應力荷載對錨索腐蝕影響的試驗研究

摘要 為了研究應力荷載對錨索腐蝕的影響規律，文章選取實際工程中的常用錨索并配制現場地層環境模擬液，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，分析了錨索腐蝕速率的變化規律。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]研究了不同腐蝕環境下，錨索腐蝕時的力學性能變化規律；鄭靜等人[5]開展了四種不同預應力狀態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境模擬液，模擬現場腐蝕環境，利用自制的應力施加系統和電化學測試系統，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。

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及現場服役后錨索的預應力損失狀態調研，該試驗現場研究的錨索預應力為500 kN，共四束鋼絞線，鋼絞線規格為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境，參考《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》（GB/T 19285—2014）標準中對腐蝕環境的定義，將現場采集的土樣（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 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 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，最后根據所測得的現場土樣離子濃度配制試驗用的地層環境模擬液。

現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。考慮過高Cl?含量可能會對其他環境因素的規律研究產生影響，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境模擬液中，用C環固定鋼絞絲兩端，然后通過應力施加系統施加不同拉應力，并通過電化學工作站測試系統采集不同應力載荷作用下錨索的電化學腐蝕參數，最后分析應力載荷對錨索腐蝕速率的影響規律，判斷錨索的應力腐蝕敏感性。該試驗共進行5組，測試環境為地層環境模擬液（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環應力施加系統和電化學工作站測試系統，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，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，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，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境模擬液和自制應力施加系統，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小；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].哈爾濱工業大學學報，2019（9）：1-13.

[4]曾輝輝，朱本珍，高志華.強腐蝕環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.