服役20年预应力锚索耐蚀性能研究

任爱武，王 琼，彭林军，郭志飚

（1.中国水利水电科学研究院岩土研究所，北京 100048；2.河北农业大学理工学院，河北 保定 071001；

3.大连大学院士创业园，辽宁 大连 116622；4.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

服役20年预应力锚索耐蚀性能研究

任爱武1，王 琼2，彭林军3，郭志飚4

（1.中国水利水电科学研究院岩土研究所，北京 100048；2.河北农业大学理工学院，河北 保定 071001；

3.大连大学院士创业园，辽宁 大连 116622；4.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

预应力锚索在地下密闭的空间中长期工作耐蚀性是否发生变化，这个问题目前仍然是一个谜团。室内有害离子腐蚀极化试验是揭示预应力锚索长期耐蚀性能变化的有效手段。本文以漫湾水电站服役20年的预应力锚索为试验样品，通过室内有害离子腐蚀极化试验，分析比较了在5种不同的有害离子（氯离子）浓度作用下，耐蚀性能的演化特征，最终得到如下结论：长期处于密闭环境中使得服役20年的钢绞线的耐蚀性能降低，处于活化激活状态，钢筋表面不能产生钝化膜。一旦暴露在空气中，钢绞线与周围岩体中地下水、氧气接触，锈蚀将迅速发生。

岩土工程；预应力锚索；有害离子极化腐蚀试验；极化曲线

1 研究背景

自从1934年预应力锚固技术在阿尔及利亚的舍尔法大坝成功应用以来，预应力锚固技术以其工艺方便、效果明显的特点，在世界范围内得到了广泛的认可，并且应用的数量极大［1-2］。近年来，中国在建的水电工程中锚索加固费用耗资均在亿元左右［3］。例如，云南小湾水电站使用的大吨位预应力锚索数量超过万根；在建的锦屏一级水电站缆机平台仅边坡加固工程一项所需锚索就达6 900余根。这些运行在恶劣的岩土环境中（如低PH值地下水的长期浸泡、地下电流、岩土体中的氯离子的侵蚀等），且长期在预应力作用下的锚索系统，很难保证锚固工程长期可靠和安全。

近年来，这一问题开始受到国内外学者的广泛关注。1986年，国际预应力协会（FIP）曾对35起因腐蚀造成锚索体断裂的事故进行调查，发现断裂部位多数位于锚头附近和自由段范围内［3-4］。我国安徽梅山水库的预应力锚索在使用6～8年后，发现有3根锚索的部分钢绞线因应力腐蚀而断裂（兼有氢脆）［5-6］。现场试验和室内腐蚀试验是深入研究预应力锚索耐久性问题的有效途径［7］。Hassell R C等通过室内腐蚀试验和力学试验，研究了三片式锚具腐蚀对锚索长期耐久性的影响，试验结果表明：三片式锚具的腐蚀将导致锚索最大承载力的降低［8］。Dhanesh Chandra等在美国能源局的资助下，开展了在Yucca Mountain地质环境中，不同锚索材料在核废料影响下的锈蚀特征和机理研究［9-10］。Atrens A，Gray P，Erwin Gamboa，Hebblewhite B，Gamboa E等［11-15］，采用室内线性加载力学试验、室内腐蚀试验、金相分析、微观结构分析等手段，对应力腐蚀和氢脆发生的条件、特征、微观过程以及相应的防护措施进行了深入的研究。

国内对岩土锚固工程的安全性与耐久性问题的研究起步较晚，周世峰等［16］以“砂浆锚杆的腐蚀与防护研究”为题，开展了锚杆使用寿命初步研究。并于1986年在河南焦作市焦东煤矿现场埋设缩尺锚杆61根，为后续岩锚耐久性的研究奠定了基础［16-17］。夏宁、李英勇，郑静等［3，18-19］，通过室内腐蚀试验开展了岩锚耐久性的研究，并在岩锚锈胀、杆体锈蚀随时间的发展规律以及应力腐蚀产生的条件、环境等方面得到了一些有益的结论。

中国水科院陈祖煜课题组于2009年，在国家“十一五”科技支撑项目资助下，从漫湾水电站成功开挖一根服役20年的预应力锚索，开国内外开挖长、大预应力锚索的先河。这次开挖试验的成功对进一步推进预应力锚索长期性能研究奠定了基础。对漫湾开挖试验成果进行分析发现：水泥砂浆具有很好的防锈效果，初揭露的锚索钢绞线为亮黑色，具有金属光泽，如图1（a）。但取出预应力锚索在暴露在空气中3～5 d后，锈蚀就会产生，并迅速布满钢绞线表面，如图1（b）［20］。

图1 漫湾电站开挖锚索特征图

显然，漫湾电站长期服役20年的钢绞线耐蚀性能发生了变化，对于其锈蚀迅速产生的原因，有必要通过进一步研究并给出合理的解释。本文在前期漫湾锚索现场开挖试验研究的基础上，通过室内有害离子腐蚀试验，对该问题做进一步的探讨。

2 室内有害离子腐蚀试验

2.1 检测目的和实验方法探索钢筋试样在服役20年后表面耐蚀性能变化的原因。采用电化学动电位极化的方法，在含不同Cl-浓度的饱和Ca（OH）2中测量钢筋试样的极化曲线（Cl-漫湾电站地下水中测到的有害离子）。选用饱和Ca（OH）2模拟水泥中的孔隙液。电位极化速率为20m V/m in。试样为原状带锈钢筋，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为石墨电极。

2.2 检测样品和装置检测样品取自云南省漫湾水电站左岸坝肩边坡。

试样埋置时间：约20年（1989年12月—2010年1月23日）。

试样埋置状态：与水平面呈-18°～-19°夹角（仰角为正）垂直打入边坡，锚索总长25m，其中内锚固段长度6.5m。锚索周边有砂浆包裹，锁定预应力100 t。

试样原始状态：每束锚索由8股钢缆线组成，每股钢缆线又由7根钢筋缠绕而成（即：由6根钢筋缠绕在1根中心筋的周围），如图2（a）所示。送检的样品为整束锚索中的一股，宏观形貌表现为青灰色，局部覆盖棕黄色锈斑，如图2（b）所示。

图2 试验钢绞线样品宏观形貌特征

试验设计：取已锈钢筋和抛光后的钢筋基体进行有害离子腐蚀试验，得到钢绞线的电位极化曲线，比较已锈钢筋和钢筋基体的腐蚀试验结果，分析腐蚀20年预应力锚索的耐蚀性能变化特征。

试样详细描述：该锚索钢绞线的标号为GB5224-85，强度级别为150 kg/mm2（1470 kN/mm2），全长25 m，属全长粘结拉力集中型锚索。张拉预应力为100 t，采用yc20D型千斤顶单股钢缆进行张拉。内锚固端长度6.5m，打开后锚索孔倾角为18°，在桩号0+9m处19°（以锚索锚垫板处为桩号记录0点）变为；孔径Φ115 mm；自由段注425#纯水泥浆，水灰比为0.4；锚固段注425＃水泥砂浆，水灰比为0.8，灰砂比为1∶1。

检测设备为PS-168腐蚀电化学测量系统，如图3（a）所示，该设备用于为腐蚀试验提供可控的电位，用以获得试验样品的电位极化曲线。试验过程中辅以H-3型腐蚀电化学信号监测记录仪，如图3（b）所示，主要用于适时的记录试验过程中电流和电位的变化。

图3 腐蚀电化学检测设备

图4 动电位极化曲线

3 有害离子腐蚀试验结果分析

图4（a）为带锈钢筋在含不同Cl-浓度的饱和Ca（OH）2中的极化曲线。由图4（a）可以看到，相对电流密度在一个较小的变化范围-2～-1 mA，阳极区不含Cl-的极化曲线呈现急剧增长的趋势，电势迅速从-400mV增加到800mV，说明钢筋处于钝化区，即已锈钢筋在不含Cl-的水泥砂浆中应该都可以维持钝化。但随着饱和Ca（OH）2中Cl-加入，即使很少量的Cl-浓度（如0.2％），带锈钢筋试样的钝化区也迅速消失，如图4（a）中氯离子浓度0.2％的极化曲线迅速变缓所示，在-2～-1 mA的变化范围内，对于的电势的变化范围为0～200mV。并且随着Cl-浓度的增加，各钢筋的钝化状态逐渐转变为活化腐蚀状态，零电流电位逐渐负移，腐蚀电流密度逐渐增大。这样的变化情况说明钢筋处于一种活化腐蚀状态，少量的Cl-即可以引起腐蚀的发生。

抛光后钢筋基体的极化曲线进一步证明了这一规律，从图4（b）中可以看到：裸钢筋基体表面的电化学极化曲线在现场采样的地下水中，即含Cl-浓度在0.2％～0.5％（质量百分比）的饱和Ca（OH）2中，在微小的电流变化-2～0mA范围内，对应的电势则在-0.4～0极小变化范围内，说明极化曲线没有明显的钝化区。同时，零电流电位也随Cl-浓度的增加而有所负移，但其腐蚀电流密度却相对非常小。

由极化分析结果证明：在模拟现场环境中有害离子浓度的水中，裸表面的钢筋基体是处于活化腐蚀状态的，钢筋是不可能钝化的。

4 结论

漫湾水电站开挖锚索揭露的原貌为亮黑色，但在暴露于空气中3～5 d后，迅速发生锈蚀。对于产生这一现象的原因，本文通过室内有害离子腐蚀试验进行了研究，试验结果表明：由于长期埋置于地下密闭环境中，漫湾水电站试验钢绞线的腐蚀性能处于活化腐蚀激活状态，即钢绞线表面无法产生钝化膜，一旦外界条件发生改变即刻发生腐蚀。因此，漫湾水电站开挖锚索取出后，钢绞线与周围岩体中地下水、氧气接触，锈蚀迅速发生，这样的试验结果对钢绞线打开后锈蚀迅速产生的现象作出了合理的解释。

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Study on corrosion resistance perform ance of servicetwenty years anchor cab le

REN Ai-wu1，WANG Qiong2，PENG Lin-jun3，GUO Zhi-biao4

（1.InstituteofGeotechnical Engineering，China InstituteofWater Resources
and Hydropower Research，Beijing 100048，China；
2.Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China；
3.Academ ician Pioneer Park，Dalian University，Dalian 116622，China；
4.China University ofMining＆Technology，Beijing 100083，China）

While prestressed cable is working underground for a long time，whether its corrosion resistance performance changes or not was still a problem to the engineers.Change law of corrosion resistance perfor⁃mance can be revealed by indoor polarization corrosion test.A segments of 20-years service prestressed ca⁃ble was used for the test sample.In order to analyze the changes of corrosion resistance performance，a test on five different concentrations of chloride ion was done.The test results indicate that corrosion resis⁃tance performance of those anchor cables is in activation state and reduces obviously，so that no passiv⁃ation film occurs on the steel surface.Once the steel bars are exposed to Oxygen and water，the corrosion emerges immediately.

Geotechnical engineering；pretension anchor cable；harm ful ions corrosion test；potentiodynam⁃ic polarization curves

TU443

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.012

1672-3031（2014）04-0410-04

（责任编辑：李琳）

2013-12-18

国家重点基础研究发展计划（973计划）；大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制（2011CB013502）

任爱武（1980-），男，河南栾川人，高级工程师，博士后，主要从事预应力岩锚长期性能评价研究工作。

E-mail：renaw@iwhr.com