模拟酸雨腐蚀对低碳钢力学性能的退化规律

陈梦成,张凡孟,王 超,黄 宏

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

模拟酸雨腐蚀对低碳钢力学性能的退化规律

陈梦成,张凡孟,王 超,黄 宏

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

通过加速腐蚀试验，拉伸试验研究了酸雨腐蚀对Q235低碳钢力学性能的影响。结果表明：随着腐蚀程度提高，低碳钢的屈服平台变缓缩短直至消失，同时抗拉强度明显下降；腐蚀后的低碳钢的弹性模量，屈服强度，抗拉强度与伸长率均与腐蚀程度成线性递减关系。

低碳钢；酸雨腐蚀；拉伸试验；力学性能

低碳钢是当今建筑业应用最广泛的材料之一。在使用过程中，由于长期受到外界各种因素的影响，低碳钢材料会发生失效，导致结构产生灾难性破坏。低碳钢与混凝土材料一起使用时，低碳钢腐蚀会降低其与混凝土之间的粘结性能，从而降低钢-混凝土结构的使用寿命和承载力。目前，对于混凝土中钢筋腐蚀后力学性能的研究较多[1-4],但关于酸雨腐蚀后钢材力学退化规律的研究则较少[5-6]。近年来,大气环境污染愈发严重，酸雨已成为低碳钢腐蚀的重要环境因素之一。因此，有必要对酸雨腐蚀后钢材的力学性能进行研究，了解其退化规律。

本工作以低碳钢为试验对象，在模拟酸雨溶液中进行加速腐蚀试验，然后对腐蚀低碳钢进行拉伸试验，研究其力学性能的退化规律，通过试验数据的回归分析低碳钢的弹性模量、屈服强度、极限强度和伸长率与模拟酸雨腐蚀程度的关系，希望为钢-混凝土结构的寿命设计提供参考依据。

1 试验

1.1 试样

试验选用Q235钢，其化学成分(质量分数)为：0.08%C，0.36%Mn，0.14%Si，0.023%S，0.02%P，余量为Fe。将试验钢加工成标准拉伸试样，试样厚度均为4 mm，具体尺寸见图1。

试验前在试样的背面、侧面以及正面的两端涂抹防腐蚀漆，以保证腐蚀仅发生在试样的正面，从而可以定量地测量试样腐蚀程度。

1.2 加速腐蚀试验

根据江西气象资料[7-9]，南昌市酸雨主要的阴离子成份是SO42-，其次是NO3-，阳离子则以H+、NH4+、Mg2+和Ca2+为主。导致低碳钢腐蚀的主要离子是H+和SO42-。试验按南昌市酸雨的成分配置模拟酸雨溶液，配置方法见文献[10-11]。模拟酸雨溶液的成分为：0.99 g/L Na2SO4，0.13 g/L (NH4)2SO4，0.24 g/L MgSO4，0.16 g/L Ca(NO3)2，用HNO3调配溶液pH至2.3。

图1 标准拉伸试样的尺寸Fig. 1 Size of standard tensile specimen

将涂抹好防腐蚀漆的试样两端打孔，用电线串联在一起，置于模拟酸雨溶液中。对试样施加直流电，试样作为阳极与电源正极相联，不锈钢圈作为阴极与电源负极相联，如图2所示，控制电流密度为200 μA/cm2。根据法拉第电解定律[12]，通过改变通电时间可控制试样的腐蚀程度(用ηs表示)。设制4组(12个)试样的腐蚀程度分别为0，10%，20%，30%。加速腐蚀后试样的厚度采用超声波测厚仪(精度为0.01 mm)测量，并根据式(1)计算试样的腐蚀程度。实测前，用清水将试样表面的腐蚀产物冲洗干净，擦干，然后在试样上涂抹耦合剂并测量腐蚀后试样的厚度，测量方式采用多点测量，结果取各测量点平均值。

(1)

式中：h0和h则分别为腐蚀前后试样的厚度。

图2 加速腐蚀试验电路图Fig. 2 Circuit diagram of accelerating corrosion test

1.3 拉伸试验

在华东交通大学微机控制电子万能试验机上对加速腐蚀后试样进行拉伸试验，引伸计(标距为50 mm)夹在试样中部。采用等速位移方式进行加载，拉伸速度为2 mm/s，数据采集系统自动绘制试验过程中荷载-位移曲线。当钢材标准拉伸试样在达到屈服阶段后，即取下引伸仪。

2 结果与讨论

2.1 拉伸断裂形貌

由图3中可知，无腐蚀试样拉伸断裂后，截面呈现明显的颈缩现象，且试样断口垂直于拉伸方向；其余三组腐蚀试样拉伸断裂后，截面颈缩现象并不明显，试样的延性下降，破坏形态逐渐呈现脆性破坏；腐蚀较为严重的部分提前屈服，导致试样断口的方向较为无序。这主要是由于低碳钢标准拉伸试样在加速腐蚀后，表面出现凹凸不平的小蚀坑，呈现出明显的局部腐蚀特征，而且腐蚀程度越高，局部腐蚀的不均匀性越明显。

(a) 0% (b) 10%

(c) 20% (d) 30%图3 不同腐蚀程度低碳钢试样拉伸后的形貌Fig. 3 Morphology of low carbon steel specimens corroded in different corrosion degrees after tensile testing

2.2 力学性能

2.2.1 载荷-位移曲线

从图4中可以看到，无腐蚀试样具有明显的屈服平台和屈服点；当腐蚀程度为10%时，试样虽仍有明显屈服平台，但平台长度缩短，抵抗变形和破坏能力减弱；当腐蚀程度达到20%时，屈服平台变短且不明显，抵抗变形和破坏能力继续减小；当腐蚀程度超过30%时，屈服平台消失，试样的延性严重下降，构件破坏趋于脆性破坏。试验结果表明：腐蚀对低碳钢的力学性能有影响，而且随着腐蚀程度的加剧，力学性能退化严重，塑性变形消失，断裂呈脆性破坏。表2为测试得到的不同腐蚀程度低碳钢试样的力学性能。

图4 不同腐蚀程度低碳钢试样的荷载-位移曲线Fig. 4 Curves of loading vs. displacement for low carbon steel specimens corroded in different corrosion degrees

2.2.2 弹性模量

从图5中可以看到，试验数据虽比较离散，没有明显的线性特征，但基本上保持在一定的线性范围内，随着腐蚀程度增大，弹性模量呈总体下降趋势，这表明低碳钢的刚度发生了退化。线性回归分析后，得到腐蚀程度与弹性模量的关系如式(2)所示。

(2)

式中：Es为腐蚀后低碳钢的弹性模量；E0为腐蚀前低碳钢的弹性模量。

2.2.3 屈服强度

在荷载-位移曲线中，随着腐蚀程度增大，屈服平台逐渐缩小，直至消失。从图6可以看出，随着腐蚀程度增大，低碳钢的屈服强度总体呈下降趋势，试验数据离散,但基本上保持在一定的线性范围内。对试验数据进行线性回归分析，得到屈服强度与腐蚀程度之间的线性关系如式(3)所示。

表2 不同腐蚀程度低碳钢试样的力学性能的测试结果Tab. 2 Test results of mechanical properties of low carbon steel specimens corroded in different corrosion degrees

图5 低碳钢的弹性模量与腐蚀程度关系Fig. 5 Relationship between elastic modulus and corrosion degree for low carbon steel

(3)

图6 低碳钢的屈服强度与腐蚀程度关系Fig. 6 Relationship between yield strength and corrosion degree for low carbon steel

式中：σs为腐蚀后低碳钢的屈服强度；σs0为腐蚀前低碳钢的屈服强度。

2.2.4 抗拉强度

从图7可以看出，酸雨腐蚀会削弱低碳钢的抗拉强度，降低结构抵抗变形破坏的能力。通过试验数据线性回归分析，得到回归方程，见式(4)。

图7 低碳钢的抗拉强度与腐蚀程度关系Fig. 7 Relationship between tensile strength and corrosion degree for low carbon steel

(4)

式中:σb为腐蚀后低碳钢的抗拉强度；σb0为腐蚀前低碳钢的抗拉强度。

2.2.5 伸长率

在荷载-位移曲线中，随着腐蚀程度增大，低碳钢弹性变形阶段减少，塑性变形消失，当应力达到抗拉强度后立即破坏，脆性破坏特征十分明显。图8描绘了低碳钢的伸长率随腐蚀程度的变化趋势，两者近似为线性关系，其回归方程见式(5)。

(5)

式中：δ为腐蚀后低碳钢的伸长率；δ0为腐蚀前低碳钢的伸长率。

图8 低碳钢的伸长率与腐蚀程度关系Fig. 8 Relationship between elongation and corrosion degree for low carbon steel

3 结论

(1) 随着腐蚀程度的提高，低碳钢的屈服平台变缓缩短直至消失，同时抗拉强度明显下降。

(2) 随着腐蚀程度的提高，低碳钢的弹性模量，屈服强度，抗拉强度和伸长率等力学性能呈下降趋势，虽然离散程度相对比较大，但其特征基本上遵循线性变化规律。

(3) 通过回归试验数据建立的腐蚀低碳钢的弹性模量，屈服强度，极限强度和伸长率等力学性能的线性表达式，既可为今后钢-混凝土结构全寿命设计理论研究奠定工作基础，也可为其中解决一些关键问题提供试验数据资料。

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Degradation Law of Mechanical Properties for Low Carbon Steel Corroded in Simulated Acid Rain

CHEN Meng-cheng, ZHANG Fan-meng, WANG Chao, HUANG Hong

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiao Tong University, Nanchang 330013, China)

The effects of acid rain corrosion on mechanical properties of low carbon steel Q235 was studied through accelerated corrosion test and tensile test. The results show that with the increase of corrosion degree, the yield stage decreased till disappeared and the tensile strength of the low carbon steel declined significantly. The elastic modulus, yield strength, tensile strength and elongation of corroded low carbon steel decreased linearly with the increase of corrosion degree.

low carbon steel; acid rain corrosion; tensile test; mechanical property

10.11973/fsyfh-201704010

2015-11-25

国家自然科学基金(51378206;51468017); 江西省自然科学基金项目(20143ACB20008)

陈梦成(1962-),教授,博士,主要从事工程结构材料耐久性,组合结构的研究,0791-87046085,mcchen@ecjtu.edu.cn

TU511.3

A

1005-748X(2017)04-0292-04