锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究

龚 帆，齐盛珂，邹易清，林才奎，王 琛，周海俊

(1. 深圳大学城市智慧交通与安全运维研究院，广东，深圳 518060；2. 深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点试验室，广东，深圳 518060；3. 柳州欧维姆机械股份有限公司，广西，柳州 545006；4. 保利长大工程有限公司，广东，广州 510620)

缆索在施工和使用过程中由于防护层破损渗漏等原因，腐蚀介质与高强钢丝直接接触导致其锈蚀[1]。锈蚀虽然可以延缓但无法避免，随着时间推移，锈蚀高强钢丝力学性能退化并最终导致拉索的失效[2]。现有工程案例表明锈蚀是导致高强钢丝力学性能退化、降低缆索构件适用性和耐久性的主要原因之一[3−4]。缆索是大跨桥梁的主要承重构件，换索虽然技术可行但往往耗费不菲，精准有效的评估并判定锈蚀高强钢丝的承载性能，对于缆索承重桥梁的维护和管理工作具有重要的参考价值。

Betti 等[5]对悬索桥高强钢丝进行了加速锈蚀试验，研究其劣化机理并对高强钢丝耐久性进行了深入分析。徐俊等[6]通过试验研究总结了高强钢丝力学性能随锈蚀程度变化的规律，并对钢丝的退化过程进行了模拟，提出了钢丝在各阶段的力学性能退化模型。Furuya 等[7]在不同干湿环境条件下对缆索进行长期暴露锈蚀实验，将锈蚀高强钢丝按所处环境划分为四类，并认为高温和索内水分是锈蚀的主要原因。Suzumura 等[8]继续对Furuya 等[7]得到的结果进行深入研究，重点研究试剂浓度、环境的温度和湿度对锈蚀速率的影响，估算了镀锌高强钢丝镀锌层的损耗时间。Li 等[9]对高强钢丝进行人工加速锈蚀，评估均匀锈蚀深度与坑蚀深度随时间的变化，建立了坑蚀系数的统计分布模型。Nakamura 等[10]将未破损与人工开口的高强钢丝进行了不同等级的疲劳试验，发现锈蚀高强钢丝疲劳强度随锈蚀程度的增加而降低。马小利等[11]针对高强钢丝锈蚀失效问题建立了平行拉索锈蚀时变失效概率模型，预测在役拉索高强钢丝锈蚀程度及其失效概率。Lan 等[12]对高强钢丝采用酸性盐雾锈蚀并进行疲劳加载试验，建立疲劳损伤演化模型，结果表明随着锈蚀程度的增加，高强钢丝的疲劳寿命显著降低。Jiang 等[13]对锈蚀高强钢丝的疲劳性能进行试验研究，提出了一种基于三维测量数据的高强钢丝寿命预测方法。Montoya 等[14]采用三维随机场的有限元模型研究了锈蚀拉索的承载性能退化。北京中交宇科技有限公司[15]基于重庆李家沱长江大桥斜拉索的HDPE护套破损、高强钢丝外观、力学性能及拉索的拉伸力学性能测试等相关试验结果进行了评估。交通运输部公路科学研究院[16]根据锈蚀高强钢丝的外观形貌将其划分为六个等级进行描述。

上述研究为锈蚀高强钢丝的形貌、力学性能退化提供了初步依据，对于检测评估拉索力学性能退化具有重要的意义。然而，在工程检测实践应用中，开窗的拉索高强钢丝处于服役状态，检测人员需要以外观检测、锈蚀产物来评估其锈蚀和力学性能退化程度。本文综合锈蚀产物分析、三维扫描形貌及力学性能测试结果，将高强钢丝按表观形貌、锈蚀率、锈蚀成分和力学性能等参数综合指标划分等级，以期补充《公路桥梁技术状况评定标准》[16]中高强钢丝的分类指标，为锈蚀高强钢丝工作性能与使用寿命评估提供依据及拉索构件的维护和管理提供参考。

1 锈蚀试验

1.1 试验方法及工况

试验所采用的高强钢丝由某缆索公司提供，参数为：长500 mm，直径7.00±0.07(mm)，含碳量0.8%，镀锌层重量300 g/m2，断后伸长率大于4%，疲劳寿命大于200 万次，标准极限强度1770 MPa，弹性模量范围195 GPa～205 GPa。共测试了12 组高强钢丝，每组14 根，试验工况如表1 所示。每组高强钢丝的标号为T-i(T 为每组锈蚀天数，i≤14 为自然数，代表相同锈蚀天数试件的编号)。锈蚀前用精度为0.01 g 的电子天平称重高强钢丝，然后用环氧树脂包裹其两端各50 mm 避免其锈蚀。采用F-90C 智能型全自动盐雾试验机对高强钢丝进行连续喷雾，喷雾溶液为浓度50 g/L 的NaCl，喷雾量为2 mL/h，PH 值为7，试验箱内温度设为45 ℃。

表1 试验工况Table 1 Experimental conditions

锈蚀完成后，用浓度为10%的盐酸溶液酸洗，并用精度为0.01 g 的电子天平再次称重锈蚀高强钢丝并计算其质量损失率，本文取质量损失率作为锈蚀率，计算公式为：

式中： ξ/(%)为高强钢丝锈蚀率；m0/g 为未锈蚀高强钢丝质量；m1/g 为锈蚀高强钢丝经酸洗后的剩余质量。

1.2 锈蚀产物分析

图1 不同锈蚀天数产物XRD 波谱图Fig.1 XRD Spectra for corrosion products with different corrosion days

高强钢丝锈蚀至指定天数后，烘干并取其表面锈蚀产物，用高分辨率X 射线衍射仪(X-Ray Diffraction, XRD)测出波谱以确定锈蚀产物中所含化合物，用场发射环境扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)对锈蚀产物进行电镜扫描与能谱分析，确定锈蚀产物中各元素含量。图1 所示为锈蚀10 d 和锈蚀90 d 的高强钢丝锈蚀产物XRD波谱图，图2 为不同锈蚀天数的电镜扫描微观图，图3 为不同锈蚀天数的产物能谱图，表2 为锈蚀产物元素分析结果，可见随着锈蚀天数的增加，锈蚀产物中Zn 元素含量逐渐减少，而Fe 元素含量逐渐增多。这是因为随着锈蚀的深入，高强钢丝镀锌层逐渐被耗尽，铁元素逐渐被锈蚀至锈蚀产物中。锈蚀300 d 时锈蚀产物中锌含量小于5%，镀锌层已基本耗尽。

1.3 锈蚀形貌分析

每个工况取3 根锈蚀高强钢丝，采用图4 所示的华郎-3DX+非接触式三维扫描仪获取其截面形貌沿轴向的变化情况，每隔0.1 mm 记录高强钢丝表面三维数据并计算该截面剩余截面面积。

图5 所示为锈蚀高强钢丝无量纲(除以未锈蚀钢丝截面面积)剩余截面面积沿轴向的概率密度分布曲线，表3 所示为其对应的统计分析结果。可见当锈蚀率低于1.06%时，高强钢丝的截面面积概率密度分布符合正态分布函数，当锈蚀率大于1.06%时，其概率密度分布函数更接近于Beta 分布函数。随着锈蚀率增加，高强钢丝的无量纲截面面积均值逐渐减小，标准差逐渐增大，其偏度呈越来越负的趋势，峰度的变化则有反复，说明面积较小的截面占比随腐蚀率增大后逐渐增加，变异性越来越大。

2 锈蚀高强钢丝力学性能

2.1 静力拉伸试验

2.1.1 试验仪器与方法

试验在深圳大学土木与交通工程学院结构工程试验室进行，每个工况取12 根锈蚀高强钢丝，采用图6 所示的MTS-300 万能试验机对其静力拉伸加载直至破坏。试验机两端夹口各夹50 mm，有效长度为400 mm，参照《金属材料拉伸试验室温试验方法》[17]的规定设置拉伸速度为2 mm/min，采用引伸计采集应变数据，采样频率为5 Hz。

2.1.2 应力-应变曲线

图7 所示为试验所得不同锈蚀天数的应力-应变曲线，图中标出了每个试件的平均锈蚀率。可见随着锈蚀率增加，极限强度呈逐渐降低趋势，极限应变呈现较大的变异性，锈蚀高强钢丝的强化阶段缩短，部分甚至消失。

2.1.3 屈服强度和极限强度

图2 不同锈蚀天数的锈蚀产物电镜扫描微观图Fig.2 SEM for corrosion products with different corrosion days

图3 不同天数的锈蚀产物能谱图Fig.3 Energy spectrum of products for different corrosion days

表2 不同锈蚀天数的产物各元素含量Table 2 The element contents of corrosion products for different accelerated corrosion days

图4 华朗-3DX+非接触式三维扫描仪Fig.4 Hualang-3DX+ Contactless 3D Scanner

图5 无量纲剩余截面面积概率密度分布随锈蚀率的演化Fig.5 Probability density function of dimensionless residual sectional area for different corrosion ratio

取塑性应变为0.2%时对应的应力-应变曲线的应力值作为屈服强度，取应力-应变曲线对应的极限应力作为极限强度，得到高强钢丝屈服强度、极限强度与锈蚀率的散点如图8、图9 所示。可见随着锈蚀率的增加，屈服强度与极限强度均呈加速降低趋势，在锈蚀率大于1.25%时高强钢丝极限强度小于标准极限强度1770 MPa。对屈服强度-锈蚀率散点图采用三次函数进行最小二乘拟合，得到屈服强度 σy/MPa 与锈蚀率关系式：

表3 无量纲剩余截面面积统计结果Table 3 Statistical results of dimensionless residual sectional area

图6 MTS-300 万能实验机Fig.6 MTS-300 Universal Test Machine

对极限强度-锈蚀率散点图采用三次函数进行最小二乘拟合得极限强度 σu/MPa 与锈蚀率关系式：

图7 不同锈蚀率高强钢丝的应力-应变曲线Fig.7 Strain-Stress curves of corroded wires from different corrosion ratios (days)

图8 屈服强度-锈蚀率散点图Fig.8 Yield strength vs. corrosion ratio

图9 极限强度-锈蚀率散点图Fig.9 Ultimate strength vs. corrosion ratio

2.1.4 弹性模量

图10 为取弹性应变为0.1%对应的应力-应变曲线割线斜率确定的锈蚀高强钢丝弹性模量与锈蚀率的散点图。根据《桥梁缆索用热镀锌钢丝》[18]，高强钢丝的弹性模量标准范围为195 GPa～205 GPa，由散点图可以看出随着锈蚀率的增加，弹性模量变化不大，都在其规定范围内，可以认为高强钢丝的弹性模量不受锈蚀影响。

图10 弹性模量-锈蚀率Fig.10 Elasticity modulus vs. corrosion ratio

2.1.5 极限应变

图11 所示为高强钢丝极限应变与锈蚀率散点图，可见随着锈蚀率增加，极限应变 εu逐渐降低且呈现出较大的变异性，通过线性回归可得到极限应变-锈蚀率关系式：

图11 极限应变-锈蚀率Fig.11 Ultimate strain vs. corrosion rate

2.1.6 断后伸长率

图12 断后伸长率-锈蚀率Fig.12 Elongation at break vs. corrosion ratio

由于在锈蚀率小于3.48%时断后伸长率变化趋势不明显，故线性回归只取锈蚀率大于5.05%的数据点，得断后伸长率与锈蚀率关系式：

2.2 锈蚀高强钢丝本构关系模型

2.3 疲劳加载试验

2.3.1 试验方法

采用图13 所示的MTS250 疲劳试验机对锈蚀高强钢丝进行疲劳加载直至200 万次或者断裂。试验通过力控(应力幅值)进行，加载频率为10 Hz，加载力的幅值范围为15.386 kN～30.772 kN(应力幅为200 MPa)，采样频率为1024 Hz。

图13 MTS250 疲劳实验机Fig.13 MTS250 Fatigue Test Machine

2.3.2 高强钢丝疲劳寿命

由表4 可见当高强钢丝锈蚀率小于3.28%时，其疲劳寿命在200 万次以上，在锈蚀率为4.16%及以上时，锈蚀高强钢丝的疲劳寿命少于200 万次。

表4 疲劳试验结果Table 4 Fatigue loading test results

图14 所示为高强钢丝疲劳寿命与锈蚀率散点图，由于本试验在加载达到200 万次时停止加载，无法确定具体的疲劳寿命，故对疲劳寿命-锈蚀率散点图进行回归拟合时舍弃了疲劳寿命超过200 万次的数据，得到高强钢丝疲劳寿命与锈蚀率关系式：

图14 疲劳寿命-锈蚀率Fig.14 Fatigue life vs. corrosion ratio

2.4 与实桥索内锈蚀钢丝力学性能的比较

图15 实际与实验室条件下锈蚀高强钢丝部分力学性能的比较Fig.15 Comparison of partial mechanical properties of corroded steel wire under laboratory and real conditions

实际环境中锈蚀高强钢丝受温度、氯离子浓度、PH 值、服役应力等更多因素的影响，图15所示为本文研究结果与其它研究数据[20−22]的对比。由于高强钢丝强度和直径的不同，文献[20−21]的钢丝来自于自然腐蚀的吊杆和拉索，直径为5 mm，强度级别为1670 MPa；文献[22]为干湿循环加速腐蚀的钢丝，直径为5 mm，强度级别为1570 MPa，本文采用无量纲化的方式将有量纲量无量纲化，如无量纲极限强度为实测极限强度值除以极限强度标准值。图15 可见与本文实验室盐雾腐蚀的高强钢丝力学性能相比，参考文献中自然腐蚀的高强钢丝力学性能呈现出更大的离散性，但整体退化趋势基本一致。需要注意其它文献中实桥锈蚀率高于10%的数据点很少，且本文研究数据和实桥数据的差别当锈蚀率大于10%时相比有增大的趋势，对于锈蚀率高于10%的结果应谨慎采用。

3 锈蚀等级分类

《公路桥梁技术状况评定标准》[16]根据锈蚀高强钢丝外观形貌将其划分为六个等级进行描述，本文综合上述试验结果，由相互对应的锈蚀高强钢丝外观形貌、锈蚀产物成分、锈蚀率和力学性能指标，将规范中锈蚀高强钢丝的分类指标进行补充，各等级划分标准见表5，各等级形貌示意如图16 所示。

表5 高强钢丝分类等级Table 5 Classification of high strength steel wire

图16 锈蚀高强钢丝分级形貌示意图Fig.16 Schematic diagram of the classification of corroded high strength steel wire

4 结论

本文对人工加速锈蚀高强钢丝进行锈蚀产物分析、三维扫描、静力拉伸力学性能和疲劳性能测试。试验结果表明：

(1) 高强钢丝屈服强度与极限强度随锈蚀率的增加均呈加速降低趋势，极限强度在锈蚀率大于1.25%时小于标准极限强度1770 MPa，断后伸长率随锈蚀率增加整体呈线性减小趋势，且在锈蚀率大于5.05%时小于规范限值4%，疲劳寿命随锈蚀率增加呈幂函数下降且在锈蚀率大于4.16%时小于200 万次，高强钢丝弹性模量基本不受锈蚀率影响。

(2) 与发表的实桥拉索内锈蚀高强钢丝的力学性能对比表明自然腐蚀的高强钢丝力学性能呈现出更大的离散性，但整体退化趋势基本一致。

(3) 依据上述试验结果建立了锈蚀高强钢丝力学性能参数随锈蚀率变化的双线性本构关系模型。

(4) 根据锈蚀产物分析、三维扫描形貌及力学性能测试结果，将高强钢丝按表观形貌、锈蚀率、锈蚀成分和力学性能等参数综合指标划分等级，补充了《公路桥梁技术状况评定标准》中高强钢丝的分类指标，为不同锈蚀程度高强钢丝力学性能评估提供参考依据。

本文仅针对实验室的研究结果进行分类，后续将进一步收集实桥锈蚀拉索的高强钢丝，研究实际腐蚀条件下高强钢丝的力学性能退化结果。