魏 源，吳兆旗, 2，王鑫濤，姜紹飛, 2

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116; 2.福建省土木工程多災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350116)

鋼結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性韌性好和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。然而，鋼材在防腐方面存在無(wú)法避免的缺陷，特別是當(dāng)處于濕度較大，或存在侵蝕性物質(zhì)的環(huán)境中時(shí)，腐蝕更加嚴(yán)重。腐蝕會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命降低，腐蝕鋼結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)重要課題，而腐蝕鋼材力學(xué)性能研究是其中一個(gè)基礎(chǔ)而關(guān)鍵的問(wèn)題[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同腐蝕環(huán)境下鋼筋[2-5]、鋼材腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物等特性已開(kāi)展了較多研究工作，而近年來(lái)關(guān)于腐蝕鋼材力學(xué)性能退化規(guī)律也已陸續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究工作，取的了一定研究成果。文獻(xiàn)[6-7]研究了Q235鋼材在土壤和大氣環(huán)境下腐蝕速率與腐蝕環(huán)境的關(guān)系；文獻(xiàn)[8]研究了干濕交替環(huán)境對(duì)海洋鋼腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，并得到了腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展公式；文獻(xiàn)[9]對(duì)腐蝕Q550E鋼材力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并建立了腐蝕影響下相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型；文獻(xiàn)[10-14]均開(kāi)展了腐蝕Q235鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并基于均勻腐蝕假定，以失重法測(cè)定腐蝕率，建立起鋼材力學(xué)性能與腐蝕率的關(guān)系計(jì)算公式(如圖6所示)，分析發(fā)現(xiàn)各腐蝕鋼材力學(xué)性能計(jì)算公式雖然形式基本一致，但各項(xiàng)系數(shù)均有所差異，這主要是由于各文獻(xiàn)中力學(xué)性能試驗(yàn)所使用的片材數(shù)量有限，所建立的腐蝕鋼材力學(xué)性能計(jì)算公式并不具有廣泛代表性。而現(xiàn)有研究中鋼材腐蝕預(yù)測(cè)模型主要包括冪函數(shù)模型[15]、環(huán)境綜合因子預(yù)測(cè)模型[16]、考慮大氣成分的腐蝕模型、分三階段的腐蝕模型[17]和GM(1,1)模型[18]，這其中冪函數(shù)模型應(yīng)用較為廣泛，但分析發(fā)現(xiàn)這些模型多以腐蝕深度和腐蝕時(shí)間的關(guān)系為研究對(duì)象，而忽視了腐蝕鋼材力學(xué)性能隨時(shí)間的退化規(guī)律。

本文以大跨空間結(jié)構(gòu)、輸電鐵塔及海洋工程結(jié)構(gòu)中使用較多的Q235圓鋼管鋼材力學(xué)性能為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了加速腐蝕試驗(yàn)及拉伸試驗(yàn)，研究了腐蝕影響下鋼材力學(xué)性能變化規(guī)律，并收集和結(jié)合文獻(xiàn)中有詳細(xì)記錄的腐蝕鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，建立了腐蝕鋼材力學(xué)性能與腐蝕程度之間的退化公式，同時(shí)基于冪函數(shù)模型建立起腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型，并分析了不同地區(qū)和不同厚度下鋼材力學(xué)性能隨時(shí)間的退化規(guī)律，以期為腐蝕鋼結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

為與無(wú)縫圓鋼管實(shí)際工程應(yīng)用保持一致，鋼材力學(xué)性能試件均取自同一批次，同一尺寸和同一腐蝕環(huán)境下的500 mm長(zhǎng)的不同腐蝕程度兩端封閉的Q235圓鋼管構(gòu)件，其構(gòu)件壁厚為4 mm，外徑為89 mm，如圖1所示。鋼材拉伸試件尺寸按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)：第1部分-室溫試驗(yàn)方法》[19](GB/T 228.1—2010)中相關(guān)規(guī)定取值，其相應(yīng)的尺寸和截面形狀如圖2所示。按腐蝕率不同共分7組，每組8個(gè)，試件數(shù)量共計(jì)56個(gè)。

圖1 Q235圓鋼管取樣構(gòu)件

圖2 拉伸試件尺寸示意圖

1.2 加速腐蝕試驗(yàn)

鋼材腐蝕試驗(yàn)主要有大氣暴露試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)兩種，這其中大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)環(huán)境最為接近，但時(shí)間周期較長(zhǎng)，也易受所在區(qū)域氣候限制；而實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)?zāi)艽蠓鶞p少鋼材腐蝕時(shí)間周期，但其腐蝕重現(xiàn)性較差，且易受腐蝕設(shè)備尺寸限制。因此，參考已有文獻(xiàn)，采用自然環(huán)境下人工噴灑加速腐蝕試驗(yàn)方法，在保證腐蝕效果的基礎(chǔ)上最大限度的減少腐蝕時(shí)間周期。

為獲得近海大氣環(huán)境下加速腐蝕效果，采用《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)-鹽霧試驗(yàn)》[20](GB/T 10125—2012)的中性鹽霧試驗(yàn)溶液相關(guān)配置標(biāo)準(zhǔn)，其中NaCl溶液濃度為50 g/L，pH值為6.5～7.2，加速腐蝕試驗(yàn)溫濕度均為福州地區(qū)室外自然溫濕度，如表1所示。中性鹽霧溶液以霧狀形式噴灑于圓鋼管取樣構(gòu)件表面，圓鋼管表面未做任何防腐處理，每次噴灑時(shí)長(zhǎng)為30 min，噴灑時(shí)段為每天8∶30—11∶30和14∶30—17∶30。為保證圓鋼管構(gòu)件腐蝕目標(biāo)區(qū)域的腐蝕狀態(tài)一致，噴灑腐蝕溶液時(shí)應(yīng)盡可能均勻噴灑，并每周翻轉(zhuǎn)試件一次，所得腐蝕前后圓鋼管取樣構(gòu)件如圖1所示。

表1 2018年4月—9月福州平均氣候資料

加速腐蝕試驗(yàn)后，采用失重法測(cè)定鋼材腐蝕率。先用12%稀鹽酸溶液沖洗試件，然后用清水沖洗試件，再用石灰水中和試件，再用清水沖洗試件，再進(jìn)行試件干燥，最后進(jìn)行試件稱(chēng)重，并按式(1)計(jì)算腐蝕率η，本文計(jì)算所得A1—A7各組腐蝕率如表2所示。

表2 腐蝕鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

(1)

式中：η為腐蝕率；W、W′分別為腐蝕前后圓鋼管取樣構(gòu)件質(zhì)量，kg。

1.3 鋼材拉伸試驗(yàn)

采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋼材拉伸試驗(yàn)加載，并按相關(guān)規(guī)范規(guī)定，鋼材拉伸試驗(yàn)中加載速率確定為1.05 mm/min，試驗(yàn)過(guò)程中，分別使用引伸計(jì)和電阻應(yīng)變采集儀采集鋼材拉伸試件實(shí)時(shí)位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鋼材發(fā)生腐蝕后會(huì)造成宏觀的鋼材質(zhì)量和截面尺寸減小，也會(huì)形成微觀的蝕坑、晶間腐蝕、裂紋腐蝕等，這些都會(huì)造成鋼材力學(xué)性能發(fā)生顯著退化。若從微觀角度出發(fā)研究蝕坑大小和分布、晶間腐蝕、裂紋腐蝕等對(duì)腐蝕鋼材力學(xué)性能影響則需使用包括三維掃描儀、掃描電鏡等在內(nèi)的多種精密儀器，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高。而若從宏觀角度出發(fā)，基于均勻腐蝕假定，以腐蝕率作為腐蝕鋼材力學(xué)性能退化研究的主要影響參數(shù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)參數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)儀器設(shè)備都較為簡(jiǎn)便易行，并且均勻腐蝕假定已在腐蝕鋼構(gòu)件力學(xué)性能數(shù)值分析和承載力計(jì)算公式研究中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)已有學(xué)者將均勻腐蝕假定下的鋼材力學(xué)性能退化計(jì)算公式應(yīng)用到腐蝕鋼構(gòu)件力學(xué)性能退化規(guī)律研究中，所得效果較好。因此，在現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備條件下，為便于在腐蝕鋼構(gòu)件力學(xué)性能研究中應(yīng)用，本文基于均勻腐蝕假定，研究不同腐蝕率下鋼材力學(xué)性能退化規(guī)律。

2.1 拉伸斷裂形貌

圖3給出了腐蝕前后鋼材拉伸斷裂形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，未腐蝕鋼材的拉伸斷裂形式為典型的延性斷裂。而隨著腐蝕率的增加，腐蝕鋼材試件的頸縮現(xiàn)象明顯減弱，試件斷裂形式逐漸由延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

圖3 不同腐蝕率鋼材拉伸斷裂形貌

2.2 名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)是指鋼材實(shí)際的荷載-位移曲線(xiàn)分別除以未腐蝕鋼材橫截面面積及標(biāo)距段長(zhǎng)度得到。圖4繪制出了具有代表性的不同腐蝕率鋼材名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

從圖4分析可知，隨著腐蝕率的增大，腐蝕鋼材屈服強(qiáng)度變小，彈性段變短，屈服平臺(tái)和軟化階段逐漸變短甚至消失，鋼材頸縮現(xiàn)象明顯減弱，鋼材斷裂從延性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。出現(xiàn)這些現(xiàn)象主要是由于腐蝕鋼材表面蝕坑分布不均，蝕坑處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同一截面中蝕坑位置處應(yīng)力較先達(dá)到屈服，而鋼材其它位置并未同時(shí)達(dá)到屈服。

圖4 不同腐蝕率鋼材名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3 力學(xué)性能指標(biāo)

腐蝕鋼材拉伸試驗(yàn)以腐蝕率不同共設(shè)計(jì)7組，組號(hào)為A1—A7，每組中8個(gè)試件腐蝕率相同，舍棄斷裂位置在標(biāo)距段外的鋼材力學(xué)性能數(shù)據(jù)，其余49個(gè)試件有效力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出，同一腐蝕率下鋼材力學(xué)性能有一定的離散性，這主要是由于同一組鋼材試件均取自同一根無(wú)縫圓鋼管構(gòu)件，而該構(gòu)件因制作工藝和運(yùn)輸?shù)仍蛟斐刹馁|(zhì)不均或初始損傷。因此，為便于直觀研究腐蝕鋼材力學(xué)性能退化規(guī)律，取各組鋼材力學(xué)性能指標(biāo)均值作為該組力學(xué)性能指標(biāo)，所得結(jié)果如表2所示。從表2分析可知，腐蝕鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)均隨著腐蝕率的增大呈顯著下降趨勢(shì)。

表3 腐蝕鋼材拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 腐蝕鋼材力學(xué)性能退化規(guī)律

收集文獻(xiàn)[10-14]中有詳細(xì)記錄的腐蝕Q235鋼材試件123個(gè)，各文獻(xiàn)均基于均勻腐蝕假定，以腐蝕率作為腐蝕鋼材力學(xué)性能退化研究的主要影響參數(shù)。

但由于不同文獻(xiàn)間鋼材試件尺寸不一致，所收集數(shù)據(jù)無(wú)法直接分析使用，因此將各文獻(xiàn)鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即以腐蝕后鋼材力學(xué)性能除以未腐蝕鋼材力學(xué)性能所得鋼材各項(xiàng)力學(xué)性能退化率為研究對(duì)象，并結(jié)合前文已進(jìn)行的腐蝕鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法對(duì)腐蝕鋼材力學(xué)性能退化率數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得到腐蝕鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能退化率與腐蝕率關(guān)系如圖5所示，擬合公式如式(2)所示。

(2)

從圖5和表4分析可知，腐蝕鋼材彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率等各項(xiàng)力學(xué)性能均隨著腐蝕率的增大整體呈現(xiàn)線(xiàn)性下降趨勢(shì)，這其中腐蝕鋼材斷后伸長(zhǎng)率相較于其它力學(xué)性能下降最快。而本文所建立的腐蝕鋼材力學(xué)性能退化公式所用試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，更具有代表性，并且在顯著性檢驗(yàn)和繪制圖像上都表現(xiàn)出了良好的可行性和適用性。

表4 擬合公式顯著性檢驗(yàn)

圖5 腐蝕鋼材力學(xué)性能退化率與腐蝕率關(guān)系

4 腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型

文獻(xiàn)[15]驗(yàn)證了大氣暴露環(huán)境下鋼材腐蝕滿(mǎn)足冪函數(shù)發(fā)展規(guī)律，建立起了考慮環(huán)境因素和鋼材化學(xué)成分因素的冪函數(shù)模型，如式(3)所示，并給出了北京、青島、武漢、江津、廣州、瓊海、廈門(mén)等地的鋼材腐蝕深度與腐蝕時(shí)間的冪函數(shù)預(yù)測(cè)模型。因此，基于擬合得到的腐蝕鋼材力學(xué)性能退化公式及鋼材腐蝕冪函數(shù)預(yù)測(cè)模型，建立起腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型。而兩者公式之間主要通過(guò)腐蝕率η建立關(guān)聯(lián)，如式(4)所示。

D=ATn

(3)

(4)

式中：D為腐蝕深度，mm；T為暴露時(shí)間，a；A、n為常數(shù)；t為鋼材厚度，mm。將式(4)代入式(2)中即可得到腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型：

(5)

4.1 不同地區(qū)腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型分析

以4 mm鋼片材為例，利用公式(5)研究北京、青島、武漢、江津、廣州、瓊海、廈門(mén)等不同地區(qū)腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型，所得結(jié)果如圖6所示。從圖6分析可得，不同地區(qū)腐蝕鋼材力學(xué)性能均隨著使用時(shí)間的增加而降低，鋼材力學(xué)性能退化嚴(yán)重程度由高到低分別為瓊海、廈門(mén)、青島、江津、廣州、北京和武漢。其中瓊海、廈門(mén)和青島等沿海城市鋼材腐蝕后其力學(xué)性能下降較大，最嚴(yán)重的50年后鋼材力學(xué)性能下降達(dá)到20%；而武漢、北京、廣州和江津等城市腐蝕對(duì)鋼材力學(xué)性能影響程度較小，這些地區(qū)50 a后鋼材力學(xué)性能下降一般不超過(guò)6%。

圖6 不同地區(qū)腐蝕鋼材力學(xué)性能隨時(shí)間變化規(guī)律

4.2 不同厚度腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型分析

以廈門(mén)地區(qū)為例，利用公式(5)研究4 mm、6 mm、9 mm和14 mm等不同厚度鋼片材50 a內(nèi)力學(xué)性能退化規(guī)律，并進(jìn)行比較分析，所得結(jié)果如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，在腐蝕時(shí)間相同時(shí)，腐蝕鋼材厚度越小，其力學(xué)性能退化程度越顯著。這主要是由于在相同腐蝕時(shí)間內(nèi)，鋼材厚度腐蝕損失量相同，而厚度越小的鋼材，其質(zhì)量損失率(腐蝕率)則會(huì)越大，計(jì)算所得的腐蝕鋼材各力學(xué)性能退化越明顯。

圖7 不同厚度腐蝕鋼材力學(xué)性能隨時(shí)間變化規(guī)律

5 結(jié) 論

(1) 隨著腐蝕率的增大，鋼材名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的屈服平臺(tái)和軟化階段逐漸變短甚至消失，腐蝕鋼材頸縮現(xiàn)象明顯減弱，鋼材斷裂逐漸由延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

(2) 腐蝕鋼材彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等各項(xiàng)力學(xué)性能均隨著腐蝕率的增大整體呈現(xiàn)線(xiàn)性下降趨勢(shì)，這其中腐蝕鋼材伸長(zhǎng)率相較于其它力學(xué)性能下降最快。

(3) 建立了數(shù)據(jù)量更大，更具有代表性的腐蝕鋼材力學(xué)性能與腐蝕率簡(jiǎn)化計(jì)算公式，并結(jié)合冪函數(shù)模型，建立起腐蝕鋼材力學(xué)性能時(shí)變模型。

(4) 鋼材在沿海城市受腐蝕影響較大，使用50年后最嚴(yán)重地區(qū)鋼材力學(xué)性能下降達(dá)到20%；而鋼材在內(nèi)陸城市則受腐蝕影響較小，使用50年后其力學(xué)性能下降一般不超過(guò)6%。

(5) 在相同腐蝕年限下，腐蝕鋼材力學(xué)性能退化程度隨著鋼材厚度的減小而越發(fā)顯著。