近海大气环境下腐蚀Q235钢材力学性能退化规律及时变模型研究

魏 源，吴兆旗, 2，王鑫涛，姜绍飞, 2

(1.福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350116; 2.福建省土木工程多灾害防治重点实验室， 福建 福州 350116)

钢结构具有承载力高、塑性韧性好和质量轻等优点，广泛应用于工程结构中。然而，钢材在防腐方面存在无法避免的缺陷，特别是当处于湿度较大，或存在侵蚀性物质的环境中时，腐蚀更加严重。腐蚀会导致结构安全性和使用寿命降低，腐蚀钢结构安全性评估和剩余寿命预测已成为国内外学者研究的一个重要课题，而腐蚀钢材力学性能研究是其中一个基础而关键的问题[1]。

目前，国内外学者对不同腐蚀环境下钢筋[2-5]、钢材腐蚀速率、腐蚀产物等特性已开展了较多研究工作，而近年来关于腐蚀钢材力学性能退化规律也已陆续开展相关研究工作，取的了一定研究成果。文献[6-7]研究了Q235钢材在土壤和大气环境下腐蚀速率与腐蚀环境的关系；文献[8]研究了干湿交替环境对海洋钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，并得到了腐蚀疲劳裂纹扩展公式；文献[9]对腐蚀Q550E钢材力学性能进行了试验研究，并建立了腐蚀影响下相应的本构关系模型；文献[10-14]均开展了腐蚀Q235钢材力学性能试验研究，并基于均匀腐蚀假定，以失重法测定腐蚀率，建立起钢材力学性能与腐蚀率的关系计算公式(如图6所示)，分析发现各腐蚀钢材力学性能计算公式虽然形式基本一致，但各项系数均有所差异，这主要是由于各文献中力学性能试验所使用的片材数量有限，所建立的腐蚀钢材力学性能计算公式并不具有广泛代表性。而现有研究中钢材腐蚀预测模型主要包括幂函数模型[15]、环境综合因子预测模型[16]、考虑大气成分的腐蚀模型、分三阶段的腐蚀模型[17]和GM(1,1)模型[18]，这其中幂函数模型应用较为广泛，但分析发现这些模型多以腐蚀深度和腐蚀时间的关系为研究对象，而忽视了腐蚀钢材力学性能随时间的退化规律。

本文以大跨空间结构、输电铁塔及海洋工程结构中使用较多的Q235圆钢管钢材力学性能为研究对象，对其进行了加速腐蚀试验及拉伸试验，研究了腐蚀影响下钢材力学性能变化规律，并收集和结合文献中有详细记录的腐蚀钢材力学性能试验结果，建立了腐蚀钢材力学性能与腐蚀程度之间的退化公式，同时基于幂函数模型建立起腐蚀钢材力学性能时变模型，并分析了不同地区和不同厚度下钢材力学性能随时间的退化规律，以期为腐蚀钢结构安全性评估提供理论基础。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

为与无缝圆钢管实际工程应用保持一致，钢材力学性能试件均取自同一批次，同一尺寸和同一腐蚀环境下的500 mm长的不同腐蚀程度两端封闭的Q235圆钢管构件，其构件壁厚为4 mm，外径为89 mm，如图1所示。钢材拉伸试件尺寸按照《金属材料拉伸试验：第1部分-室温试验方法》[19](GB/T 228.1—2010)中相关规定取值，其相应的尺寸和截面形状如图2所示。按腐蚀率不同共分7组，每组8个，试件数量共计56个。

图1 Q235圆钢管取样构件

图2 拉伸试件尺寸示意图

1.2 加速腐蚀试验

钢材腐蚀试验主要有大气暴露试验和实验室加速腐蚀试验两种，这其中大气暴露试验结果与真实环境最为接近，但时间周期较长，也易受所在区域气候限制；而实验室加速腐蚀试验能大幅减少钢材腐蚀时间周期，但其腐蚀重现性较差，且易受腐蚀设备尺寸限制。因此，参考已有文献，采用自然环境下人工喷洒加速腐蚀试验方法，在保证腐蚀效果的基础上最大限度的减少腐蚀时间周期。

为获得近海大气环境下加速腐蚀效果，采用《人造气氛腐蚀试验-盐雾试验》[20](GB/T 10125—2012)的中性盐雾试验溶液相关配置标准，其中NaCl溶液浓度为50 g/L，pH值为6.5～7.2，加速腐蚀试验温湿度均为福州地区室外自然温湿度，如表1所示。中性盐雾溶液以雾状形式喷洒于圆钢管取样构件表面，圆钢管表面未做任何防腐处理，每次喷洒时长为30 min，喷洒时段为每天8∶30—11∶30和14∶30—17∶30。为保证圆钢管构件腐蚀目标区域的腐蚀状态一致，喷洒腐蚀溶液时应尽可能均匀喷洒，并每周翻转试件一次，所得腐蚀前后圆钢管取样构件如图1所示。

表1 2018年4月—9月福州平均气候资料

加速腐蚀试验后，采用失重法测定钢材腐蚀率。先用12%稀盐酸溶液冲洗试件，然后用清水冲洗试件，再用石灰水中和试件，再用清水冲洗试件，再进行试件干燥，最后进行试件称重，并按式(1)计算腐蚀率η，本文计算所得A1—A7各组腐蚀率如表2所示。

表2 腐蚀钢材力学性能指标

(1)

式中：η为腐蚀率；W、W′分别为腐蚀前后圆钢管取样构件质量，kg。

1.3 钢材拉伸试验

采用MTS万能试验机进行钢材拉伸试验加载，并按相关规范规定，钢材拉伸试验中加载速率确定为1.05 mm/min，试验过程中，分别使用引伸计和电阻应变采集仪采集钢材拉伸试件实时位移和应变数据。

2 试验结果及分析

钢材发生腐蚀后会造成宏观的钢材质量和截面尺寸减小，也会形成微观的蚀坑、晶间腐蚀、裂纹腐蚀等，这些都会造成钢材力学性能发生显著退化。若从微观角度出发研究蚀坑大小和分布、晶间腐蚀、裂纹腐蚀等对腐蚀钢材力学性能影响则需使用包括三维扫描仪、扫描电镜等在内的多种精密仪器，对试验设备要求较高。而若从宏观角度出发，基于均匀腐蚀假定，以腐蚀率作为腐蚀钢材力学性能退化研究的主要影响参数，相对来说参数计算统计和试验仪器设备都较为简便易行，并且均匀腐蚀假定已在腐蚀钢构件力学性能数值分析和承载力计算公式研究中得到了广泛应用，同时已有学者将均匀腐蚀假定下的钢材力学性能退化计算公式应用到腐蚀钢构件力学性能退化规律研究中，所得效果较好。因此，在现有试验设备条件下，为便于在腐蚀钢构件力学性能研究中应用，本文基于均匀腐蚀假定，研究不同腐蚀率下钢材力学性能退化规律。

2.1 拉伸断裂形貌

图3给出了腐蚀前后钢材拉伸断裂形貌。可以发现，未腐蚀钢材的拉伸断裂形式为典型的延性断裂。而随着腐蚀率的增加，腐蚀钢材试件的颈缩现象明显减弱，试件断裂形式逐渐由延性断裂转变为脆性断裂。

图3 不同腐蚀率钢材拉伸断裂形貌

2.2 名义应力-应变曲线

名义应力-应变曲线是指钢材实际的荷载-位移曲线分别除以未腐蚀钢材横截面面积及标距段长度得到。图4绘制出了具有代表性的不同腐蚀率钢材名义应力-应变曲线。

从图4分析可知，随着腐蚀率的增大，腐蚀钢材屈服强度变小，弹性段变短，屈服平台和软化阶段逐渐变短甚至消失，钢材颈缩现象明显减弱，钢材断裂从延性断裂逐渐转变为脆性断裂。出现这些现象主要是由于腐蚀钢材表面蚀坑分布不均，蚀坑处会出现应力集中现象，同一截面中蚀坑位置处应力较先达到屈服，而钢材其它位置并未同时达到屈服。

图4 不同腐蚀率钢材名义应力-应变曲线

2.3 力学性能指标

腐蚀钢材拉伸试验以腐蚀率不同共设计7组，组号为A1—A7，每组中8个试件腐蚀率相同，舍弃断裂位置在标距段外的钢材力学性能数据，其余49个试件有效力学性能数据如表3所示。从表3可以看出，同一腐蚀率下钢材力学性能有一定的离散性，这主要是由于同一组钢材试件均取自同一根无缝圆钢管构件，而该构件因制作工艺和运输等原因造成材质不均或初始损伤。因此，为便于直观研究腐蚀钢材力学性能退化规律，取各组钢材力学性能指标均值作为该组力学性能指标，所得结果如表2所示。从表2分析可知，腐蚀钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量和断后伸长率等力学性能指标均随着腐蚀率的增大呈显著下降趋势。

表3 腐蚀钢材拉伸试验结果

3 腐蚀钢材力学性能退化规律

收集文献[10-14]中有详细记录的腐蚀Q235钢材试件123个，各文献均基于均匀腐蚀假定，以腐蚀率作为腐蚀钢材力学性能退化研究的主要影响参数。

但由于不同文献间钢材试件尺寸不一致，所收集数据无法直接分析使用，因此将各文献钢材力学性能试验数据进行归一化处理，即以腐蚀后钢材力学性能除以未腐蚀钢材力学性能所得钢材各项力学性能退化率为研究对象，并结合前文已进行的腐蚀钢材力学性能试验数据，运用最小二乘法对腐蚀钢材力学性能退化率数据进行线性回归，得到腐蚀钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量和伸长率等力学性能退化率与腐蚀率关系如图5所示，拟合公式如式(2)所示。

(2)

从图5和表4分析可知，腐蚀钢材弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率等各项力学性能均随着腐蚀率的增大整体呈现线性下降趋势，这其中腐蚀钢材断后伸长率相较于其它力学性能下降最快。而本文所建立的腐蚀钢材力学性能退化公式所用试验数据量较大，更具有代表性，并且在显著性检验和绘制图像上都表现出了良好的可行性和适用性。

表4 拟合公式显著性检验

图5 腐蚀钢材力学性能退化率与腐蚀率关系

4 腐蚀钢材力学性能时变模型

文献[15]验证了大气暴露环境下钢材腐蚀满足幂函数发展规律，建立起了考虑环境因素和钢材化学成分因素的幂函数模型，如式(3)所示，并给出了北京、青岛、武汉、江津、广州、琼海、厦门等地的钢材腐蚀深度与腐蚀时间的幂函数预测模型。因此，基于拟合得到的腐蚀钢材力学性能退化公式及钢材腐蚀幂函数预测模型，建立起腐蚀钢材力学性能时变模型。而两者公式之间主要通过腐蚀率η建立关联，如式(4)所示。

D=ATn

(3)

(4)

式中：D为腐蚀深度，mm；T为暴露时间，a；A、n为常数；t为钢材厚度，mm。将式(4)代入式(2)中即可得到腐蚀钢材力学性能时变模型：

(5)

4.1 不同地区腐蚀钢材力学性能时变模型分析

以4 mm钢片材为例，利用公式(5)研究北京、青岛、武汉、江津、广州、琼海、厦门等不同地区腐蚀钢材力学性能时变模型，所得结果如图6所示。从图6分析可得，不同地区腐蚀钢材力学性能均随着使用时间的增加而降低，钢材力学性能退化严重程度由高到低分别为琼海、厦门、青岛、江津、广州、北京和武汉。其中琼海、厦门和青岛等沿海城市钢材腐蚀后其力学性能下降较大，最严重的50年后钢材力学性能下降达到20%；而武汉、北京、广州和江津等城市腐蚀对钢材力学性能影响程度较小，这些地区50 a后钢材力学性能下降一般不超过6%。

图6 不同地区腐蚀钢材力学性能随时间变化规律

4.2 不同厚度腐蚀钢材力学性能时变模型分析

以厦门地区为例，利用公式(5)研究4 mm、6 mm、9 mm和14 mm等不同厚度钢片材50 a内力学性能退化规律，并进行比较分析，所得结果如图7所示。从图7可以发现，在腐蚀时间相同时，腐蚀钢材厚度越小，其力学性能退化程度越显著。这主要是由于在相同腐蚀时间内，钢材厚度腐蚀损失量相同，而厚度越小的钢材，其质量损失率(腐蚀率)则会越大，计算所得的腐蚀钢材各力学性能退化越明显。

图7 不同厚度腐蚀钢材力学性能随时间变化规律

5 结 论

(1) 随着腐蚀率的增大，钢材名义应力-应变曲线中的屈服平台和软化阶段逐渐变短甚至消失，腐蚀钢材颈缩现象明显减弱，钢材断裂逐渐由延性断裂转变为脆性断裂。

(2) 腐蚀钢材弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率等各项力学性能均随着腐蚀率的增大整体呈现线性下降趋势，这其中腐蚀钢材伸长率相较于其它力学性能下降最快。

(3) 建立了数据量更大，更具有代表性的腐蚀钢材力学性能与腐蚀率简化计算公式，并结合幂函数模型，建立起腐蚀钢材力学性能时变模型。

(4) 钢材在沿海城市受腐蚀影响较大，使用50年后最严重地区钢材力学性能下降达到20%；而钢材在内陆城市则受腐蚀影响较小，使用50年后其力学性能下降一般不超过6%。

(5) 在相同腐蚀年限下，腐蚀钢材力学性能退化程度随着钢材厚度的减小而越发显著。