服役环境下镀锌钢丝力学性能影响因素分析

2020-08-28孟二从姚国文余亚琳古李丰

建筑材料学报 2020年4期

孟二从, 姚国文, 余亚琳, 古李丰, 钟力

(1.重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室, 重庆 400074; 2.西南大学工程技术学院, 重庆 400715)

与此同时,拉索在服役过程中,不但需要承受工程结构自身的质量,还需承受各种交变荷载的作用,如桥梁工程中的拉索需承受各种汽车荷载作用.在交变荷载的反复作用下,拉索会产生疲劳损伤[10-13].兰成明等[10-11]探讨了拉索疲劳寿命的影响因素,并基于三参数函数模型,提出了平行钢丝拉索的疲劳寿命预测模型.Castillo等[12-13]对拉索的疲劳寿命模型进行了研究,提出一个多参数Weibull疲劳寿命预测模型.

以上研究大多集中于静态应力或无应力状态下拉索的腐蚀[6-9],或无腐蚀状态下拉索在疲劳荷载作用下的性能分析[10-13],对拉索在荷载和环境耦合作用下力学性能的研究则相对较少[5].本文在此基础上,以工程中常见的镀锌平行钢丝拉索为研究对象,通过对镀锌钢丝展开荷载和环境耦合作用下的加速试验,观察其腐蚀损伤过程,并对其力学性能进行分析,以期为服役环境下镀锌平行钢丝拉索的损伤评估及其进一步理论研究提供参考.

1 试验概况

1.1 试验设计

以腐蚀时间、加载方式为变化参数,设计制作了16组腐蚀疲劳加载试件.参照JGJ 257—2012《索结构技术规程》规定,试验所用钢丝为直径5.2mm 的镀锌高强钢丝,其抗拉强度标准值fptk=1860MPa,每组使用至少2根钢丝进行试验,加载方式分交变应力(a)、静态应力(s)、无应力(u)3种,并对同一组试件的相关试验结果取平均值进行分析.试件编号S-0-u表示镀锌钢丝、腐蚀时间为0、无应力；其余以此类推.试件相关力学性能由3根钢丝的实测值取平均值得到.

1.2 荷载和环境耦合作用的施加

在YC-200型盐雾试验箱内,通过人工加速酸性盐雾腐蚀试验来模拟自然界中的高温、酸雨和酸雾环境.参考GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》相关规定,试验所用盐溶液为5%(质量分数)的NaCl溶液,且在溶液中加入浓硫酸将pH值调至1,以此来进行加速酸性盐雾腐蚀试验.试验温度为(50±2)℃,气压控制在70～170kPa,喷雾量为250mL/(m2·h).

试验所用钢丝施加的荷载分为交变荷载、静力荷载和无荷载3种情况,钢丝的长度为5.4m,误差为±1mm,并测量其每m质量;随后将其穿过腐蚀试验箱,并用ZDK液压穿心自锁式千斤顶施加相应的荷载(见图1).

图1 试验加载装置Fig.1 Test loading device

参考JTG/T D65-01—2007《公路斜拉桥设计细则》规定拉索安全系数为2.5(即容许应力不超过拉索所用钢材标准强度的40%),本文所用钢丝的容许应力为744MPa.本试验在保证所施加的拉伸应力不超过钢丝屈服强度的前提下,将所施加拉伸应力提升到钢材标准强度的60%,即1100MPa,以此来达到加速试验的目的.其中：对于静态荷载,24h 恒定施加;对于交变荷载,其加载周期为4h,即2h加载,2h卸载.

在整个试验过程中,每隔24h打开盐雾腐蚀箱,对钢丝腐蚀情况进行拍照记录,并对溶液箱中溶液的剩余量进行检查,以保持腐蚀环境稳定.达到预设腐蚀时间后,首先取出试件,对试件的腐蚀部位进行检查拍照;随后用0.5mol/L的稀硫酸进行清洗,以此来清除钢丝表面的腐蚀产物;然后用高温吹风机烘干,称量腐蚀后钢丝的每m质量,并取1cm以内试样,放在高倍显微镜下观测其表面形态;最后截取试件中部长度为1m的钢丝进行拉伸试验,以此来测量荷载和环境耦合作用下镀锌钢丝力学性能的变化.

2 试验现象与分析

从整个试验过程来看,不同加载方式下钢丝的表面变化情况在腐蚀前期基本一致.随着腐蚀时间的延长,可以发现经过相同腐蚀时间后,施加交变应力试件的锈蚀程度最大,其次为静态应力加载试件,无应力纯腐蚀试件的锈蚀程度最小.但无论何种加载方式,其锈蚀过程均可划分为如下5个阶段,即钢丝完好→钢丝镀锌层锈蚀→钢丝基质轻微点蚀→钢丝基质大量坑蚀→钢丝发生应力腐蚀和腐蚀疲劳.这与JTG TH21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》中将拉索钢丝锈蚀程度划分的5级标准相对应,但JTG TH21—2011中相关定性描述较为粗略.本文在此基础上,对试验过程进行更为详细的定性描述并进行相关分析.

在钢丝完好阶段,钢丝未发生锈蚀现象,表面泛着金属光泽,其锈蚀程度定为Ⅰ级.在钢丝镀锌层锈蚀阶段,由于腐蚀介质的影响,钢丝表面出现白锈,其主要化学组成是(Zn(OH)2)3·ZnSO4·5H2O.此时钢丝表面局部位置的镀锌层耗尽,其外观表现为白锈中间掺杂极少量的红锈,除锈后可见钢丝表面均匀光滑,无明显凹坑,放在显微镜下可见试件的腐蚀程度比较轻微，其锈蚀程度定为Ⅱ级.在钢丝基质轻微点蚀阶段,钢丝表面的镀锌层逐渐耗尽,白锈逐渐减少,而红锈逐渐增多.去除腐蚀产物后,有肉眼可见的蚀坑,并且在镀锌层腐蚀孔位置处可见黑色的氧化物,其化学组成主要是Fe(OH)3、Fe2O3·H2O和Fe2(SO4)3·8H2O.在显微镜下可见蚀坑的面积和深度逐渐增大,蚀坑宽度在0.21mm左右，其锈蚀程度定为Ⅲ级.在钢丝基质大量坑蚀阶段,钢丝外观由大量红锈覆盖,去除腐蚀产物后可见密集蚀坑,在显微镜下可见许多蚀坑融合连在了一起,成为一个蚀坑或沟槽,其面积和深度也进一步加大,此时蚀坑宽度已达0.24mm，其锈蚀程度定为Ⅳ级.在钢丝应力腐蚀和腐蚀疲劳阶段,钢丝发生严重锈蚀,其表面基本完全被红锈包裹.去除腐蚀产物后可见大面积蚀坑,钢丝表面也变得暗淡无光,在显微镜下可见蚀坑面积和深度明显增大,蚀坑宽度达到0.98mm.在此阶段,将其锈蚀程度定为Ⅴ级.

图2为与5级锈蚀程度分级相对应的各级钢丝锈蚀图例.图3为锈蚀钢丝除锈后的图例.图4为锈蚀钢丝除锈后在显微镜下的表面蚀坑图.

图2 各级钢丝锈蚀图例Fig.2 Rust figure of wire under different corrosion levels

图3 锈蚀钢丝除锈后的图例Fig.3 Figure of wire after rust cleaning

图4 锈蚀钢丝在显微镜下的表面蚀坑图Fig.4 Surface etch pit figure of rust wire under the microscope

3 试验结果及其影响因素分析

在荷载和环境耦合作用试验后,对各试件的腐蚀失重率PW、屈服强度Rp、抗拉强度Rm、弹性模量E和断后伸长率A等物理力学性能指标进行测试分析.

3.1 腐蚀失重率

拉索在荷载和环境耦合作用下的腐蚀失重率可

以较为直观地反映其腐蚀损伤程度,图5为试验结束后实测试件在不同应力作用下,PW随腐蚀时间的变化.由图5可知：在相同腐蚀时间下,处于交变应力作用下试件的PW最大,静态应力作用下次之,无应力状态下最小.这主要是因为在交变应力的作用下,钢丝表面产生不规则的滑移带;同时,侵蚀环境介质的渗入阻碍了滑移带的重新闭合,加速了滑移带的形成,使得钢丝表面的镀锌保护层迅速腐蚀,导致其PW最大[14];在静态应力作用下,由于没有循环反复的应力作用,钢丝表面的镀锌保护层破坏程度相对较小,故其PW次之;在无应力作用情况下,钢丝表面的镀锌保护层由于没有外力的破坏,其发生的腐蚀为单一的环境腐蚀,因而其PW最小.

图5 腐蚀失重率随腐蚀时间变化曲线Fig.5 Change curve of PW with corrosion time

由图5还可知：在不同应力作用下,随着腐蚀时间的延长,PW均呈现出逐渐增大的趋势.总体而言,试验结果的变化趋势与Boxlucass函数吻合良好.基于Boxlucass函数模型,对试验结果进行最小二乘法拟合,其拟合方程如式(1)所示：

PW=a(1-bx)

(1)

式中:a、b为拟合系数.当在交变应力作用下时,a=4.3030,b=0.9976,拟合方程的相关系数R2=0.9757;当在静态应力作用下时,a=3.9753,b=0.9979,拟合方程的相关系数R2=0.9976;当无应力作用时,a=3.6470,b=0.9978,拟合方程的相关系数R2=0.9937.拟合曲线与试验结果吻合良好(见图5).

3.2 屈服强度与抗拉强度

图6为量纲归一化后试件屈服强度在荷载和环境耦合作用下的变化,其中RP,i表示未经腐蚀及荷载作用时,镀锌钢丝的屈服强度.由图6可知：随着腐蚀时间的延长,试件的屈服强度呈逐渐下降的趋势,并且在相同的腐蚀时间下,受交变应力作用试件的屈服强度下降幅度最大,静态应力次之,无应力荷载作用下其下降幅度最小.由此可知：镀锌钢丝的屈服强度随着腐蚀时间的增加而呈逐渐减小的趋势,在相同腐蚀时间下,其屈服强度衰减幅度依次为交变应力>静态应力>无应力.这主要是因为经相同腐蚀时间后,处于交变应力与腐蚀环境耦合作用下的试件,由于交变应力的反复作用,钢丝内部的滑移带加速形成,使得试件内部产生疲劳损伤,与此同时,钢丝在腐蚀环境下又会发生电化学腐蚀反应,从而使得试件内部产生腐蚀损伤,当2种损伤同时存在时,二者之间起到了一个相互促进、加速损伤的作用[14],导致试件的屈服强度下降幅度最大.而处于静态应力与腐蚀环境耦合作用下的试件,由于没有反复循环的应力作用,使得试件的损伤程度次之,试件屈服强度的下降幅度次之.处于无应力作用下的试件,其发生的是单一腐蚀损伤,损伤程度最小,故而其屈服强度下降幅度最小.

图6 屈服强度随腐蚀时间变化及拟合曲线Fig.6 Change and fitting curve of yield strength with corrosion time

总体而言,试验结果的变化趋势与幂函数吻合良好.基于幂函数模型,对试验结果进行最小二乘法拟合,其拟合方程如式(2)所示：

(2)

式中：c为拟合系数.当在交变、静态及无应力作用下时,c分别为0.0131、0.0089和0.0031,拟合方程的相关系数R2均达到0.98以上.拟合曲线与试验结果吻合良好(见图6).

图7为量纲归一化后试件抗拉强度Rm在荷载和环境耦合作用下的变化,其中Rm,i表示镀锌钢丝未经腐蚀及荷载作用时的抗拉强度.由图7可知：当加速腐蚀时间在1200h以内时,随着腐蚀时间的延长,试件的抗拉强度呈现出一定的波动性,其波动幅度在3%以内;而在相同腐蚀时间下,经不同应力作用后,试件的抗拉强度基本相同.由此可知：试件的抗拉强度受荷载类型及腐蚀时间的影响相对较小,这主要是因为腐蚀前后,试件的材质是一样的,从而使得其抗拉强度变化幅度不大.

图7 试件抗拉强度随荷载和腐蚀时间的变化Fig.7 Change of bearing strength of specimen with load and corrosion time

3.3 弹性模量

图8为量纲归一化后试件弹性模量在荷载和环境耦合作用下的变化,其中Ei表示未经腐蚀及荷载作用时,镀锌钢丝的弹性模量值.由图8可知：经不同荷载类型及腐蚀时间作用后,除1200h交变应力与环境耦合作用试件S-1200-a,其余试件的E/Ei值基本均在1左右波动,其波动幅度在5%以内.这主要是因为弹性模量是一个对材料组织不敏感的性能指标,故经不同腐蚀作用后试件的弹性模量变化幅度不是很大;而经1200h交变应力与腐蚀环境作用后试件S-1200-a的弹性模量出现了较为明显的下降幅度,这可能是因为经1200h交变应力与腐蚀环境作用后,试件内部积累了足够多的内应力而得不到释放,从而使得其弹性模量出现较为明显的下降[15].

图8 试件弹性模量随腐蚀时间变化Fig.8 Change of elastic modulus of specimens with corrosion time

3.4 断后伸长率

图9为量纲归一化试件断后伸长率的变化,其中Ai表示未经腐蚀及荷载作用时,镀锌钢丝的断后伸长率.由图9可知：随着腐蚀时间的延长,试件的断后伸长率均呈现出逐渐下降的变化趋势,在静态应力及无应力作用下,其变化程度较为接近,而在交变应力作用下,其下降幅度要明显大于其在静态应力或无应力作用下的下降幅度,并且由试验结果可知,在交变应力及侵蚀环境耦合作用下,经1200h作用后,试件断后伸长率实测值为2%,已远小于GB/T 17101—2008《桥梁缆索用热镀锌钢丝》中其伸长率不得小于4%的规定.由此可知：在荷载与环境耦合作用下,随着腐蚀时间的延长,试件的断后伸长率呈逐渐下降的趋势,并且在交变应力与侵蚀环境的耦合作用下,其下降的幅度更为明显;经长时间作用后,其值甚至会远低于规范规定的限值,因而在实际工程中可能会造成结构脆性断裂的安全隐患.对此,工程人员需要引起高度的重视.