预应力钢丝在模拟酸雨环境下的腐蚀规律研究

陈秀玲，陈明政，朱佳豪，汪 伟，肖云凤

(重庆科技学院建筑工程学院，重庆 400074)

预应力钢材无论在建筑结构还是桥梁结构中的运用都是极为常见，同时也多为关键受力部位。由于交通运输业和工业迅猛发展导致的雾霾及酸雨改变了重庆地区的大气环境，也加速了预应力钢材的腐蚀，严重影响了预应力结构的安全性和耐久性。

通过查阅文献和相关资料收集，得到关于国内外因钢丝腐蚀造成的病害情况表，如表1所示,钢丝锈蚀是目前较为常见病害之一，同时其造成的影响也是不容小觑。

表1 国内外钢丝腐蚀病害统计

随着使用年限的增加，越来越多的因钢丝腐蚀、老化等问题造成建筑物倒塌事故层出不穷，预应力钢材的可靠度和耐久性对结构体系的安全影响较大，一旦失效或者发生结构耐久性问题，将产生毫无征兆的脆性破坏。因此，为了减小由于预应力钢材腐蚀导致结构失效的可能性，本项目结合重庆地区雾霾酸雨环境的特点，科学构建预应力钢材试件，人工模拟酸雨环境下对预应力钢筋的腐蚀试验，深入全面研究预应力钢筋在各致酸离子影响下的腐蚀规律，并提出合理的耐久性设计建议，为预应力钢筋结构的耐久性设计和安全保障奠定坚实的基础。

1 试验概况

1.1 试件加载装置设置

试验所采用的钢丝为直径为5 mm的普通热镀锌钢丝，钢丝长度为1 000 mm，抗拉强度代表值为1 670 MPa。结合JGT 369-2016《预应力混凝土结构设计规范》规定，钢丝和钢绞线的张拉控制应力允许值为0.40fptk～0.75fptk。因此，本次试验采用三个相同的加载装置，对每个加载装置上的钢丝施加3种不同的张拉控制应力，分别是0.25fptk、0.5fptk、0.75fptk，以求达到对比性效果。

试验中每个装置是由足够刚度的钢板焊接而成，且经过镀锌处理，钢板厚15 mm、高42 mm、长200 mm、宽200 mm。钢框两端分别钻有3个直径为9 mm的孔洞，用于固定预应力钢丝，两端用直径为5 mm的单孔夹片式锚具锚固。预应力的施加大小是通过千斤顶来完成，由压力传感器显示读数，将钢丝超张拉到设计好的张拉控制应力值后，通过分级张拉进行数据的比对校核，再通过拧动标定件上的螺母来固定位移并稳定应力状态，使其达到预定的效果，张拉完成后，再拆除千斤顶等预应力加载构件。具体加载装置详图可见图1。

图1 加载装置设计

1.2 人工模拟酸雨环境下的腐蚀试验

试验前将整个加固好的试件进行清洗和烘干处理，处理好后再放入腐蚀试验箱中进行下一步的腐蚀试验操作。本试验采用的是将近5 a的重庆酸雨溶液中各离子浓度的加权平均值作为计算依据[1]，模拟的酸雨溶液化学组成表如表2所示。

表2 模拟酸雨溶液组成成分及含量 umol/L

本试验为酸性盐雾试验，严格按照国家标准GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀盐雾试验》进行[2]。根据酸雨溶液中离子的组成成分及含量表，科学合理的选取相应的化学试剂，用精确度为0.004的分析天平称取溶剂NaCl 1.00 g，(NH4)2SO417.76 g，KNO31.00 g，MgSO40.96 g，NaNO310.00 g，Ca(NO3)2·6H2O1.5 g，称取误差控制在±0.1 g，将称取好的化学试剂溶于500 mL的烧杯中，再加入纯度大于15的去离子水直至500 mL，用玻璃棒搅拌均匀后，将调配好的溶剂移入到5 L的容器中，加去离子水至5 L，溶液的pH值控制在3.1～3.5，若不满足条件则用冰乙酸和氢氧化钠进行pH值的调节，pH值的测定选用pH计。

通过盐雾腐蚀试验箱模拟大气酸雨环境，盐雾腐蚀试验箱外型尺寸为2 700 mm×1 500 mm×1 500 mm。试验箱的温度为35 ℃±2 ℃并保持恒定，采取连续喷雾的方式，每隔48 h取样、拍照，腐蚀周期为16 d。本次试验分为3组，放入盐雾腐蚀试验箱里，每组试件有3种不同的张拉控制应力，分别是0.25fptk、0.5fptk、0.75fptk，分3个阶段进行试验，分别是4 d、8 d、16 d，每个时间段有一组试验。通过失重法来测量钢筋的腐蚀速率，失重法的平行试样为3个，取平均值，去除钢筋表面的腐蚀产物采用pH为3的500 mL HCl+500 mL 蒸馏水+3.5 g六次甲基四胺混合液进行浸泡清洗，取出后用清水清洗和钢丝球刷掉表面腐蚀产物，放入烘干箱进行烘干，烘干时需要加入白纸作为隔离层，放入吸水沙，温度控制在100 ℃±2 ℃鼓风烘干，取出后用电子天平称取质量。

1.3 试验情况

本次试验记录了4～16 d不同的腐蚀现象，其腐蚀情况如图2～图4所示。

图2 腐蚀4d的情况

图3 腐蚀8d的情况

图4 腐蚀16d的情况

通过观察钢丝表面的腐蚀情况得到预应力钢丝随着时间的增长腐蚀现象越明显；钢丝表面呈现出分布较为均匀的不同形状，随着时间的增长其腐蚀面积也逐步变大，腐蚀深度逐步明显；同时，钢丝的腐蚀率与应力的大小密切相关，应力越大腐蚀现象越明显。

2 结果分析(影响因素)

将预应力钢丝的应力卸载后用天平称取腐蚀后的质量，并计算出截面面积，得到相关的计算数据(表3、表4)，通过分析这些数据来得出结论。

通过数据对比分析得到以下腐蚀速率与时间关系图，见图5～图7。

表3 酸雨环境下人工腐蚀钢丝的腐蚀数据(时间变化)

表4 酸雨环境下人工腐蚀钢丝的腐蚀数据(应力变化)

图5 张拉控制应力为0.25fptk的腐蚀速率

图6 张拉控制应力为0.5fptk的腐蚀速率

图7 张拉控制应力为0.75fptk的腐蚀速率

3 结束语

(1)通过试验得到，在同一人工模拟酸雨环境下，保持时间、温度不变，钢丝的腐蚀率与预应力的大小有关，所施加的预应力越大，腐蚀速率就越快。

(2)在同一人工模拟酸雨环境下，保持预应力大小和温度不变，随着腐蚀时间的变化其腐蚀速率呈现出先增大然后达到一定的腐蚀速率后呈平缓趋势上升；

(3)在同一腐蚀环境、温度和时间点下，预应力的大小决定腐蚀速率曲线变化的斜率，预应力越大的，腐蚀速率越大。

(4)通过观察钢丝表面的腐蚀情况得到预应力钢丝随着时间的增长腐蚀现象越明显，钢丝表面呈现出分布较为均匀的不同形状，随着时间的增长其腐蚀面积也逐步变大，腐蚀深度逐步明显。

由于预应力钢筋在建筑业中使用广泛，应当随时关注其耐久性状态，特别是长期裸露在大气环境下的钢筋。通过本项目研究结果可以得到关于钢筋的耐久性建议：若钢筋不可避免地长期处于大气环境下，如桥梁结构应该对其进行隔离防护，增加钢材的使用寿命；定期对预应力钢筋结构进行耐久性探测，避免灾害的发生。