海洋环境下腐蚀钢结构力学性能研究进展

潘金龙 梁鸿宇 张恩旺 系星语

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211200）

0 引言

我国幅员辽阔，海岸线延绵一万多公里，岛屿更是多达数千，随着我国沿海经济的飞速发展，钢材的应用范围已经越来越广，钢桩码头、人工岛、栈桥、管道、储罐、码头、海上平台等领域均可以看到钢结构的身影。海洋环境下，钢结构容易产生锈蚀，进而影响钢结构的力学性能，导致钢结构的使用寿命缩短并引发相应的工程事故，带来巨大的安全隐患[1,2]，在我国每年由钢结构腐蚀造成的直接经济损失约为2300亿元，间接经济损失为（5000～6000）亿元，相当于我国国民生产总值的5%，因此，研究海洋环境对钢结构的力学性能影响具有极其重要的意义。

1 海洋环境下钢结构腐蚀影响因素

海洋环境下，钢结构的腐蚀机理复杂，影响因素种类繁多，腐蚀后产生的物质类型也各不相同[3]。国内外现有研究表明，海洋环境下钢结构腐蚀因素众多，但是起主要的影响因素是氯离子、荷载[4-6]。

1.1 氯离子

氯离子在海洋中广泛存在，由于氯离子对钢的表面渗透性非常强，当钢结构处于海洋环境中时，氯离子在钢表面溶于液态薄膜中，形成对钢具有强烈腐蚀性介质，进而在钢材表面形成坑形腐蚀点。Ma等[7]将模拟海洋环境下的钢材进行红外光谱分析后发现，氯离子不同腐蚀周期下，钢结构表面腐蚀程度、形态均不同。Graede[8]通过实验分析认为氯离子还对海洋环境下钢结构的电化学腐蚀有不同程度的加强作用，同时，氯离子的浓度大小也对钢结构的腐蚀有一定影响[9,10]，氯离子浓度越大，钢结构表面腐蚀速度越快。现有研究发现钢材在受到氯离子腐蚀后，会产生氧化铁、γ-FeOOH等主要物质。在考虑海洋氯离子的影响因素实验方面，目前采取的是使用模拟海洋环境，比如用氯化钠溶液、盐雾等常规腐蚀环境以及高浓度加速腐蚀实验。

1.2 荷载耦合

钢结构在实际使用过程中均受到荷载的作用，海洋腐蚀环境下，荷载的耦合使钢结构受到的腐蚀程度更深。然而在氯离子与荷载耦合环境的实验方面，国内外对此直接开展的研究并不是很多，Y-H.HUANG[11]等通过研究氯离子腐蚀环境下不锈钢的耐疲劳性能发现，当施加短期扭转荷载时，不锈钢表面的锈蚀程度更深，荷载加速了腐蚀环境下钢结构表面的锈坑形成速度，经过显微观测能明显发现，施加荷载的钢棒表面锈坑会转化为裂纹。Sung jin kim[12]通过研究荷载对酸性环境下钢的电化学反映实验得出，荷载加速了钢的电化学反应，使钢材收到腐蚀程度更深。Xing Xie[13]通过研究荷载与氯离子环境下10CrNi5MoV钢的耐疲劳性能发现，此钢在海水中的疲劳寿命比在空气中的短，随着施加载荷比例的增加，加速了此钢的腐蚀，钢表面锈坑的形成速度更快，耐疲劳性能更差。

Fumin Li[14]等通过研究氯离子与疲劳荷载共同作用下，预应力混凝土梁的腐蚀破坏形式发现。在氯离子腐蚀和疲劳荷载的共同作用下，不同受力段的预应力混凝土梁钢绞线受到不同程度的腐蚀。弯管段比弯剪段腐蚀更为严重，这与弯管段的疲劳应力水平相对应。钢绞线呈典型的孔蚀状腐蚀，表面形成近似于球状的凹坑，氯离子浓度越高，施加疲劳荷载越大，凹坑体积越大。

以上研究表明，钢在海洋环境下会受到氯离子的腐蚀，同时荷载的耦合会使钢结构腐蚀的情况更加严重。由于实验设施及操作上存在的困难，现有研究基本都是短期荷载效应，少见长期荷载效应下钢结构的腐蚀与力学性能研究。国内在氯离子与荷载耦合环境下的钢的锈蚀实验涉及极少，并且已有的研究仅在疲劳破坏领域，而现实工程中钢结构的使用情况均是环境与荷载耦合，因此在氯离子与其他荷载方面钢结构的腐蚀行为是今后的研究方向。

2 海洋环境下钢结构力学性能变化

海洋环境下钢结构受到腐蚀后，其力学性能会发生不同程度的下降，力学性能的下降必然影响钢结构的使用安全性，从而缩短钢结构的使用寿命。海洋环境下钢结构的力学性能变化情况研究主要是从钢结构拉伸性能、压缩性能、弯曲性能三方面入手。

2.1 拉伸性能

拉伸性能的主要参数为屈服强度、极限强度、伸长率、屈强比等。Wei R Y等[15]通过截取海洋环境下钢结构构件进行拉伸试验，发现钢材的各项拉伸性能指标均出现了大幅度下降。在此方面研究的还有徐兴平[16]、史炜洲[17]等，这些研究均是从自然界使用中的钢材为研究对象，可以直接反映其力学性能的退化规律。更多情况下，研究人员是采用实验室模拟海洋环境，亦或是采用加速腐蚀实验作为实验环境。如Tatsrro等[18]直接在钢材表面参照自然锈蚀情况制作相应锈坑，研究钢材表面由于锈坑引起钢拉伸性能的变化规律，得出随着锈坑深度和密度的增大，钢材拉伸试验后，其屈服强度、极限抗拉强度和伸长率等均出现了大幅度降低。Almusallam[19]、陈露[20]等通过海洋环境下低碳钢的拉伸试验得出，在锈蚀程度较低时，低碳钢的拉伸性能变化较小，当锈蚀率超过10%时，低碳钢的抗拉强度下降明显。现有研究在钢结构的抗拉强度方面得出的结果与结论较为接近，但是在拉伸变形上出现较大的差别，由于海洋腐蚀环境下钢结构的长期耐久性试验离散性较大，因而需要更加深入的研究，以对海洋环境下的钢结构使用提供数据支撑。

2.2 压缩性能

钢结构作为受压构件，在结构承重体系中占据重要地位，国内外在海洋腐蚀环境其压缩性能的影响主要集中在承载力、刚度、延性几个方面。徐善华[21]等通过研究型钢构件放在盐雾模拟海洋环境下力学性能试验，发现型钢柱的锈蚀程度与时间成正比，其承载力、刚度、位移延性系数都产生了不同程度的下降，同时，型钢翼缘的锈蚀对钢结构的偏压承载力的下降起决定性作用。

张华[22]通过研究盐雾模拟海洋试验下H型钢压弯性能发现，由于锈蚀在型钢的表面形成锈层，减少了构件的截面积，引起其压弯性能的下降。

2.3 弯曲性能

钢结构的弯曲性能在腐蚀之后会受到不同程度的影响，白烨等[23]通过大气环境下腐蚀三年的钢材四点弯试验得出，腐蚀使得构件截面厚度受到不同程度的削弱，进而影响构件的受弯承载能力。在锈蚀程度方面，均匀锈蚀时整个锈层对钢材的承载力起不到任何作用，相当于对原有构件削去一层使得钢材截面厚度改变，而锈坑由于厚度不同，分布不均，对受弯承载力的影响原理也不同。潘典书[24]截取大气暴露环境下腐蚀的钢材试件，通过三点弯实验研究腐蚀环境下锈蚀钢材受弯承载力，结果表明钢结构构件承载力随着腐蚀年限的增加，呈现出初期衰退比较快，后期逐步变缓慢的趋势。徐善华等[25]通过槽钢构件在室内盐雾加速试验研究钢的受弯性能，结果表明，钢构件的承载力降低主要是由于受到持续腐蚀，点蚀因子随时间逐步变大，钢构件的锈坑也随着扩大、变深，导致钢构件的表面强度降低。

在力学性能研究方面，经过海洋环境腐蚀后，钢结构的拉伸、压缩、弯曲等力学性能均会发生不同程度的降低，然而对于力学性能的下降，大多仅在短期时间基础上通过理论模拟预测长期寿命，钢结构的实际使用寿命及力学性能的退化还需要更长时间的试验验证与研究。

3 结语

通过以上研究可以发现，钢结构腐蚀的研究已经取得了相应的进展，海洋环境下钢结构腐蚀的主要影响因素是氯离子与荷载，无论是自然腐蚀条件还是人工模拟加速腐蚀条件均会引起钢结构力学性能不同程度的下降。但是现有试验研究还存在一定的问题和不足，即仅仅在荷载耦合条件下钢结构的耐疲劳性能，而在其他力学性能上的研究少见，因而今后可以加强考虑应力和外界腐蚀环境共同作用下钢结构的力学性能试验，建立相应力学性能退化模型，对应用钢结构工程进行寿命预测，具有很大的现实意义。