喻宣瑞，姚國文，鐘 浩，蔣一星

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

氯鹽環(huán)境下，由氯離子侵蝕所誘發(fā)的拉索內鋼絞線銹蝕是導致索承式橋梁耐久性失效破壞的重要原因［1］.因此揭示氯離子對鋼絞線的腐蝕規(guī)律及侵蝕過程中鋼絞線力學性能變化過程，對評價索承式橋梁安全性能，提高結構物在惡劣環(huán)境下的耐久性具有一定理論意義和工程價值［2］.

起初，絕大部分研究僅考慮交變荷載對鋼絞線耐久性的影響，如Mayrbaurl等［3］分析了交變荷載對索承式橋梁承載能力的影響，得到鋼絞線的破壞模式；李先立等［4］通過物理模型試驗，揭示了交變荷載應力幅對高強鍍鋅鋼絲的破壞規(guī)律，并采用可靠度的方法對鋼絲疲勞壽命進行預測.但上述研究僅考慮了交變荷載對鋼絞線力學性能的影響，而忽視了氯鹽環(huán)境對結構壽命的作用.為此，Khaled等［5］依托相關工程案例，探究鋼絞線的腐蝕機理，發(fā)現(xiàn)鋼絞線與水、氯離子三者之間易發(fā)生電化學反應，氯離子在整個反應中起到催化劑作用，故反應一旦發(fā)生，將會持續(xù)進行下去，直至鋼絞線斷裂.鋼絞線的腐蝕種類大致分為2類：析氫腐蝕和吸氧腐蝕［6］.析氫腐蝕更容易在酸性條件下發(fā)生，而吸氧腐蝕更容易在堿性或者中性環(huán)境下進行.對鋼絞線的腐蝕分為3個階段：蝕坑萌芽、蝕坑衍生、裂紋形成（包括短裂紋的形成、長裂紋的形成）［7］.Quesnay等［8］發(fā)現(xiàn)蝕坑是影響鋼絞線安全性能及疲勞壽命的關鍵因素，在拉力作用下，蝕坑位置處形成明顯的應力集中現(xiàn)象，裂紋易從該處衍生，導致鋼絞線安全性能降低.

然而大多數(shù)研究僅考慮荷載對鋼絞線耐久性的影響，或者分別考慮交變荷載和氯鹽環(huán)境對其耐久性的作用，而未考慮氯鹽環(huán)境和荷載的耦合作用.在實際工程中，鋼絞線往往承受二者共同作用，故對該問題應進行進一步深入研究.

針對上述問題，本文通過開展鹽霧腐蝕試驗，在不同應力幅和氯鹽環(huán)境共同作用下模擬鋼絞線腐蝕規(guī)律，并基于灰度處理方法從細觀層面上量化鋼絞線腐蝕形態(tài)，通過對鋼絞線進行腐蝕分區(qū)，得到鋼絞線抗拉強度和延伸率與腐蝕率之間的關系.采用工業(yè)電子顯微鏡觀察各腐蝕區(qū)鋼絞線的破壞規(guī)律，分析了不同腐蝕等級下鋼絞線的疲勞壽命.

1 試驗

1.1 原材料及試驗儀器

鋼絞線由中國寶武鋼鐵集團有限公司生產，直徑為15.2 mm，抗拉強度為1 860 MPa，表面鍍鋅層厚度為0.2 mm，單根鋼絲鍍鋅層質量不小于110 g/m2，每根鋼絞線長度為5.4 m.試驗儀器的名稱、型號技術參數(shù)等如表1所示.將試件分為20組，每組3根.分別以5、15、30 d為周期進行試驗，所施加的應力幅（Δσ）分別為100、200、300 MPa，最大循環(huán)荷載為744 MPa，即0.4fptk（fptk為鋼絞線極限強度標準值）［9］.整個試驗歷時720 h，以Δσ＝200 MPa為例，其加載示意圖如圖1所示.

圖1 交變荷載加載示意圖Fig.1 Loading schematic diagram of alternating load

表1 試驗儀器Table 1 Test instruments

1.2 試驗條件

綜合考慮溫度、濕度及氯離子質量濃度對試驗的影響，同時為保證試驗精度，本文參照ASTIM G85-94《Standard practice for modified salt spray（fog）testing》來配置氯鹽溶液.該溶液由氯化鈉、水、氯化銅及醋酸組成，其pH值為3.1～3.3，試驗溫度設置為25℃.氯鹽溶液配置步驟如下：先將氯化鈉溶于水，質量濃度控制在50 g/L左右；再往鹽溶液中加入0.26～0.28 g/L氯化銅；最后加入醋酸，以保持酸性環(huán)境.

2 試驗結果分析

采用鉻酸溶液清洗鋼絞線后，為防止鹽霧中的氯離子腐蝕鋼絞線基體，用自來水沖洗鋼絞線，冷風吹干靜置.向清洗鋼絞線后的鉻酸溶液中加入KSCN（硫氰化鉀），溶液變紅，說明腐蝕產物中含有大量的Fe3＋.采用KYKY-2008B電子顯微鏡將鋼絞線斷面放大6 000倍，其SEM照片如圖2所示.由圖2可見，在交變荷載和氯鹽環(huán)境耦合作用下，鋼絞線表面出現(xiàn)大量蝕坑，且裂紋從蝕坑周圍衍生，其中部分裂紋有進一步擴展趨勢，裂紋最大長度可達5 mm.

圖2 鋼絞線蝕坑的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of steel strand corrosion pit

當腐蝕時間為720 h時，鋼絞線局部腐蝕部位灰度處理結果如表2所示.

表2 鋼絞線局部腐蝕部位灰度處理結果Table 2 Gray processing results of local corrosion of steel strand

由表2可見：當應力幅為100 MPa時，鋼絞線表面較為平整，蝕坑深度較小，但密度較大，部分鍍鋅層仍存在，個別蝕坑直徑約為40μm；當應力幅為200 MPa時，鋼絞線表面出現(xiàn)了大量蝕坑，且蝕坑深度明顯大于應力幅為100 MPa時，個別蝕坑直徑達到55μm，部分蝕坑已聯(lián)合貫通形成裂紋；當應力幅為300 MPa時，鋼絞線表面出現(xiàn)大面積腐蝕，鍍鋅層完全被破壞，大量小蝕坑已聯(lián)合貫通形成較大蝕坑，個別蝕坑直徑可達75μm，蝕坑位置處產生明顯裂紋，部分裂紋已經(jīng)開始衍生，鋼絞線壽命受到嚴重影響.

將色調值在110以下的數(shù)值定義為蝕坑［9］，導出色調分布直方圖，并統(tǒng)計分布量來計算鋼絞線的蝕坑密度，所得結果如表3所示.

表3 不同交變荷載作用下的灰度直方圖數(shù)據(jù)Table 3 Grayscale histogram data under different loading conditions

由表3可知，灰度直方圖總頻數(shù)為398 034，對于應力幅為100、200、300 MPa這3種工況，色調值小于等于110的頻數(shù)總和分別為126 541、156 777、247 975.將色調值小于等于110的頻數(shù)總和所占總頻數(shù)的百分比定義為鋼絞線的腐蝕率［10-11］，得到3種工況下鋼絞線的腐蝕率分別為32.1%、39.4%、62.3%.參照文獻［12-13］，按照灰度處理結果對鋼絞線進行腐蝕分區(qū)，如表4所示.由表4可知，在應力幅為100、200、300 MPa時，鋼絞線所對應的腐蝕區(qū)分別為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū).將位移增長量控制在1 mm/min［14］，通過對不同腐蝕等級的鋼絞線施加1 860 MPa拉應力，得到鋼絞線抗拉強度、延伸率與腐蝕率之間的關系，如圖3所示.由圖3可知：鋼絞線的抗拉強度與腐蝕率之間的相關系數(shù)為0.95；鋼絞線的延伸率與腐蝕率之間的相關系數(shù)為0.93，表明擬合結果具有較高精度.鋼絞線抗拉強度、延伸率與腐蝕率之間的關系如式（1）、（2）所示.

圖3 鋼絞線抗拉強度、延伸率與腐蝕率的關系Fig.3 Relationship between tensile strength，elongation and corrosion rate of steel strand

表4 鋼絞線腐蝕分區(qū)標準Table 4 Division standard of steel strand［12-13］

式中：σut為鋼絞線抗拉強度，MPa；ε為鋼絞線延伸率，%；Δw為腐蝕率，%.

從上述結果可知：鋼絞線的抗拉強度與其腐蝕率服從指數(shù)分布；鋼絞線的延伸率與其腐蝕率服從線性分布.

3 鋼絞線破壞模式

采用電子顯微鏡對鋼絞線典型破壞斷面放大1 000倍進行觀察，結果如圖4所示.由圖4可見，鋼絞線斷裂的原因是由蝕坑所引起的.蝕坑作為潛在疲勞源，當鋼絞線的開裂應力強度因子（ΔK，MPa·m1/2）大于其開裂韌性值時，裂紋易從該位置處延伸.ΔK計算表達式［15］為：

圖4 鋼絞線斷面破壞模式Fig.4 Fracture failure modes of steel strands

式中：Δσ0為應力變化幅值，MPa；Area為疲勞源擴展區(qū)面積，μm2.

根據(jù)鋼絞線疲勞源擴展區(qū)面積計算結果（圖5），通過式（3）計算得到不同腐蝕區(qū)鋼絞線的ΔK，如圖6所示.由圖6可見：鋼絞線腐蝕率與ΔK的增長有較為顯著的關系；隨著鋼絞線腐蝕程度的加深，其ΔK顯著增大.研究表明，鋼絞線的開裂韌性值為6～8 MPa·m1/2［8］.以ΔK＝7.5 MPa·m1/2為例，由圖6還可知，腐蝕區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的鋼絞線發(fā)生開裂的概率分別為28.5%、30.4%、37.8%、45.7%.當鋼絞線裂紋擴展到一定程度時，其斷裂應力因子（KI，MPa·m1/2）超過材料本身斷裂韌性值，鋼絞線瞬斷.KI計算表達式為：

圖5 鋼絞線疲勞源擴展區(qū)面積Fig.5 Fatigue source defect area of steel strand

圖6 鋼絞線開裂應力強度因子Fig.6 Fatigue crack propagation threshold of steel strands

式中：Y為裂紋形狀因子；σ為試件兩端所承受的應力，MPa；a為蝕坑深度.

圓柱體表面橢圓裂紋形狀因子計算式［15］為：

式中：Φ為鋼絞線直徑；b為蝕坑寬度；Cij取值范圍見表5［15］.

表5 Cij的取值范圍Table 5 Values of coefficient Cij［15］

各腐蝕區(qū)鋼絞線的斷裂應力因子計算結果如表6所示.由表6可知，鋼絞線腐蝕程度越嚴重，其斷裂應力因子值越低.在不同應力幅作用下，其破壞模式又存在著較大區(qū)別，當所施加應力幅較大時，鋼絞線腐蝕較為嚴重，易發(fā)生單疲勞源破壞（圖4（a））.原因在于，施加應力幅越大，鋼絞線的裂紋擴展速率越大，開裂應力強度因子更加容易達到開裂韌性值，裂紋貫穿鋼絞線整個截面，使得鋼絞線迅速斷裂.隨著應力幅的減小，鋼絞線腐蝕程度降低，此時裂紋難以從一個方向衍生并貫穿整個截面，故裂紋從多個蝕坑衍生，相互貫穿，形成多疲勞源破壞.當處于低應力幅狀態(tài)，如應力幅為100 MPa時，各疲勞源處裂紋無法短時間貫穿斷面，鋼絞線易出現(xiàn)分層破壞.

表6 鋼絞線斷裂應力因子計算結果Table 6 Fracture toughness values of steel strands

4 鋼絞線的腐蝕疲勞壽命

采用圖2所示的加載方式，對不同腐蝕區(qū)的鋼絞線進行疲勞試驗，所得疲勞壽命N如表7所示.由表7可見：鋼絞線的腐蝕率和應力幅對鋼絞線疲勞壽命影響顯著；當腐蝕程度相當時，隨著應力幅的增大，特別是應力幅為300 MPa時，鋼絞線的疲勞壽命出現(xiàn)顯著下降的趨勢；當所加荷載幅度相同時，鋼絞線的腐蝕程度越嚴重，其疲勞壽命的下降幅度越大.原因在于，鋼絞線腐蝕程度越嚴重，其開裂應力強度因子和斷裂應力因子顯著降低，裂紋更易發(fā)生衍生，故疲勞壽命越短.通過三參數(shù)法對表7中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到各腐蝕區(qū)鋼絞線的腐蝕疲勞壽命，其計算表達式見式（6）.

表7 鋼絞線的腐蝕疲勞壽命Table 7 Valid experimental results of steel strands fatigue life

由式（6）可看出，隨著腐蝕率的增大，鋼絞線的疲勞壽命出現(xiàn)明顯下降趨勢.原因在于，鋼絞線腐蝕面積過大，其基體內部產生大量裂紋，在荷載作用下裂紋極易衍生，致使鋼絞線整體力學性能顯著降低，鋼絞線發(fā)生斷裂破壞.

5 結論

（1）基于灰度處理方法，根據(jù)腐蝕率進行分區(qū)，發(fā)現(xiàn)鋼絞線的抗拉強度與腐蝕率服從指數(shù)分布，其延伸率與腐蝕率服從線性分布.運用斷裂力學對不同腐蝕程度鋼絞線進行分析，得出不同腐蝕程度下鋼絞線的開裂應力強度因子和斷裂應力因子，兩者可直觀反映腐蝕率對鋼絞線力學性能的影響.

（2）在高應力幅作用下，鋼絞線易出現(xiàn)單疲勞源破壞模式.隨著應力幅的減小，其破壞模式由單疲勞源破壞轉變?yōu)槎嗥谠雌茐?當裂紋處于低應力幅狀態(tài)，如應力幅為100 MPa時，裂紋從不同斷面上衍生，鋼絞線易出現(xiàn)分層破壞.

（3）鋼絞線腐蝕疲勞壽命理論計算公式的獲得，為評價索承式橋梁結構壽命提供了參考，具有一定的理論意義和工程價值.