预应力锚固材料腐蚀耐久性研究进展

廖灵敏，陈 亮，李洪斌，肖承京

(1.长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉430010；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010)

预应力锚固结构广泛应用于国内外水工大坝加固、边坡及滑坡支挡、大型地下洞室和深基坑支护等诸多领域，大多数都作为永久性支护措施，对安全等级要求较高。但随着预应力锚固技术的大量运用，国内外出现了不少因腐蚀破坏导致锚固失效的情况，例如，国际后张预应力协会(FIP)地锚工作小组收集到的35例国外预应力锚索破坏实例，我国梅山水电站的无粘结监测锚索运行不足6年，先后有3束因应腐蚀问题而导致钢丝断裂等[1]，此外，国内交通、铁道等行业边坡锚固工程中关于锚索出现腐蚀(锈蚀)破坏失效的事例也屡见不鲜。这些工程实例表明预应力锚固工程并非“一劳永逸”。

材料使用寿命是结构使用寿命的基础。预应力锚固体(锚索、锚杆)材料均为钢材，如预应力锚索钢绞线为高碳钢，含碳量一般在0.70wt%～0.85wt%，锚杆多采用HRB335、HRB400级螺纹钢筋，含碳量约为0.25wt%。相对于地上结构，应用于岩体工程中的预应力锚固结构所处环境更为恶劣，其工作环境中存在高应力、侵蚀性介质、杂散电流及双金属作用等不利因素，使其更易发生材料腐蚀致使结构损伤失效[2]，腐蚀破坏已成为严重威胁锚固结构工程安全的主要因素。鉴于这类结构已出现和正面临的一些问题，预应力锚固结构材料的腐蚀耐久性问题已引起国内外学术界、工程界的重点关注。研究锚固材料的腐蚀耐久性，对于现有锚固结构使用寿命和锚固工程安全水平的评价以及防腐措施的制定都具有重要的科学价值和借鉴意义。

目前，国内外已有不少学者致力于锚固结构材料腐蚀的相关机理和试验研究，主要从现场服役试验和室内模拟试验两方面来开展，但锚固材料的腐蚀耐久性劣化机制和寿命预测评估还需要进一步探索。本文对这些研究进展进行了综述和总结，并在此基础上展望了未来的研究方向。

1 预应力锚固结构材料的腐蚀机理

锚杆(索)材料在腐蚀环境中表面或界面上易发生化学和电化学的多相反应，致使锚杆(索)转化为氧化态[3]。预应力锚固材料在高拉应力状态下长期处于围岩、土壤中，且大多会穿过软弱地层，受到地下径流、气体、湿度和岩石成分等多环境因素的影响，其腐蚀机理主要包括电化学腐蚀、化学腐蚀、应力腐蚀、氢脆等。实际服役过程中，锚固材料的腐蚀过程更多地表现为这些腐蚀作用的综合作用，其中应力腐蚀和电化学腐蚀是导致破坏失效的两大主要原因。

1.1 电化学腐蚀

电化学腐蚀是由于锚固材料表面与周围介质(如潮湿空气、电解质溶液等)发生电化学反应而引起的腐蚀现象。钝化膜破坏的锚杆(索)发生电化学腐蚀需满足以下3个条件[4]：①锚杆(索)表面存在电位差，不同电位的区段之间形成阳极-阴极，构成锈蚀电池；②阳极区段，锚杆(索)表面处于活化状态，能发生失去电子的氧化反应；③阴极区段，有足够数量的水分和氧气，能得到来自阳极区段的电子发生还原反应。由于锚固钢材本身含有铁、碳等多种成分，这些成分的电极电位不同，加之所处的环境潮湿复杂，表面形成许多微电池，所以电化学腐蚀比较容易发生，这是预应力锚固材料腐蚀中最常见的一种腐蚀形态。

1.2 化学腐蚀

化学腐蚀与电化学腐蚀的区别在于腐蚀过程没有电流产生，是锚杆(索)表面直接与气体(如服役环境中O2和水蒸气等)或非电解质溶液接触发生化学反应而引起的腐蚀，整个反应过程服从多相反应化学动力学的基本规律。

1.3 应力腐蚀

应力腐蚀是锚杆(索)材料在拉应力和侵蚀环境共同作用下发生的一种腐蚀现象。钢材表面被环境中侵蚀性介质腐蚀而受到破坏，加上拉应力作用，破坏处逐渐产生微裂纹。这些裂纹为侵蚀性介质深入钢材内部提供了通道，腐蚀沿裂缝深入，由腐蚀产生的应力集中再促进裂缝沿晶粒边界和穿过晶粒发展，如此反复循环直至断裂[5]。这种破坏不同于单纯的机械应力破坏和单纯的电化学腐蚀，它可能在较低拉应力作用下发生，也可能在腐蚀性介质较弱情况下发生。值得一提的是，应力腐蚀往往导致预应力锚固件在远低于自身抗拉强度时发生脆性断裂，破坏发生时间短而快，而且事先往往无预兆，对工程安全威胁较大。

1.4 氢脆

氢脆是预应力锚固件在服役过程中发生脆性断裂的另一种腐蚀类型。锚杆(索)材料受拉应力作用，内部应力分布不均匀。同时，在侵蚀介质腐蚀作用下，锚杆(索)表面发生化学反应产生少量氢气。在应力梯度作用下，氢原子可能在晶格内扩散或跟随位错运动至应力集中区域。氢原子富集区域容易萌生裂纹，并不断扩展，导致锚杆(索)脆断。

2 预应力锚固结构材料腐蚀耐久性现场服役试验

由于锚固结构腐蚀情况主要取决于服役环境条件，对实际工况下运行的锚固件进行现场取样和腐蚀试验研究，可直接、真实地反映其在岩土体中深埋、隐蔽的长期运行性能演变特征和耐久性。多年来国内外研究者通过现场取样测试对不同工程服役的预应力锚固结构进行了腐蚀情况调查研究，并结合这些现场试验数据开展了腐蚀耐久性影响分析和服役寿命预估。

英国、南非和德国等有关部门专门对部分使用了10～22 a的岩土锚固结构的长期性能进行了全面的调查与检测。例如，Davies等[6]在1992年～1995年通过对南非8个不同地点的锚固工程的长期监测，认为锚杆在近锚头处出现腐蚀，主要是由其所处地下环境、验收拖延和防护不良等原因引起；Weerasinghe等[7]对某造船厂在海水中使用20余年的锚杆现场取样进行了腐蚀程度、残余应力等测试，并探明了周围环境条件对锚杆腐蚀程度的影响；Feddersen等[8]调查研究了德国EDER大坝、英国利物浦桑登多克废水处理工程等未出现腐蚀征兆、性能良好的工程，认为采用优良的防护系统和完全有效的封孔灌浆阻止水和空气接触钢绞线与锚头，可解决锚固结构腐蚀破坏问题。但在实际施工中，锚固注浆时孔道灌浆不实或水泥浆体开裂的情况仍有发生，则锚固结构材料存在腐蚀风险。

国内报道较早的是总参工程兵科研三所(1985年～1987年)开展的以“砂浆锚杆的腐蚀与防护研究”为题的研究，此后锚固结构的腐蚀耐久性研究逐渐得到发展。该所曾宪明等[9]后续对分布于湖北、河南、山东等地区的5个锚固工程中服役3～28 a的锚杆进行了取样分析，发现锚杆腐蚀速率与各地环境条件、砂浆握裹层厚度和服役年限均有较大关联，其中处于干湿交替或出水条件下的腐蚀速率最大，年均直径腐蚀速率约为0.03～0.08 mm/a，相应地承载力下降也最大；施工质量不良且环境恶劣时锚杆使用寿命仅为20～25 a；1 cm范围内的砂浆握裹层厚度变化将导致锚杆使用寿命几十年的差异。赵健等[10，11]针对河南焦作某煤矿现场取出的一批埋设17年的试验锚杆，在宏观腐蚀特性和力学性能下降程度方面进行了较全面的测试分析，研究表明在中等腐蚀环境下运行17年后锚杆平均屈服荷载和极限荷载同使用年限为0的锚杆相比要分别低49.2%～52.9%和18.4%～22.2%。

以上多是针对锚杆的现场试验研究，事实上，锚索在大吨位锚固工程中应用更为广泛。资料显示，我国运行超过10年的绝大多数锚索均采用全长黏结结构，其中拉力集中全长黏结型锚索应用尤为普遍。2011年，陈祖煜课题组[12]选取漫湾水电站左侧坝顶一根已服役20年的锚索进行了现场开挖试验，从锚头锈蚀状态、缩进量、水泥砂浆防锈效果、内锚固段特征和钢绞线力学化学性质变化等方面对该锚索耐久性进行了研究和评价。结果表明，水泥砂浆对锚索内锚固段可以起到很好的防锈效果，锚索经过20年运行后化学性质和力学性质变化仍在相应规范要求范围内，但锚头位置仅采用混凝土浇筑防锈工艺并未达到理想的效果。任爱武等[13]同样以此开挖锚索为试验样品，进行了侵蚀性离子(Cl-)腐蚀极化试验，验证了长期处于密闭环境中使得服役20年的钢绞线耐蚀性能降低，处于活化腐蚀状态，表面无法产生钝化膜，因此开挖后与周围岩体中地下水、氧气接触，迅速发生锈蚀。张思锋等[14]对济南绕城高速公路K24高边坡锚固工程不同部位的预应力锚索进行了开挖研究，发现钢绞线腐蚀程度与锚索所处部位土体含水量有很大关系，含水量越小，则腐蚀程度越低；钢绞线表面局部坑槽腐蚀远快于均匀腐蚀速率，腐蚀较重的钢绞线年均直径腐蚀速率达到0.26 mm/a，预估其使用年限仅为16 a左右。

通过以上现场服役构件取样分析和腐蚀试验研究，研究者们取得了部分服役环境下不同龄期的锚固材料腐蚀情况和耐久性影响第一手资料，为预测同类工况条件下锚固结构的使用寿命提供了数据依据。但由于各地区各类锚固工程的复杂性和多样性以及现场开挖取样的难度，目前现场服役试验范围尚不广泛，其腐蚀规律预测和服役寿命评估方法的普适性则存在一定局限。

3 预应力锚固结构材料腐蚀耐久性室内加速模拟试验

鉴于工程预应力锚固件埋藏于岩土体内部，因开挖不便可获得的不同服役期试样有限，且现场腐蚀规律观察所需时间非常漫长，尽管通过类比替代分析能定性获知部分同类工况下锚固结构耐久性信息，但仍难以满足当前大规模锚固工程的安全需求。针对此情况，更多研究者采用了另外一类耐久性研究方法——室内加速腐蚀模拟试验，以探明其腐蚀行为规律和机理。

随着工程界和学术界的不断探索，研究人员对影响锚固结构耐久性的腐蚀因素逐渐有了一定的认识，其主要影响因素主要有pH值、应力水平、侵蚀性离子、材料自身性能、时间等。一些研究者通过单因素室内加速腐蚀试验，分别研究了各个因素对预应力锚杆(索)腐蚀耐久性的独立影响作用规律。Manns[15]采用加速试验研究了侵蚀性碳酸环境下岩土锚杆性能的变化，测试了在侵蚀性碳酸环境下锚杆承载力的衰减发展，认为承载力和碳酸的浓度具有明显的关系，碳酸的浓度越高，承载力下降越大。Gamboa和Atrens[16-19]在2003年～2005年通过一系列线性应力增加试验，研究了锚杆的应力腐蚀机理，分析了应力值、环境和杆体材料等因素对于腐蚀破裂的影响，认为锚杆应力腐蚀开裂现象仅在满足拉应力增大到一定程度和周围环境可以发生析氢反应的情况下才发生，其中1355AX型钢材质的锚杆发生应力腐蚀的临界拉应力值为900 MPa，导致锚杆发生应力腐蚀的环境条件是在酸性溶液环境下，且自由腐蚀电位为350 mV vs SHE。

以上这些研究主要集中在锚固结构腐蚀发展规律的定性研究上，仍难以定量化预测锚固结构的使用寿命、耐久性等一系列参数。在此基础上，一些学者开始致力于对锚固材料腐蚀耐久性影响因素进行定量化研究和评定。

朱尔玉等[28]主要考察了酸雨的影响，通过室内周期浸泡加速腐蚀试验探索了酸雨环境下的预应力锚固体系腐蚀程度和力学状态变化规律，以腐蚀电流密度和抗拉强度损失率作为预应力钢绞线腐蚀情况的主要评价指标，认为钢绞线受酸雨腐蚀的损伤程度可采用常规的钢筋腐蚀模型进行评估[29-30]，该研究中尽管对锚固材料进行了高应力加载，却并未考虑应力载荷对腐蚀的影响。

夏宁[31]根据锚杆在工作环境中的腐蚀特点，采用数值模拟的方法建立了锚杆不均匀锈蚀动态轮廓线模型，并根据锚杆位置、地下侵蚀性介质流动方向和锚杆锈蚀程度计算出锚杆表面任意一点的虚拟锈胀位移，在此基础上给出了砂浆保护层胀裂破坏时的锚杆临界锈蚀量预测公式，如式(1)～式(3)所示。利用该预测公式，计算比较了锚杆锈蚀量相等的条件下均匀锈蚀和不均匀锈蚀的差异，验证了杆体不均匀锈蚀对砂层保护层的破坏作用更为严重。

(1)

(2)

ρcor=(1/ρr-β/ρst)-1

(3)

式中，Wst,crit为锚杆临界锈蚀量；β为铁与锈蚀产物的摩尔质量之比，和锈蚀产物的类型有关；ρr为锈蚀产物的密度；d0为孔隙过渡区厚度；D为钢筋直径；ρst为铁的密度；C为砂浆保护层厚度；R为锚杆半径；a为锈层厚度系数，反映了保护层胀裂时锚杆表面的锈蚀程度；α为杆体表面锈蚀范围对应的圆心角。

李富民等[32-34]研究了氯盐、硫酸盐干湿循环作用下锚索结构的腐蚀过程，并基于Hill函数，建立了以Cl-浓度和锚索周围地面孔隙水饱和度两个因素作为自变量的瞬时腐蚀速率、腐蚀失重率和拉伸性能力等一系列时变模型，如式(4)～式(6)所示。

(4)

Vmax=a·Cb·exp(c+d·s+e·S2)

(5)

n=f·Cg·Sh

(6)

式中，R为腐蚀质量损失率；Vmax为Hill函数逼近的最大值；C为Cl-浓度；S为孔隙水饱和度；a～h为待确定的参数。

李英勇、张思峰等[35-37]选取了pH值、时间、应力三种影响因素进行耦合，考查了预应力锚杆(索)材料在不同参数水平下腐蚀外观特性、断面损失率、单位长度腐蚀量的具体表现。根据总体趋势，随pH值增大，单位长度腐蚀量和断面损失率呈递减趋势；随时间延长，腐蚀量和断面损失率不断增加，但腐蚀量增量逐渐减小；与无应力状态相比，有应力状态腐蚀量明显更大，当应力水平增大到一定程度后，单位长度腐蚀量虽然呈增大趋势，但变化速率减缓。并以单位长度腐蚀量为因变量，pH值、时间、应力为自变量，并尝试建立了锚索耐久性寿命预测的定量公式，如式(7)所示。而断面损失率试验结果受杆体材料局部缺陷和出厂断面尺寸误差等偶然因素影响较大，与pH值、时间、应力各因素之间的相关性较差，难以获得较为规律的定量结果。

(7)

式中，C1为单位长度腐蚀量；x1为时间；x2为pH值，5≤x2≤9；x3为应力水平，x3=σ/σb；σ为当前应力；σb为杆体抗拉屈服强度，0≤x3≤1；p1～p5均为待定参数。

需要指出的是，尽管室内加速腐蚀试验所得到的试验结果可作为实际工程中预应力锚固结构使用寿命预测的理论基础，但还不完全等同于实际工况下预应力锚固结果的腐蚀情况。因此，将室内加速腐蚀试验结果与现场试验结果相结合，从而实现对室内试验所得定量评价模型与方法的修正，使其能准确预测与评估锚固结构耐久性寿命将是下一步研究的重点。

4 结语与展望

目前，预应力锚固结构朝着大吨位、高应力的方向发展，其材料腐蚀耐久性已经成为决定工程正常使用和运行安全的重要因素。国内目前正在使用的锚杆(索)数以亿计，对于这些在役锚杆(索)的残余使用寿命预测和防腐措施制定，都需要大量的研究数据支撑，且刻不容缓。由于其服役环境和腐蚀影响因素的复杂性，不能将预应力锚固结构材料的腐蚀损伤与普通钢材相等同。本文详细介绍了预应力锚固结构材料的腐蚀机理、现场服役腐蚀耐久性试验和室内加速模拟试验进展等方面的研究进展，总的来说，当前的试验研究内容相对丰富，但理论体系并不完整，尤其在腐蚀影响规律和寿命预测定量化等方面未有定论。为此，笔者认为在以下3个方面还需要进一步探索：

(1)应加强室内加速试验与现场服役试验的结合，相互印证，对试验研究成果进行优化，以保障预应力锚固结构腐蚀耐久性研究紧密结合工程实际。

(2)影响预应力锚固结构材料腐蚀行为的因素众多，需在试验设计中综合考虑更多因素的影响并实现定量化的规律描述，以期建立一套更为科学全面的锚固结构材料腐蚀耐久性寿命预测方法，为把握在役锚固系统预警处理时机和制定控制对策提供技术支持。

(3)预应力锚固结构在工程应用中大都进行了一定的防腐处理，目前大部分研究都集中在锚固材料本身的腐蚀耐久性上，今后应增加针对防腐措施的耐久性研究，以探索更为有效的防腐措施，延长锚固结构的使用寿命。