張 童，劉海卿，呂學濤

(1. 遼寧工程技術(shù)大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧科技學院資源與土木工程學院，遼寧 本溪 117004；3. 佛山科學技術(shù)學院交通與土木建筑學院， 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)良的力學性能、經(jīng)濟效益和施工效益，被廣泛應用于各類結(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計中也是至關(guān)重要的[2]。當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，嚴重的表面腐蝕會削弱鋼管的壁厚，還會對其力學性能產(chǎn)生重要影響。在不同的設計規(guī)范中[3，4]，鋼材的力學性能是評估鋼管混凝土強度以及對鋼管混凝土受力機理分析的關(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性能變化規(guī)律就顯得非常重要。

當前，對于腐蝕環(huán)境下鋼材力學性能的研究，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性能影響規(guī)律的研究相對較少[7]，可參考的文獻十分有限，試驗樣本不多，因此對受到酸雨腐蝕后鋼材力學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?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、泊松比等力學性能指標的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出不同腐蝕程度情況下Q235鋼力學性能指標的簡化計算經(jīng)驗方法，進而為北方酸雨區(qū)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的設計及結(jié)構(gòu)安全評估提供理論基礎(chǔ)和科學依據(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[9-11]對大連酸雨的成分進行了詳細的分析，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+是導致建筑鋼材腐蝕的主要離子。文獻[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進行調(diào)節(jié)，設定為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行加速試驗。試驗設備由貯水槽、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，負極連接到導電棒，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鋼金屬電化學當量，K=1.024 g/(A·h)

I——電流強度，A

ΔT——通電時間，h

參考文獻[15]中的經(jīng)驗，本試驗中電流密度控制為2.0×10-4A/cm2。達到預定時間后取出試樣，先在流水中用軟毛刷進行輕微清洗，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，則用鋼絲刷進行處理。然后用流水反復清洗，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，負極連接的導電金屬表面立即產(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械法、聲學方法、光學方法和電阻法等，而由于電阻法靈敏度高，并且可以在應變儀上直接讀出應變數(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%。再用游標卡尺標定試樣拉伸前的尺寸l0。單調(diào)拉伸試驗采用應變加載控制方式，應變加載速率為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?；疽?guī)律：當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 應力 - 應變曲線

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，應變不再均勻，導致粘貼在試樣正中間的應變片出現(xiàn)讀數(shù)不準確的現(xiàn)象。但是拉伸試驗并未終止，直到試件被拉斷才停止試驗，進而得到了完整的應力-應變曲線如圖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，說明由彈性段進入強化段時間用時較短。

2.5 力學性能指標

根據(jù)以往研究可知，腐蝕鋼材的力學指標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)的受力機理可知，當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致鋼材表面形成大小不同的蝕坑，蝕坑的存在會導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)生應力集中，使得局部應力和局部應變突然增大，造成截面應力分布不均勻和應變速率不同。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，最終導致鋼材力學性能的退化[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致試樣的橫向應變和軸向應變均減少，但軸向應變的減少值大于橫向應變的減少值。泊松比與腐蝕率的變化關(guān)系也表明當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，應該引起重視。

但整體上鋼材的力學性能指標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；當腐蝕率小于10%時，拉伸件斷口主要為正斷破壞；當腐蝕率小于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性能指標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鋼材力學性能指標的簡化計算經(jīng)驗公式，試驗值與預測值偏差較小，可為酸雨區(qū)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的設計及安全評估提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。