桥梁索体钢丝外加电流阴极保护机理试验研究

姚国文 刘佳伟 张高峰 喻宣瑞 陈鹏宇

1.重庆交通大学 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

高强度镀锌钢丝因其优越的物理力学性能［1］被广泛应用于各种大跨径桥梁的拉吊索中。拉吊索外层通常包裹一层高密度聚乙烯（High-density Polyethylene，HDPE）护套，但HDPE 护套保护效果相对有限。当HDPE 护套开裂后，大量腐蚀介质将侵入护套内部，与钢丝直接接触。特别是拉吊索下锚固区段，当表面HDPE 护套破损开裂后，酸雨等腐蚀介质汇聚于锚固区，使钢丝长期暴露在潮湿和富含氧化物的环境中，从而形成原电池腐蚀体系，产生电化学腐蚀，即铁基质在阳极发生氧化反应，在阴极发生还原反应。在车辆荷载、风荷载与腐蚀环境的耦合作用下会显著加速钢丝耐久性和可靠度的退化，导致拉吊索使用寿命一般不超过30年。小南门大桥、孔雀河大桥等都是由于索体区段断裂而引起桥梁结构破坏［2］。因此，为延长拉吊索使用寿命，保障桥梁结构稳定使用，研究延缓桥梁拉吊索钢丝腐蚀的方法尤为重要。

ICCP 是一种延缓腐蚀的有效方法，并已广泛用于船舶、管道、钢筋混凝土等结构的防护。其原理是将钢结构通上直流电，抑制腐蚀体系中氯离子的迁移，从源头上解决钢结构的锈蚀问题。Ball 等［3］通过在俄亥俄州混凝土桥梁上安装ICCP系统，发现对钢筋施加反向电位可有效延缓钢筋力学性能的衰变趋势，使钢筋的力学性能得到了改善和保障；Bahekar 等［4］采用失重法和测量开路电位来评估钢筋混凝土结构中ICCP的保护效率，发现随着保护电流密度增加，钢筋腐蚀率显著降低；Wei 等［5］对处于氯盐环境腐蚀下的钢筋混凝土结构采取ICCP，并通过测量钢筋的瞬断电位和开路电位评估了ICCP 对钢筋的阴极保护效果，结果表明，保护电流密度最大值为20 mA/m2。

综上，目前鲜有研究将ICCP用于预防桥梁拉吊索钢丝的腐蚀。因此，本文以镀锌平行钢丝为研究对象，开展处于氯盐环境下钢丝的ICCP 试验，从宏观和微观角度分析钢丝在试验过程中力学性能的变化规律，得到保护电压的有效合理区间，为进一步提高拉吊索结构的耐久性提供参考。

1 试验

1.1 材料及溶液制备

镀锌钢丝由中国宝武钢铁集团有限公司生产，钢丝长60 cm，直径5 mm，抗拉强度1 960 MPa，表面镀锌层厚度为0.2 mm，单根钢丝镀锌层质量不小于110 g/m2。钢丝化学成分及含量为：C（0.82%～0.85%）、Si（0.12%～0.21%）、Mn（0.60%～0.90%）。根据文献［6-7］可知，当试验溶液为5%NaCl，温度为（35 ± 2）℃时腐蚀效果最好，溶液配置见表1。

表1 溶液配置 %

1.2 试验方案

根据文献［8］将试验钢丝分为5类，分别浸泡在上文配制溶液中，其中4 类钢丝分别施加-1.1、-1.2、-1.3、-1.4 V 保护电位，剩下1 类钢丝作为对照组不采取ICCP，腐蚀时间均为1 440 h。以镀锌钢丝作为阴极，石墨绳作为阳极，饱和甘汞作为参比电极。试验装置见图1，试验设备见表2。在相同试验条件下，选择四组平行试样，以降低试验结果的离散性。腐蚀试验结束后，其中一组用于静态拉伸试验，剩下三组用于疲劳试验。

图1 试验装置

表2 试验设备

1.2.1 钢丝形貌观察

腐蚀试验完成后，选择其中一组钢丝采用电子显微镜分别放大20倍和200倍进行微观形貌观察。

1.2.2 腐蚀速率测量

腐蚀试验完成后，严格按照文献［9］对钢丝表面进行除锈、清洗，然后采用电子天平对不同试验条件下钢丝进行称重。腐蚀速率按照式（1）计算，并取平均值。

式中：V为钢丝腐蚀速率，g/(m2·h)；M1为钢丝腐蚀前质量，g；M2为钢丝腐蚀后质量，g；S为钢丝暴露在腐蚀环境中的表面积，m2；t为钢丝腐蚀的时间，h。

1.2.3 电位测量

钢丝电位分为瞬断电位（Instant-off potential，IOP）和开路电位（Open circuit potential，OCP），两种电位的测量需要在每天固定时间内完成。选择其中三组钢丝参考文献［4，10］采用万用表和参比电极进行测量。由于IOP 用来评估ICCP 的保护效率［11］，所以IOP 只需测量处于ICCP 下的四类钢丝；OCP 反映钢丝的锈蚀程度［12］，需要测量所有钢丝。具体步骤如下：关闭恒电位仪的直流电源，并在断电后立即测量IOP，待电位保持稳定后测量OCP，测量完成后重新打开恒电位仪。

1.2.4 极化曲线测量

极化曲线常用于电化学腐蚀的评估，可以快速准确地反映金属结构的腐蚀状况［13］。为了探究钢丝腐蚀程度随保护电压变化的关系，在腐蚀试验结束后，借助恒电位仪，采用静态法三电极体系进行测量。具体步骤如下：工作电极连接钢丝，参比电极连接饱和甘汞，对电极连接石墨绳，以测得的OCP 为起点，将恒电位仪分别正向、负向调节20 mV 电压各10 次，每次调节电压后记录对应的电流I、电压E，并使用Tafel 外推法得到腐蚀电流密度Icorr。

1.2.5 静态拉伸试验

待各组钢丝腐蚀时间达到要求后，取其中一组试样，使用万能试验机进行静态拉伸直至破坏。拉伸速率2 mm/min，得到钢丝应力应变曲线和断后长度，进而得到抗拉强度。采用刻度尺测量钢丝断后长度，从而计算钢丝延伸率L，即

式中：l1为钢丝断后长度，cm；l2为钢丝原长，cm。

1.2.6 疲劳试验

对另外三组试样使用疲劳试验机进行疲劳试验，按照文献［14］设定应力幅值为360 MPa，应力循环下限为424 MPa，上限为784 MPa，交变荷载加载见图2。当钢丝断裂或疲劳次数达到200 万次时停止加载，并采用电子显微镜对断裂后钢丝断面分别放大20 倍和500倍后进行观察。

图2 交变荷载加载

2 试验结果分析

2.1 钢丝锈蚀形态

钢丝微观形貌见图3。可知：①未保护的钢丝因环境侵蚀镀锌层完全破坏，表面产生大量红色铁锈，蚀坑密度较大，局部蚀坑长度达到530 μm。裂纹从某些蚀坑位置开始发展衍生，是诱发钢丝断裂失效的重要原因。②采取ICCP的钢丝，由于外加电流补偿了钢丝锈蚀部分和未锈蚀部分的电位差，抑制了氯离子在钢丝腐蚀体系中的迁移，降低了氯离子与钢丝基体之间的化学反应速率，延缓了钢丝的腐蚀作用。③当两端施加电压为-1.1、-1.2 V 时，钢丝表面虽产生了一定数量的蚀坑，但密度和尺寸都远小于未加保护电压的钢丝。当保护电压为-1.3 V 时，钢丝表面完好无损，说明此时施加的保护电压能够最大限度抑制钢丝腐蚀。随着保护电压负向偏移，钢丝表面又出现蚀坑，这是因为保护电压过小，导致索体内部发生析氢反应，氢原子进入钢丝基体内形成氢分子，氢分子聚集在基体晶粒附近，破坏原有结构，使其膨胀变脆，在内部形成细小蚀坑和裂纹，从而产生氢脆现象［8，15］。

图3 钢丝微观形貌

2.2 电位变化规律

2.2.1 瞬断电位

IOP可有效评估ICCP的保护效率，根据文献［4，8］可知，镀锌钢丝IOP 范围为-1 300～-820 mVvs.SCE，IOP 越小保护效果越好；若比-820 mVvs.SCE 大（正）会造成保护不充分；若比-1 300 mVvs.SCE 小（负）则处于过保护状态。测得钢丝IOP变化规律见图4。

图4 钢丝IOP变化规律

由图4 可知：IOP 随时间产生较大变化，试验初期不同保护电压下钢丝IOP 相差不大；在试验末期，IOP随着保护电压负向偏移而减小并趋于稳定。说明保护时间越久，ICCP 产生的作用越显著，但是过小（负）的保护电压会使钢丝处于过保护状态。

2.2.2 开路电位

OCP 通常被用于评估钢筋混凝土结构的腐蚀概率［12］，OCP 越趋于负值，结构被腐蚀的概率越高。目前，对于镀锌钢丝腐蚀概率和OCP 之间的关系尚无研究，参考钢筋腐蚀概率和OCP 之间的关系，若OCP 比-200 mVvs.SCE 大（正），腐蚀概率小于10%；若比-350 mVvs.SCE小（负），则腐蚀概率超过90%；若OCP处于-350～-200 mVvs.SCE，腐蚀概率随OCP 减小而增加。测得钢丝OCP变化规律见图5。

图5 钢丝OCP变化规律

由图5 可知：①每组钢丝的OCP 在试验前25 d 持续下降，未保护的钢丝下降最快，并在腐蚀后期呈现持续下降的趋势，待腐蚀时间达到40 d 左右时，OCP降低速率有所减缓并逐渐保持相对稳定。②与未保护钢丝对比，采取保护的四类钢丝OCP 均处于较高水平，更早地趋于稳定且随着保护电压减小而增大，这说明ICCP有效降低了钢丝发生腐蚀的可能性，随着保护电压的减小，钢丝发生腐蚀的概率显著降低。

2.3 极化曲线

参考文献［4］的研究结果：钢筋腐蚀速率与Icorr呈正相关关系，将钢丝钝化状态下的Icorr值作为评判钢丝腐蚀速率的标志。通过极化曲线（图6）可以得到Tafel外推法测量结果，未保护以及-1.1、-1.2、-1.3、-1.4 V保护电压下的Icorr分别为：10.47 × 10-5、3.89 × 10-5、2.78 × 10-5、2.03 × 10-5、1.93 × 10-5A·cm-2，保护与未保护钢丝之间的Icorr相差超过3倍，且Icorr随保护电压负向偏移而减小，说明ICCP有效提升了钢丝耐腐蚀能力。

图6 极化曲线

2.4 力学性能

不同保护电压下钢丝应力-应变曲线见图7，其力学性能见表3。可知，未保护钢丝的抗拉强度、延伸率和腐蚀速率指标均远小于采取保护的钢丝。随着保护电压负向偏移，钢丝力学性能的退化更缓慢，处于-1.3 V 保护电压下钢丝的延伸率是未保护钢丝的3.16 倍，抗拉强度仅为1.14 倍。ICCP 对延伸率的提升优于对抗拉强度的提升原因是钢丝腐蚀仅造成截面损坏，未腐蚀部分的材质并无改变，腐蚀作用对抗拉强度影响相对较小。而钢丝表面各类蚀坑造成的应力集中现象是导致延伸率下降的主要原因，-1.4 V保护电压下的钢丝因为保护电压过小而发生析氢反应，钢丝表面产生蚀坑，导致延伸率反而下降。

图7 不同保护电压下钢丝应力-应变曲线

表3 力学性能

2.5 疲劳性能变化规律

2.5.1 疲劳寿命

疲劳寿命结果见表4。可知，只有处于-1.3 V 保护电压下的钢丝疲劳寿命达到200 万次，其余4 根寿命均小于200万次。未保护和处于-1.4 V保护电压下的钢丝疲劳寿命降低较为明显，这是因为腐蚀和氢所产生的表面蚀坑形成了疲劳源，而疲劳断裂点一般发生于以蚀坑为初始位置的疲劳源，各蚀坑疲劳源之间的相互作用导致钢丝疲劳寿命降低。

表4 疲劳试验结果

2.5.2 断面破坏模式

典型组钢丝疲劳断面见图8。将顶部疲劳裂纹萌生位置放大500倍后，可见裂纹萌生于试样的表面，裂纹萌生是由晶粒滑移所致［图8（d）］。在不同保护电压下，钢丝断面破坏模式存在明显差异，其中处于-1.1、-1.2 V 保护电压状态下的钢丝表面蚀坑较少，在交变荷载作用下，裂缝从某一蚀坑处衍生，短时间内无法蔓延至整个截面，最终形成分层破坏，属于单疲劳源延性破坏。剩下两类钢丝，由于处于未保护和过保护状态，钢丝表面产生蚀坑较多，裂缝从不同的蚀坑处衍生，在各疲劳源之间相互作用下钢丝瞬间断裂，属于多疲劳源脆性破坏。

图8 疲劳断面

不同保护电压状态下的钢丝断面破坏模式有较大差别，为了更直观地体现ICCP系统对钢丝的保护作用，引入应力强度因子ΔK［16］表示在外力作用下钢丝裂纹尖端附近应力场的强度，即

式中：Δσ为疲劳应力幅，MPa；Y为钢丝裂纹形状因子；Φ为钢丝直径，m；a为蚀坑深度，m。

等效裂纹［16］见图9。其中，b为椭球形蚀坑的长轴距离。

图9 等效裂纹

根据电镜扫描结果得到不同保护电压下钢丝应力强度因子见表5。

表5 不同保护电压下钢丝应力强度因子

由表5 可知，ΔK随着保护电压的负向偏移而减小，说明保护电压的施加能有效提升钢丝的耐腐蚀性，即钢丝发生脆性断裂的概率更小，延性更高。过保护状态下的钢丝，由于氢脆现象导致ΔK相较于未保护的钢丝仅减少了22%，远小于其他3 类钢丝。因此，在对长期受到交变应力的钢丝采取ICCP时必须选取合适的保护电压。

2.6 阴极保护机理

镀锌钢丝在酸性潮湿环境下与SO42-和Cl-发生原电池反应，破坏Zn 的钝化膜，锌层表面点蚀向纵深发展后（图10），孔内的Fe 基质处于负电位的活化状态，而镀锌层处于正电位的钝化状态，正负电位的形成组成了镀锌层-孔原电池，Fe基质不断失去电子变成Fe2+离子，形成原电池阳极。

图10 点蚀示意

化学反应方程式如下：

阳极电化学反应

阴极电化学反应

在反应（7）中氧气不断夺取铁基体表面电子，发生氧化还原反应，且反应（7）不断为反应（8）提供电子，Fe2+又极易溶解到水中，导致钢丝腐蚀。ICCP本质就是采用外电源向钢丝表面提供电流，以代替反应（7）向反应（8）提供电子，使钢丝产生阴极极化，当极化电位达到-1.3 V时保护效果最好。

3 结论

1）ICCP 可有效抑制钢丝的腐蚀，钢丝腐蚀程度随着ICCP保护电压的负向偏移而显著降低，当保护电压处于-1.3 V 时，腐蚀程度最低；保护电压大于-1.3 V，钢丝处于未充分保护状态；保护电压小于-1.4 V，钢丝处于过保护状态，产生氢脆现象。

2）ICCP 对钢丝延伸率的提升超过3 倍，显著提升了钢丝的断后长度，而对于抗拉强度的提升只有1.14倍，并且ICCP 对钢丝疲劳寿命和延性的提升较为明显。由于氢脆现象，处于过保护状态下的钢丝疲劳寿命和延性反而降低。