模拟北方酸雨对Q235钢腐蚀力学行为的试验研究

张 童，刘海卿，吕学涛

(1. 辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁科技学院资源与土木工程学院，辽宁 本溪 117004；3. 佛山科学技术学院交通与土木建筑学院， 广东 佛山 528225)

0 前 言

钢管混凝土是指在钢管内填充素混凝土而形成的一种组合结构，因其具有优良的力学性能、经济效益和施工效益，被广泛应用于各类结构物中[1]。与其他受力结构(钢结构、钢筋混凝土)类似，钢管混凝土柱作为一种主要的受力构件，其长期服役耐久性在设计中也是至关重要的[2]。当钢管混凝土用于雨水较多的地区时，裸露在外的钢管易遭受到酸雨的侵蚀，严重的表面腐蚀会削弱钢管的壁厚，还会对其力学性能产生重要影响。在不同的设计规范中[3，4]，钢材的力学性能是评估钢管混凝土强度以及对钢管混凝土受力机理分析的关键参数。服役的钢管混凝土结构日益增多，故研究酸雨腐蚀后钢管力学性能变化规律就显得非常重要。

当前，对于腐蚀环境下钢材力学性能的研究，大部分集中于氯离子的腐蚀[5，6]，关于酸雨腐蚀对钢材力学性能影响规律的研究相对较少[7]，可参考的文献十分有限，试验样本不多，因此对受到酸雨腐蚀后钢材力学性能的研究还有待完善。此外大气环境的成分对钢材的腐蚀具有较大的影响，相同的腐蚀时间，不同地区环境对腐蚀钢材的力学性能也存在较大差异，由于腐蚀本身的离散性较大，对具体某地的腐蚀评估只有根据当地的腐蚀数据才能得到较为精确的腐蚀模型[8]。

本工作以酸雨腐蚀的Q235钢为研究对象，对酸雨腐蚀的钢板进行单调拉伸试验，研究酸雨腐蚀对钢材屈服强度、极限强度、伸长率、弹性模量、泊松比等力学性能指标的影响规律，并在此基础上提出不同腐蚀程度情况下Q235钢力学性能指标的简化计算经验方法，进而为北方酸雨区钢管混凝土组合结构的设计及结构安全评估提供理论基础和科学依据。

1 试 验

1.1 酸雨腐蚀试验

1.1.1 模拟酸雨溶液的配制

文献[9-11]对大连酸雨的成分进行了详细的分析，研究结果表明大连地区酸雨成分中阴离子SO42-、Cl-、NO3-为主要成分，三者占到总阴离子成分的96.7%。阳离子的主要成分是Ca2+、NH4+、Na+，三者占到总阳离子成分的77.9%。而酸雨成分中SO42-和H+是导致建筑钢材腐蚀的主要离子。文献[12]统计了2007～2018年大连降水的pH值，最低为3.48，年平均为4.80～5.85，因此本试验中人工模拟酸雨溶液的成分为Ca(NO3)2、Na2SO4及NH4Cl，其含量分别为0.143，0.251，0.038 g/L。pH值由HNO3进行调节，设定为pH=4.5。为保证人工酸雨溶液pH值的稳定，每隔12 h测量溶液的pH 值，若相对于原值变化了0.3以上时则更换溶液[8]。

1.1.2 拉伸试件的制作

试样全部从Q235级钢管上截取。根据规范 GB/T 228.1-2010“金属材料拉伸试验”[13]，设计拉伸试验试件，具体尺寸如图1所示，初始厚度为3 mm。为了提高试验结果的均一性，在加速腐蚀试验之前，首先使用600级金刚砂纸对试样的所有表面进行抛光，去掉原始金属表面层，然后用医用棉球蘸取丙酮溶液进行脱脂清洗[14]，将表面擦干后放置在室温内测量质量。

1.1.3 试验步骤

在综合考虑试验费用和试验周期的情况下，本次腐蚀试验拟采用室内施加直流电的方式进行加速试验。试验设备由贮水槽、稳流电源、人工酸雨溶液及电源线构成。将配制好的人工酸雨溶液置于试验容器中，试样全部浸入溶液中，每组试验取3个平行试样。为避免试样与容器壁接触，特在试件两端宽口下垫上大小相同的木块。试样浸入溶液时，试样必须被溶液完全覆盖且在溶液面下至少10 mm。稳流电源的正极连接到拉伸试件，负极连接到导电棒，具体连接方法如图2所示。

通电时间按照Faraday定律理论公式进行控制，具体计算步骤见公式(1)：

(1)

式中 Δm——金属减少的质量，g

K——Q235钢金属电化学当量，K=1.024 g/(A·h)

I——电流强度，A

ΔT——通电时间，h

参考文献[15]中的经验，本试验中电流密度控制为2.0×10-4A/cm2。达到预定时间后取出试样，先在流水中用软毛刷进行轻微清洗，去除附着不牢固或酥松的腐蚀产物，若仍存在不能去除的腐蚀产物，则用钢丝刷进行处理。然后用流水反复清洗，以确保完全去除腐蚀产物，以避免试样继续受到腐蚀，同时也保证不损伤金属表面[16]。

试件通电后，负极连接的导电金属表面立即产生大量气泡，这是酸雨溶液中流离的H+在得到电子后生成的氢气。随着通电时间的增加，溶液逐渐由清澈的白色变成了黄绿色，表面拉伸试件的铁元素在失去电子后形成了流离的Fe2+，电极反应如式(2)～(3)，然后黄绿色消失，溶液变成黄褐色，这是溶液中流离的Fe2+继续失去电子，形成了Fe3+，电极反应如式(4)～(5)。

阳极：

Fe→Fe2++2e

(2)

阴极：

2H++2e→H2

(3)

阳极：

2Fe2+→2Fe3++2e

(4)

阴极：

2H++2e→H2

(5)

本试验采用测量腐蚀钢材残余质量的方法测定钢材的腐蚀率，如公式(6)所示。其中β为腐蚀率，%；Δm为钢材因腐蚀质量的减少值，g；m0为钢管初始质量，g；m1为腐蚀后钢管质量，g。

(6)

使用Evo18扫描电子显微镜(SEM)分析腐蚀钢板表面形貌。

1.2 单调力学性能试验

目前测量金属材料的纵横向变形的常用方法有机械法、声学方法、光学方法和电阻法等，而由于电阻法灵敏度高，并且可以在应变仪上直接读出应变数据[17]，因此本试验采用电阻法测量材料的纵横向变形。首先将试样两面中间位置用砂纸打磨，然后用医用棉球蘸少量酒精将打磨处进行脱脂清理，然后分别沿平行和垂直于试样长度方向各贴2个电阻应变片(如图1所示)，型号为BX120-3AA，灵敏系数为2.0±1%。再用游标卡尺标定试样拉伸前的尺寸l0。单调拉伸试验采用应变加载控制方式，应变加载速率为0.000 25 s-1。拉伸试件具体试验参数及测试结果如表1所示。

表1 拉伸试件试验参数及测试结果Table 1 Test parameters and test results of tensile specimens

2 结果与讨论

2.1 腐蚀后表面形貌

不同腐蚀程度钢板试样表面微观腐蚀形貌如图3所示。在0.2 mm标尺状态下可以看出经历酸雨腐蚀后，试样表面均存在凹凸不平的腐蚀痕迹，即腐蚀形式属于坑蚀。但不同腐蚀率下试样表面的蚀坑数量、大小以及分布都出现不同的变化。基本规律：当β≤10%时，随着腐蚀率的增大，蚀坑数量越多、分布越密集，部分蚀坑相互交汇使得蚀坑表面积增大、深度增加；当25%≥β≥15%时，试样表面产生的蚀坑更趋于明显和密集，形成了蚀坑集落，并且在集落内又生成新的蚀坑，因此表面有较大面积的半球状蚀坑[18]。

2.2 拉伸断裂方式

在本研究腐蚀率范围内，不同腐蚀程度拉伸试件存在2种不同的断裂方式：正断(断口垂直于试件轴线方向)或斜断(断口与试件轴线呈一定角度)。观察各拉伸件断口，都存在正断和斜断2种形式，但低腐蚀率(β≤10%)拉伸件的断口主要为正断；高腐蚀率(25%≥β≥15%)拉伸件的断口主要为斜断，如图4所示。

2.3 拉伸断口形貌

韧窝不同腐蚀程度钢板拉伸断口的宏观对比如图5所示。在2 μm标尺状态下，可以看出腐蚀钢板拉伸断口特征区域的微观形貌差异较大：当β=5%时，拉伸断口表面有大量韧窝，且韧窝尺寸较大且深，说明试样塑性较好；当腐蚀率为15%≥β≥10%时，其断口微观形貌中韧窝尺寸较小且浅，表明其塑性下降，但此时试样塑性仍较好；当β=20%时，其断口微观形貌中不但有很多小韧窝，还有明显解理面，说明试样不但具有塑性，同时还存在脆性，而且是以脆性断裂为主；当β=25%时，其断口微观形貌中韧窝不再存在，只有呈阶梯状的解理面且逐渐增多，说明试样为脆性断裂。

2.4 应力 - 应变曲线

拉伸过程中，由于钢材发生缩颈现象，拉伸件横截面发生变化，应变不再均匀，导致粘贴在试样正中间的应变片出现读数不准确的现象。但是拉伸试验并未终止，直到试件被拉断才停止试验，进而得到了完整的应力-应变曲线如图6所示。

从图6可以看到，随着钢材腐蚀的增加，钢材强度呈减小的趋势，而且腐蚀率越大，曲线中弹塑性变形阶段的弧度越短，说明由弹性段进入强化段时间用时较短。

2.5 力学性能指标

根据以往研究可知，腐蚀钢材的力学指标主要集中于屈服强度、极限强度、弹性模量以及伸长率。但由钢管混凝土结构的受力机理可知，当承受外部荷载时由于外部钢管泊松比(μs=0.28～0.30)大于核心混凝土的(μc=0.20)，因此钢管横向变形大于混凝土的，钢管与混凝土之间没有横向约束力，当外部荷载逐渐增大时，混凝土横向变形随之增大，此时钢管对混凝土产生横向约束力，阻止混凝土进一步横向变形，因此钢材泊松比是分析钢管混凝土结构受力机理的一个关键参数。

图7给出了腐蚀率与屈服强度、弹性模量、极限强度、泊松比与伸长率的关系。从图7可以看出试验数据虽然离散，但整体上钢材屈服强度、弹性模量、极限强度和伸长率都随着腐蚀率的增加而呈下降趋势。这是因为酸雨腐蚀导致钢材表面形成大小不同的蚀坑，蚀坑的存在会导致钢材物理性能的不连续性，且截面尺寸的突变也易于产生应力集中，使得局部应力和局部应变突然增大，造成截面应力分布不均匀和应变速率不同。此外蚀坑也易使钢材从塑性状态转向于脆性状态，进而使得蚀坑周围产生微裂纹，并随着轴向外荷载的增加而逐渐发展，最终导致钢材力学性能的退化[5]。而泊松比随着腐蚀率的增加而呈上升趋势，这可能是因为坑蚀导致试样的横向应变和轴向应变均减少，但轴向应变的减少值大于横向应变的减少值。泊松比与腐蚀率的变化关系也表明当承受外部轴向荷载作用时，随着腐蚀率的增加，钢管对核心混凝土产生的横向约束作用越晚，对构件的安全性不利，应该引起重视。

但整体上钢材的力学性能指标与腐蚀率近似呈线性关系。因此利用最小二乘法，回归出腐蚀钢材屈服强度(fβy)、弹性模量(Eβs)、极限强度(fβu)、伸长率(fβδ)及泊松比(μβs)与腐蚀率β的定量关系，如下公式(7)～(11)所示。

fβy=(1-0.908β)fyR2=0.800 6

(7)

Eβs=(1-0.525β)EsR2=0.606 8

(8)

fβu=(1-0.797β)fuR2=0.752 8

(9)

μβs=(1-0.739β)μsR2=0.714 9

(10)

fβδ=(1-2.209β)fδR2=0.831 8

(11)

3 结 论

(1)酸雨腐蚀后，钢板表面的腐蚀属于坑蚀；当腐蚀率小于10%时，拉伸件断口主要为正断破坏；当腐蚀率小于25%大于15%时，拉伸件断口主要为斜断破坏。

(2)酸雨腐蚀后钢材力学性能指标值离散程度相对较大，但整体上屈服强度、弹性模量、极限强度和伸长率都随着腐蚀率的增加而呈下降趋势，而泊松比随着腐蚀率的增加而呈上升趋势。

(3)基于单调拉伸试验数据，通过最小二乘法，回归出酸雨腐蚀条件下Q235钢材力学性能指标的简化计算经验公式，试验值与预测值偏差较小，可为酸雨区钢管混凝土组合结构的设计及安全评估提供理论基础和科学依据。