应力荷载对锚索腐蚀影响的试验研究

摘要 为了研究应力荷载对锚索腐蚀的影响规律，文章选取实际工程中的常用锚索并配制现场地层环境模拟液，在不同应力荷载条件下开展了锚索的电化学腐蚀模拟试验，得到了相应的电化学腐蚀参数，分析了锚索腐蚀速率的变化规律。试验结果表明，随着应力载荷的增加，锚索钢绞线的动电位极化曲线整体向右移，而自腐蚀电位呈负移趋势，线性极化电阻不断下降；自腐蚀电流密度随着应力的施加而不断提高，当应力达到17.9 kN时，自腐蚀电流密度约为无应力施加条件下的20倍，应力施加对锚索的腐蚀行为有较为明显的影响，应力荷载越大，则影响越显著；锚索的腐蚀速率随着应力的增加而增大，施加的应力越高，锚索腐蚀速率增幅越大，对锚索腐蚀具有的加速作用更明显。

关键词 岩土工程；锚索；应力腐蚀；电化学试验；腐蚀速率

中图分类号 TU442 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0066-03

0 引言

在岩土工程中，预应力锚索由于施工简便、效果显著、经济合理的特点广泛应用于矿山、隧道支护和边坡等工程的治理与维护中，但其安全问题逐渐暴露出来，锚索腐蚀问题及其防腐技术也越来越受到工程界的重视。

张思峰等人[1]基于试验，通过观察锚索腐蚀形貌状况，从微观结构分析了锚索表观损伤规律；蒋春霞[2]研究了不同酸碱度的锚索腐蚀机制；潘继良等人[3]总结了锚固开裂的机理、腐蚀的影响因素，以及锚固工程可靠性的评估方法；曾辉辉等人[4]研究了不同腐蚀环境下，锚索腐蚀时的力学性能变化规律；郑静等人[5]开展了四种不同预应力状态下钢绞线裸筋与注浆空洞锚索的对比腐蚀试验。

上述研究成果表明，预应力锚索在强腐蚀环境下的力学性能衰减较快，但这些研究主要集中于对锚索外观及力学性能变化规律的研究，而对于另一种威胁锚索寿命的应力腐蚀研究则相对较少。

该文通过配制地层环境模拟液，模拟现场腐蚀环境，利用自制的应力施加系统和电化学测试系统，开展不同应力荷载作用下锚索钢绞线的电化学试验，分析锚索钢绞线腐蚀速率的变化规律，为工程实际中锚索钢绞线腐蚀的性能分析提供科学依据。

1 电化学腐蚀试验材料和试验方案

1.1 试验材料

（1）锚索钢绞线

基于锚索在实际应用中的预应力状态及现场服役后锚索的预应力损失状态调研，该试验现场研究的锚索预应力为500 kN，共四束钢绞线，钢绞线规格为1×7-15.20-1860-GB/T 5224-2014，即公称直径15.20 mm，抗拉强度1 860 MPa，每束钢绞线由7股钢丝捻制而成，单股钢丝直径约5 mm，如图1所示。四束钢绞线作为一个预应力加载整体，设计预应力加载为500 kN，即每股钢丝预应力为500/28=17.9 kN。

（2）地层环境模拟液

该试验采用地层模拟液模拟实际钢绞线所处的土体环境，参考《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》（GB/T 19285—2014）标准中对腐蚀环境的定义，将现场采集的土样（三个采样点：京港澳高速粤境北段K1941、京港澳高速粤境北段K1951、乐广K123右四级坡，其中京港澳高速粤境北段K1941与K1951为砂岩地层，乐广K123为煤系地层）制成土样浸出液，再采用离子色谱法，参照国家标准《水质 可溶性阳离子（Li+、Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+）的测定 离子色谱法》（HJ 812—2016）和《水质 无机阴离子（F−、Cl−、NO2−、Br−、NO3−、PO43−、SO32−、SO42−）的测定 离子色谱法》（HJ 84—2016）中的规定，测试土样浸出液中的可溶性阴离子和可溶性阳离子的浓度，最后根据所测得的现场土样离子浓度配制试验用的地层环境模拟液。

现场土样典型离子浓度测试结果如表1所示，其中实土样品中的Cl−和SO42−作为主要的腐蚀性离子。由表1可知，京港段K1941和K1951两种实土样品中的Cl−含量相同，约为0.016 mg/g，均没有可溶性的SO42−检出；乐广K123实土样品相对较高，其中Cl−含量达到0.332 mg/g。考虑过高Cl−含量可能会对其他环境因素的规律研究产生影响，该实验拟选取Cl−含量相对较低的京港段实土样品作为地层环境模拟液的基液，模拟液成分如表2所示。

1.2 试验方案

（1）试验方法

该试验采用电化学试验方法，首先将锚索单丝置于地层环境模拟液中，用C环固定钢绞丝两端，然后通过应力施加系统施加不同拉应力，并通过电化学工作站测试系统采集不同应力载荷作用下锚索的电化学腐蚀参数，最后分析应力载荷对锚索腐蚀速率的影响规律，判断锚索的应力腐蚀敏感性。该试验共进行5组，测试环境为地层环境模拟液（pH为5.5，温度为25℃，含氧量为15%），在无应力、5 kN、10 kN、15 kN、17.9 kN等五组不同拉应力施加下对锚索单丝进行试验。

（2）试验装置

试验采用的装置包括C环应力施加系统和电化学工作站测试系统，如图3所示：

2 试验结果及分析

2.1 不同应力荷载作用下锚索钢绞线的动电位变化规律

不同应力荷载作用下锚索钢绞线单丝的动电位极化曲线如图4所示。从图4可以看出，随着应力荷载的增加，动电位极化曲线整体右移，尤其在应力达到15 kN以上时，钢绞线单丝的动电位极化曲线大幅向右移，这表明钢绞线单丝的自腐蚀电流随着应力的增加而逐渐升高，当应力增加到一定幅度后，自腐蚀电流增加越显著。

通过采用Gamry电化学工作站内置软件对极化曲线的自动拟合，获取不同应力荷载下锚索的电化学腐蚀参数，如表3所示。由表3可知，随着应力载荷的施加，自腐蚀电位呈负移趋势，当应力达到17.9 kN时，钢绞线单丝的自腐蚀电位约为−330 mV，相比无应力载荷条件下负移了约50 mV；线性极化电阻值随着应力的施加幅度增大而不断下降，在17.9 kN时下降幅度最明显，约降低了93%；自腐蚀电流密度的变化趋势则与极化电阻相反，随着应力的施加而不断下降，在17.9 kN条件下自腐蚀电流密度约为2.01×10−5 A/cm2，约为无应力施加条件下的20倍。

综上所述，有无应力施加对锚索的腐蚀行为有明显影响，应力荷载越大则影响越显著。

2.2 应力荷载对锚索腐蚀速率的影响

为实现对不同应力荷载作用下锚索腐蚀的量化影响分析，该文基于上述获取的电化学腐蚀动力学参数，求得不同应力荷载作用下锚索的腐蚀速率。腐蚀速率的计算公式如下：

vcorr= 3270×icorr×A " " " " " " " " nD " " " " （1）

式中，vcorr——平均腐蚀速率（mm/y）；icorr——自腐蚀电流密度（A/cm2）；A——金属原子量，取56；n——得失电子数，取2；D——钢绞丝材料密度（g/cm3），取7.86 g/cm3。

由式（1）计算得到的不同应力荷载下锚索平均腐蚀速率如图5所示。由图5可知，当应力荷载从0增加到10 kN时，锚索的腐蚀速率略微上升；当应力值提高至15 kN时，锚索的腐蚀速率出现较为明显的上升，而当应力提高至17.9 kN时，腐蚀速率达到0.23 mm/y（毫米/年）左右，相比无应力荷载作用下的腐蚀速率提高了约20倍，这说明在较低应力荷载（低于10 kN）条件下，锚索的腐蚀速率随应力的变化不大，当应力荷载较高时（15 kN），锚索的腐蚀速率开始出现显著的增加，高应力荷载对锚索的腐蚀具有更明显的加速作用。

3 结论

该文通过采用地层环境模拟液和自制应力施加系统，完成了不同应力荷载作用下的锚索钢绞线电化学腐蚀试验，得到以下几点结论：

（1）随着应力载荷的增加，锚索钢绞线的自腐蚀电位呈负移趋势，线性极化电阻不断下降，当应力达到17.9 kN时下降幅度最明显，降低了约93%；自腐蚀电流密度随着应力的施加而不断提高，当应力达到17.9 kN时自腐蚀电流密度约为无应力施加条件下的20倍。

（2）有无应力施加对锚索的腐蚀行为有明显影响，应力荷载越大则影响越显著。

（3）锚索的腐蚀速率随着应力的增加而增长，在较低应力作用下，锚索的腐蚀速率相对无应力作用下的增幅很小；当应力超过一定值后，锚索的腐蚀速率增长显著，即施加的应力越高，对锚索的腐蚀具有更明显的加速作用。

参考文献

[1]张思峰，陈兴吉，韩冰，等.岩土预应力锚索腐蚀损伤演化规律研究[J].山东建筑大学学报，2018（6）：1-6+14.

[2]蒋春霞.基于pH作用下的预应力锚杆腐蚀损伤行为研究[J].价值工程，2020（1）：175-177.

[3]潘继良，李鹏，席迅，等.地下工程锚固结构腐蚀耐久性研究进展[J].哈尔滨工业大学学报，2019（9）：1-13.

[4]曾辉辉，朱本珍，高志华.强腐蚀环境下锚索强度指标及表观特性试验研究[J].水利与建筑工程学报，2011（2）：48-53.

[5]郑静，曾辉辉，朱本珍.腐蚀对锚索力学性能影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010（12）：2469-2474.