摘要 為了研究應力荷載對錨索腐蝕的影響規(guī)律，文章選取實際工程中的常用錨索并配制現(xiàn)場地層環(huán)境模擬液，在不同應力荷載條件下開展了錨索的電化學腐蝕模擬試驗，得到了相應的電化學腐蝕參數(shù)，分析了錨索腐蝕速率的變化規(guī)律。試驗結果表明，隨著應力載荷的增加，錨索鋼絞線的動電位極化曲線整體向右移，而自腐蝕電位呈負移趨勢，線性極化電阻不斷下降；自腐蝕電流密度隨著應力的施加而不斷提高，當應力達到17.9 kN時，自腐蝕電流密度約為無應力施加條件下的20倍，應力施加對錨索的腐蝕行為有較為明顯的影響，應力荷載越大，則影響越顯著；錨索的腐蝕速率隨著應力的增加而增大，施加的應力越高，錨索腐蝕速率增幅越大，對錨索腐蝕具有的加速作用更明顯。

關鍵詞 巖土工程；錨索；應力腐蝕；電化學試驗；腐蝕速率

中圖分類號 TU442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0066-03

0 引言

在巖土工程中，預應力錨索由于施工簡便、效果顯著、經(jīng)濟合理的特點廣泛應用于礦山、隧道支護和邊坡等工程的治理與維護中，但其安全問題逐漸暴露出來，錨索腐蝕問題及其防腐技術也越來越受到工程界的重視。

張思峰等人[1]基于試驗，通過觀察錨索腐蝕形貌狀況，從微觀結構分析了錨索表觀損傷規(guī)律；蔣春霞[2]研究了不同酸堿度的錨索腐蝕機制；潘繼良等人[3]總結了錨固開裂的機理、腐蝕的影響因素，以及錨固工程可靠性的評估方法；曾輝輝等人[4]研究了不同腐蝕環(huán)境下，錨索腐蝕時的力學性能變化規(guī)律；鄭靜等人[5]開展了四種不同預應力狀態(tài)下鋼絞線裸筋與注漿空洞錨索的對比腐蝕試驗。

上述研究成果表明，預應力錨索在強腐蝕環(huán)境下的力學性能衰減較快，但這些研究主要集中于對錨索外觀及力學性能變化規(guī)律的研究，而對于另一種威脅錨索壽命的應力腐蝕研究則相對較少。

該文通過配制地層環(huán)境模擬液，模擬現(xiàn)場腐蝕環(huán)境，利用自制的應力施加系統(tǒng)和電化學測試系統(tǒng)，開展不同應力荷載作用下錨索鋼絞線的電化學試驗，分析錨索鋼絞線腐蝕速率的變化規(guī)律，為工程實際中錨索鋼絞線腐蝕的性能分析提供科學依據(jù)。

1 電化學腐蝕試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

（1）錨索鋼絞線

基于錨索在實際應用中的預應力狀態(tài)及現(xiàn)場服役后錨索的預應力損失狀態(tài)調(diào)研，該試驗現(xiàn)場研究的錨索預應力為500 kN，共四束鋼絞線，鋼絞線規(guī)格為1×7-15.20-1860-GB/T 5224-2014，即公稱直徑15.20 mm，抗拉強度1 860 MPa，每束鋼絞線由7股鋼絲捻制而成，單股鋼絲直徑約5 mm，如圖1所示。四束鋼絞線作為一個預應力加載整體，設計預應力加載為500 kN，即每股鋼絲預應力為500/28=17.9 kN。

（2）地層環(huán)境模擬液

該試驗采用地層模擬液模擬實際鋼絞線所處的土體環(huán)境，參考《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗》（GB/T 19285—2014）標準中對腐蝕環(huán)境的定義，將現(xiàn)場采集的土樣（三個采樣點：京港澳高速粵境北段K1941、京港澳高速粵境北段K1951、樂廣K123右四級坡，其中京港澳高速粵境北段K1941與K1951為砂巖地層，樂廣K123為煤系地層）制成土樣浸出液，再采用離子色譜法，參照國家標準《水質(zhì) 可溶性陽離子（Li+、Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+）的測定 離子色譜法》（HJ 812—2016）和《水質(zhì) 無機陰離子（F?、Cl?、NO2?、Br?、NO3?、PO43?、SO32?、SO42?）的測定 離子色譜法》（HJ 84—2016）中的規(guī)定，測試土樣浸出液中的可溶性陰離子和可溶性陽離子的濃度，最后根據(jù)所測得的現(xiàn)場土樣離子濃度配制試驗用的地層環(huán)境模擬液。

現(xiàn)場土樣典型離子濃度測試結果如表1所示，其中實土樣品中的Cl?和SO42?作為主要的腐蝕性離子。由表1可知，京港段K1941和K1951兩種實土樣品中的Cl?含量相同，約為0.016 mg/g，均沒有可溶性的SO42?檢出；樂廣K123實土樣品相對較高，其中Cl?含量達到0.332 mg/g?？紤]過高Cl?含量可能會對其他環(huán)境因素的規(guī)律研究產(chǎn)生影響，該實驗擬選取Cl?含量相對較低的京港段實土樣品作為地層環(huán)境模擬液的基液，模擬液成分如表2所示。

1.2 試驗方案

（1）試驗方法

該試驗采用電化學試驗方法，首先將錨索單絲置于地層環(huán)境模擬液中，用C環(huán)固定鋼絞絲兩端，然后通過應力施加系統(tǒng)施加不同拉應力，并通過電化學工作站測試系統(tǒng)采集不同應力載荷作用下錨索的電化學腐蝕參數(shù)，最后分析應力載荷對錨索腐蝕速率的影響規(guī)律，判斷錨索的應力腐蝕敏感性。該試驗共進行5組，測試環(huán)境為地層環(huán)境模擬液（pH為5.5，溫度為25℃，含氧量為15%），在無應力、5 kN、10 kN、15 kN、17.9 kN等五組不同拉應力施加下對錨索單絲進行試驗。

（2）試驗裝置

試驗采用的裝置包括C環(huán)應力施加系統(tǒng)和電化學工作站測試系統(tǒng)，如圖3所示：

2 試驗結果及分析

2.1 不同應力荷載作用下錨索鋼絞線的動電位變化規(guī)律

不同應力荷載作用下錨索鋼絞線單絲的動電位極化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，隨著應力荷載的增加，動電位極化曲線整體右移，尤其在應力達到15 kN以上時，鋼絞線單絲的動電位極化曲線大幅向右移，這表明鋼絞線單絲的自腐蝕電流隨著應力的增加而逐漸升高，當應力增加到一定幅度后，自腐蝕電流增加越顯著。

通過采用Gamry電化學工作站內(nèi)置軟件對極化曲線的自動擬合，獲取不同應力荷載下錨索的電化學腐蝕參數(shù)，如表3所示。由表3可知，隨著應力載荷的施加，自腐蝕電位呈負移趨勢，當應力達到17.9 kN時，鋼絞線單絲的自腐蝕電位約為?330 mV，相比無應力載荷條件下負移了約50 mV；線性極化電阻值隨著應力的施加幅度增大而不斷下降，在17.9 kN時下降幅度最明顯，約降低了93%；自腐蝕電流密度的變化趨勢則與極化電阻相反，隨著應力的施加而不斷下降，在17.9 kN條件下自腐蝕電流密度約為2.01×10?5 A/cm2，約為無應力施加條件下的20倍。

綜上所述，有無應力施加對錨索的腐蝕行為有明顯影響，應力荷載越大則影響越顯著。

2.2 應力荷載對錨索腐蝕速率的影響

為實現(xiàn)對不同應力荷載作用下錨索腐蝕的量化影響分析，該文基于上述獲取的電化學腐蝕動力學參數(shù)，求得不同應力荷載作用下錨索的腐蝕速率。腐蝕速率的計算公式如下：

vcorr= 3270×icorr×A " " " " " " " " nD " " " " （1）

式中，vcorr——平均腐蝕速率（mm/y）；icorr——自腐蝕電流密度（A/cm2）；A——金屬原子量，取56；n——得失電子數(shù)，取2；D——鋼絞絲材料密度（g/cm3），取7.86 g/cm3。

由式（1）計算得到的不同應力荷載下錨索平均腐蝕速率如圖5所示。由圖5可知，當應力荷載從0增加到10 kN時，錨索的腐蝕速率略微上升；當應力值提高至15 kN時，錨索的腐蝕速率出現(xiàn)較為明顯的上升，而當應力提高至17.9 kN時，腐蝕速率達到0.23 mm/y（毫米/年）左右，相比無應力荷載作用下的腐蝕速率提高了約20倍，這說明在較低應力荷載（低于10 kN）條件下，錨索的腐蝕速率隨應力的變化不大，當應力荷載較高時（15 kN），錨索的腐蝕速率開始出現(xiàn)顯著的增加，高應力荷載對錨索的腐蝕具有更明顯的加速作用。

3 結論

該文通過采用地層環(huán)境模擬液和自制應力施加系統(tǒng)，完成了不同應力荷載作用下的錨索鋼絞線電化學腐蝕試驗，得到以下幾點結論：

（1）隨著應力載荷的增加，錨索鋼絞線的自腐蝕電位呈負移趨勢，線性極化電阻不斷下降，當應力達到17.9 kN時下降幅度最明顯，降低了約93%；自腐蝕電流密度隨著應力的施加而不斷提高，當應力達到17.9 kN時自腐蝕電流密度約為無應力施加條件下的20倍。

（2）有無應力施加對錨索的腐蝕行為有明顯影響，應力荷載越大則影響越顯著。

（3）錨索的腐蝕速率隨著應力的增加而增長，在較低應力作用下，錨索的腐蝕速率相對無應力作用下的增幅很??；當應力超過一定值后，錨索的腐蝕速率增長顯著，即施加的應力越高，對錨索的腐蝕具有更明顯的加速作用。

參考文獻

[1]張思峰，陳興吉，韓冰，等.巖土預應力錨索腐蝕損傷演化規(guī)律研究[J].山東建筑大學學報，2018（6）：1-6+14.

[2]蔣春霞.基于pH作用下的預應力錨桿腐蝕損傷行為研究[J].價值工程，2020（1）：175-177.

[3]潘繼良，李鵬，席迅，等.地下工程錨固結構腐蝕耐久性研究進展[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2019（9）：1-13.

[4]曾輝輝，朱本珍，高志華.強腐蝕環(huán)境下錨索強度指標及表觀特性試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2011（2）：48-53.

[5]鄭靜，曾輝輝，朱本珍.腐蝕對錨索力學性能影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010（12）：2469-2474.