(1)通過試驗(yàn)得到，在同一人工模擬酸雨環(huán)境下，保持時(shí)間、溫度不變，鋼絲的腐蝕率與預(yù)應(yīng)力的大小有關(guān)，所施加的預(yù)應(yīng)力越大，腐蝕速率就越快。

(2)在同一人工模擬酸雨環(huán)境下，保持預(yù)應(yīng)力大小和溫度不變，隨著腐蝕時(shí)間的變化其腐蝕速率呈現(xiàn)出先增大然后達(dá)到一定的腐蝕速率后呈平緩趨勢(shì)上升；

(3)在同一腐蝕環(huán)境、溫度和時(shí)間點(diǎn)下，預(yù)應(yīng)力的大小決定腐蝕速率曲線變化的斜率，預(yù)應(yīng)力越大的，腐蝕速率越大。

(4)通過觀察鋼絲表面的腐蝕情況得到預(yù)應(yīng)力鋼絲隨著時(shí)間的增長腐蝕現(xiàn)象越明顯，鋼絲表面呈現(xiàn)出分布較為均勻的不同形狀，隨著時(shí)間的增長其腐蝕面積也逐步變大，腐蝕深度逐步明顯。

由于預(yù)應(yīng)力鋼筋在建筑業(yè)中使用廣泛，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)關(guān)注其耐久性狀態(tài)，特別是長期裸露在大氣環(huán)境下的鋼筋。通過本項(xiàng)目研究結(jié)果可以得到關(guān)于鋼筋的耐久性建議：若鋼筋不可避免地長期處于大氣環(huán)境下，如橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行隔離防護(hù)，增加鋼材的使用壽命；定期對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性探測(cè)，避免災(zāi)害的發(fā)生。