基于pH作用下的预应力锚杆腐蚀损伤行为研究

蒋春霞

摘要：控制土层和结构间的相对位移目前应用最好的是预应力锚杆。在复杂的地质环境中预应力锚杆使用久了就会被锈蚀损伤甚至破坏。本文通过在实验室内对预应力锚杆进行加速腐蚀试验，描述了预应力锚杆表观腐蚀演化在PH值不同的情況下腐蚀损伤机制，基于数据分析得到了预应力锚杆的极化曲线，为分析土层中的预应力锚杆损伤变化行为提供了分析方法、分析手段和数据支撑。

Abstract： The best application for controlling the relative displacement between soil layer and structure is the prestressed anchor. In complex geological environments， prestressed anchors can be damaged or even damaged by rust after a long period of use. In this paper， the accelerated corrosion test of prestressed anchors in a laboratory is used to describe the corrosion damage mechanism of the apparent corrosion evolution of prestressed anchors under different pH values. Based on the data analysis， the polarization curve of the prestressed anchor is obtained， which provides analysis methods and data support for analyzing the damage change behavior of the prestressed anchor in the soil layer.

关键词：预应力锚杆;腐蚀损伤;pH

Key words： prestressed anchor;corrosion damage;pH

中图分类号：TV223                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0175-03

0  引言

随着国家基础工程的不断扩大，预应力锚杆被常用在矿山、隧洞支护和大型高边坡工程中的治理与维护。常常由于地质条件的复杂多变，存在于土层中的预应力锚固结构经过一段时间之后会发生注浆体开裂、波纹管破损、锚头裹浆不足等腐蚀情况，高应力、高地温以及渗流作用引起锚杆预应力状态的改变导致锚固体失效[1];之前的很多研究表明腐蚀破坏是影响锚固构件耐久性的最主要的因素，对于这一方面也取得了不少的成果，例如三峡工程的边坡岩体锚固构件内锚段张拉力损失，证明在中性稍微偏碱的地下水环境中对钢绞线的腐蚀影响比较小，所以预应力损失较小。本文主要探究在室内实验室里基于酸碱度pH的情况下预应力锚固结构腐蚀机理，为现场开展预应力锚固结构的寿命预测提高科学上的参考。

1  预应力锚杆腐蚀试验

1.1 准备试验材料

本实验是在室内实验室完成的，本次试验选用的材料是一级钢筋HPB235直径是Φ6mm。一共选用了三组试验，在实验过程中材料的力学性能如表1。

试验中的锚固槽为3×3的钢筋棍凝土结构，试验用的一级钢筋先用稀酸把表面的锈迹出去晾干待用。由于材料的腐蚀速度与空气中的氧气的浓度有关，本次试验的所有过程都在真空容器中进行。在每次实验时保持腐蚀液pH值基本不变，对试件施加其极限应力的40%的预应力。

1.2 电化学测试

本次试验是在腐蚀池为直径80mm的PVC管里让试件钢筋为工作电极（WE），饱和甘汞电极（SCE）为参比电极（RE），石墨棒作为辅助电极（CE），做腐蚀液分别为酸性、中性、碱性时三次试验。把工作电极WE、辅助电极CE 分别用绝缘导线绑扎起来并保持一定的净距离。采用扫描速率为0.5mV/s，扫描区间为-35mV～35mV的电动位扫描。试验时间为六个月，前两个月为每天采集一次数据，后后四为每三天采集一次数据，然后利用Corrview数据分析软件对采集到的数据进行拟合极化分析。电化学测试装置示意图如图1。

1.3 电化学测试方法

试验过程中采用线性极化技术对腐蚀预应力锚杆进行电化学测试，该技术是通过在腐蚀电位附近的微小极化测量金属腐蚀速度的方法[2]，最先由Stern和Geary提出。试验步骤是：先在腐蚀电位E附近对金属体系施加微量的极化电流ΔI，根据简单欧姆定律有电位变化ΔE和外加极化电流ΔI之间存在线性关系，这种线性关系斜率为极化电阻Rp，极化电阻RP和金属材料腐蚀电流密度icorr之间存在一定的可以用Stern-Geary方程式表达的数量关系，这样就可以测得电化学反应时系统的腐蚀电流密度icorr。其中Stern-Geary公式为：

其中：Δm为时间t内腐蚀损失的质量，单位为克（g）;A为试件的表面积，单位平方厘米（cm2）;M为铁的摩尔质量，其大小为56g/mol;t为腐蚀时间，单位为天（d）;n为铁腐蚀时损失的电子数;F法为法拉第常数，大小为96485C/mol。

2  试验结果与分析

2.1 预应力锚杆外观锈蚀特征

试验试件在经过六个月的电化学测试浸泡后取出，用酸洗除锈后，观察不同pH值下预应力锚杆锈蚀外观特征如图2、表2所示。

由表2可以得到，随着pH值得降低，锚杆表面腐蚀越来越严重，因此可以得到结论，预应力锚杆在酸性条件下容易被腐蚀，而碱性环境对预应力锚杆则能起到一定的保护作用（阻锈）。

2.2 pH值对预应力锚杆的腐蚀机制

本次试验把测得的腐蚀电流密度时变曲线绘成如图3。

由以上三个曲线我们得到的结论是：在通电测试初期预应力锚杆的腐蚀速率都是比较平缓的，基本维持在某一直线平衡状态，随着测试时间延长（80天左右），预应力锚杆腐蚀速率就开始加速，但是，当预应力锚杆腐蚀到一定程度后，锚杆表面覆盖了一层厚厚的惰性的锈蚀物使得腐蚀速率放缓。该结论与Li F.等[3]得出的Cl-侵蚀下锚杆腐蚀失重率随时间变化规律是一致的。

3  结论

通过浸泡于不同pH中的预应力锚杆通电化学测试，从得到的数据我们可以得出以下结论：①预应力锚杆在中碱性环境耐腐蚀能力大于在酸性环境中。②在腐蚀过程中预应力锚杆即腐蚀速率是缓慢-加速-平稳快速的变化规律，这一规律刚好符合Boltzmann方程。

参考文献：

[1]谢璨，李树忱，李术才，等.渗透作用下土体蠕变与锚索锚固力损失特性研究[J].岩土力学，2017，38（8）：313-321.

[2]李久青，杜翠薇.腐蚀试验方法及监测技术[M].北京：中国石化出版社，2007.

[3]王小伟，朱杰兵，李聪.pH和O2协同作用下预应力锚杆腐蚀损伤行为试验研究[J].北京：岩土力学，2019.

[4]程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[5]高大水.三峡永久船闸高边坡预应力锚固技术的研究与应用[J].水力发电学报，2009，28（6）：93-99.