邱 斌,徐善华
(西安建筑科技大学土木工程学院,西安 710055)
钢材受环境作用普遍存在不同程度的锈蚀,锈蚀必然会导致钢材各项力学性能发生不可逆转的退化,其中强度退化对结构承载性能的影响尤为重要。文献[1—3]分别针对碳钢在工业大气环境下、含SO2的大气环境下及海洋大气环境下的耐蚀性、锈蚀产物、锈蚀形貌及锈蚀产物生长过程等进行了研究,但未对碳钢锈蚀后的各项力学性能退化规律进行分析。
目前,众多学者往往以锈蚀钢筋力学性能退化规律为研究重点,且研究成果存在较大分歧。一种观点认为,锈蚀对钢筋的屈服强度和抗拉强度无显著影响,但会使其断后伸长率下降[4-5];另一种观点则认为,锈蚀率较小时(通常截面锈蚀率在5%以内),钢筋锈蚀较均匀,锈蚀对其力学性能无显著影响,而锈蚀率较大时(不均匀锈蚀),锈蚀使其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率都有所下降[6-11]。
锈蚀对钢板力学性能的影响被长期忽视,其研究成果寥寥无几,文献[12]通过试验研究表明,锈蚀对钢板的屈服强度、抗拉强度无显著影响,但对其塑性影响显著。文献[13]通过试验研究表明,锈蚀后钢板的屈服强度、抗拉强度随锈蚀程度增加呈线性下降,伸长率的下降与锈蚀程度成幂函数关系,与文献[12]的研究结果存在较大分歧。因此,研究锈蚀对钢板各项力学性能影响具有重要意义。
锈蚀除引起钢筋截面面积减小之外,还存在蚀坑处的应力集中效应,这种效应在宏观上表现为钢筋力学性能的退化。由于锈蚀后钢筋截面面积的减小程度只能通过一段范围内的截面面积减小平均值反映,同时锈蚀钢筋力学性能的退化也是一段钢筋的平均值。部分学者在研究锈蚀钢筋强度退化时将应力集中效应和截面面积减小合二为一,通过力学性能的平均值研究锈蚀钢筋力学性能的退化规律[10-11],使得讨论更加方便,同时也更直观地反映锈蚀对钢筋力学性能的影响。
借助同样的思路,作者对4种不同加速锈蚀环境下锈蚀的钢板进行拉伸试验,采用钢板拉伸性能平均值研究分析锈蚀对钢板力学性能的影响,并建立了锈蚀钢材力学性能的退化规律。
试验用材料为热轧Q235B钢板,主要化学成分(质量分数/%)为0.16C,0.18Si,0.35Mn,0.035S,0.035P。将尺寸为280mm×50mm×8mm的试样分别置于4种不同锈蚀环境下进行加速锈蚀试验。试样工作部分与圆弧过渡部分的连接处要求为光滑连接,不能产生任何凹陷。称试样锈蚀前后质量。
自然大气酸雾加速锈蚀:将8组(每组3个)试样按顺序斜靠放置,用体积比为18%的盐酸酸雾喷洒试样的一个面至湿润,为确保两面锈蚀状况一致,需每周翻转一次并进行喷洒,锈蚀时间为122d。此法既模拟了钢板实际处于自然大气酸雾中时的干湿交替情况,又能达到加快锈蚀的目的。
恒温恒湿加速锈蚀:将6组(每组3个)试样按顺序平放置于温度为55℃、相对湿度为(95±3)%的恒温恒湿箱中进行加速锈蚀,为增强锈蚀速率,每隔5d将试样浸泡于饱和NaCL溶液中湿润约5min,锈蚀时间为61d。
中性盐雾箱加速锈蚀:将10组(每组3个)试样与垂直方向成30°放置于YWX/Q-020型盐雾箱内,喷洒质量分数为5%的氯化钠盐雾进行加速锈蚀,盐雾箱温度为35℃,饱和器温度为37℃,相对湿度大于95%,在箱底适当加水补充箱内水分以保证相对湿度要求。采用间隙喷雾,1d连续喷6h后停喷6h,停喷时不加热,试样在盐雾箱内自然冷却。为确保两面锈蚀状况保持一致,需1d翻转一次,取样时间分别为14,20,40d,锈蚀时间总计178d。
自然大气环境下中性盐雾加速锈蚀:将17组(每组3个)试样暴露于自然大气环境下(西安建筑科技大学土木楼楼顶),为确保试样两面锈蚀状况保持一致,每隔4~5d翻转一次,同时在试样表面均匀喷洒饱和氯化钠溶液进行加速锈蚀,锈蚀时间约3a。
试样的锈蚀程度采用锈蚀率(质量损失率)ηs进行表征,即锈蚀前后的质量差与锈蚀前质量的百分比。
将锈蚀试样制成尺寸为240mm×30mm×8mm的拉伸试样,不同锈蚀环境下均预留一组试样作为对比试样并制作成拉伸试样,按GB/T 228-2002在CSS-WAW300DL型电液伺服万能试验机上对锈蚀前后试样进行室温拉伸试验,拉伸速度10~30mm·s-1。
分别定义锈蚀钢板的断后伸长率相对值ke、屈服强度相对值ky、抗拉强度相对值kt和弹性模量相对值kem,如式(1)~式(4)所示,并分别与平均锈蚀率进行拟合。
式中:δ0,δ为未锈蚀钢材和锈蚀钢材的断后伸长率;σs0,σs为未锈蚀钢材和锈蚀钢材的屈服强度;σb0,σb为未锈蚀钢材和锈蚀钢材的抗拉强度;E0,E为未锈蚀钢材和锈蚀钢材的弹性模量。
由图1可知,不同锈蚀环境下锈蚀对弹性模量相对值的影响各不相同,可采用下式进行表征:
式中:αs为锈蚀影响系数。
在自然大气酸雾和中性盐雾箱环境下,弹性模量相对值随锈蚀程度的增加小幅降低,锈蚀影响系数αs较小;在恒温恒湿环境下,弹性模量相对值在一条直线上下波动,从统计角度而言,锈蚀对弹性模量相对值无影响;在自然大气中性盐雾环境下,弹性模量相对值随锈蚀程度的增加小幅增长,该规律不符合情理,应是试验误差及数据的离散性造成。综上所述,锈蚀对钢板弹性模量的影响比较复杂,应进一步分析研究。
由图2可知,断后伸长率相对值随锈蚀程度增加而显著降低,下降规律显著服从下式:
不同锈蚀环境下断后伸长率相对值的下降规律不同。在自然大气酸雾、恒温恒湿及中性盐雾箱环境下,断后伸长率相对值随锈蚀程度的增加呈显著的线形降低,服从线性退化规律;在自然大气中性盐雾环境下,随锈蚀程度的增加,断后伸长率相对值较显著地服从两折线退化规律,即锈蚀率不大于4%时,锈蚀对断后伸长率相对值的影响不显著;锈蚀率大于4%时,断后伸长率相对值与锈蚀率呈现显著指数关系,如图2(d)所示。
由图3可知,不同环境中屈服强度相对值随锈蚀程度的增加较好地服从两折线退化规律。锈蚀率不大于4%时,ky=1;锈蚀率大于4%时呈下列规律:
图1 不同环境加速锈蚀后弹性模量相对值-锈蚀率拟合曲线Fig.1 Fitted curves of relative value of elasticity modulus and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments:(a)acid spray in natural atmosphere;(b)constant temperature and humidity;(c)neutral salt spray in box and(d)neutral salt spray in natural atmosphere
图2 不同环境加速锈蚀后断后伸长率相对值-锈蚀率拟合曲线Fig.2 Fitted curves of relative value of break elongation and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments:(a)acid spray in natural atmosphere;(b)constant temperature and humidity;(c)neutral salt spray in box and(d)neutral salt spray in natural atmosphere
图3 不同环境加速锈蚀后屈服强度相对值-锈蚀率拟合曲线Fig.3 Fitted curves of relative value of yield strength and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments:(a)acid spray in natural atmosphere;(b)constant temperature and humidity;(c)neutral salt spray in box and(d)neutral salt spray in natural atmosphere
由图4可知,不同环境中抗拉强度相对值随锈蚀程度增长同样也较好地服从两折线退化规律。
锈蚀率不大于4%时,kt=1;锈蚀率大于4%时有如下规律:
图4 不同环境加速锈蚀后抗拉强度相对值-锈蚀率拟合曲线Fig.4 Fitted curves of relative value of tensile strength and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments:(a)acid spray in natural atmosphere;(b)constant temperature and humidity;(c)neutral salt spray in box and(d)neutral salt spray in natural atmosphere
锈蚀钢板的弹性模量随锈蚀程度增加的退化规律仍需通过大量试验数据确定,因为影响锈蚀钢板弹性模量的因素除平均锈蚀程度外,还有表面锈蚀形貌特征。锈蚀不仅引起钢板截面面积减小,同时也导致蚀坑处产生应力集中效应,若以绝对均匀锈蚀钢板作为参照,蚀坑处的弹性模量较小,而其余部位的弹性模量较大,此时,锈蚀钢板弹性模量的退化规律很大程度上取决于其表面蚀坑的分布、尺寸及数量等因素,故锈蚀钢板弹性模量退化速率仍需要通过大量的试验数据确定。
屈服强度和抗拉强度随锈蚀程度的增加均较好地服从两折线退化规律,说明锈蚀对钢板的屈服强度和抗拉强度在不同锈蚀阶段具有不同的影响。其主要原因在于锈蚀初期试样以规模较小的局部坑蚀为主,蚀坑尺寸相对较小,蚀坑处的应力集中不足以影响试样的强度;随着锈蚀程度增大,试样逐渐转化为全面锈蚀,蚀坑尺寸逐渐增大,蚀坑处的应力集中对试样强度的影响也逐渐增大。
同时可以发现,在自然大气中性盐雾环境下,虽然其锈蚀率高达40%左右,但各项性能退化规律拟合式的锈蚀影响系数最小。这主要因为在自然大气中性盐雾环境加速锈蚀试验中,对锈蚀试样的锈蚀均匀性控制得相对较好,锈蚀对钢板力学性能的影响主要体现在截面面积减小,而锈蚀不均匀性对钢板力学性能的影响尚未充分表现出来。
断后伸长率、屈服强度及抗拉强度的锈蚀影响系数不等于1,说明虽然锈蚀钢板的力学性能随试样锈蚀程度线性退化,但其退化速率并不等于锈蚀程度的增大速率,进一步证明影响锈蚀钢板的强度和断后伸长率的因素除平均锈蚀程度外,还与锈蚀钢板表面锈蚀形貌特征有关。原因在于锈蚀不仅引起钢板截面面积减小,同时也导致蚀坑处产生应力集中效应,两者共同作用导致钢板强度与断后伸长率降低。
由于试验所取试样均为Q235B钢板,且锈蚀率在40%以内,所以上面各公式的适用范围也仅限于此,其它如Q345等钢板的力学性能随锈蚀程度增长而退化的规律仍需进一步研究分析。
(1)由于锈蚀对钢板弹性模量的影响较为复杂,因此不同锈蚀环境下不同锈蚀程度的钢板弹性模量退化规律仍需进一步研究。
(2)锈蚀钢板的断后伸长率随锈蚀程度的增大显著退化,但不同锈蚀环境下的退化规律不同,自然大气酸雾、恒温恒湿和中性盐雾箱环境下,断后伸长率随锈蚀程度的增加呈现出较好的线性退化规律,而自然大气中性盐雾环境下,断后伸长率随锈蚀程度的增大呈现出两折线退化规律。
(3)锈蚀钢板的强度(屈服强度和抗拉强度)随锈蚀程度增大服从较显著的两折线退化规律,当锈蚀率不大于4%时,锈蚀对钢板强度无显著影响,而锈蚀率大于4%时,钢板强度随锈蚀程度的增大而较好地呈现线性退化规律,退化速率与锈蚀钢板表面锈蚀形貌特征密切有关。
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