张力对斜拉桥拉索镀锌钢绞线腐蚀行为影响

电化学ELECTROCHEMISTRY第13卷参第3期2007年8月Vol. 13 No.3Aug. 2007 电 化 学·298 .2007年 张力对斜拉桥拉索镀锌钢绞线腐蚀行为影响 黎学明1*，周杰敏，刘 强，孔令峰，周建庭 (1.重庆大学化学化工学院，重庆400030；2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400047) 摘要： 应用伏安极化法和中性盐雾腐蚀试验研究了张力作用下斜拉桥拉索镀锌钢绞线在 5% NaCl 溶液中腐蚀行为，腐蚀产物理化性质由 XRD、TG-DTA 等测试表征.结果表明，镀锌钢绞线的腐蚀电流，即腐蚀速率随试验前施加的张力增加而增大，其产生白锈的盐雾试验周期小于1，经15~22 kN张力作用后的镀锌钢绞线，产生红锈的盐雾试验周期为16，而经0、10 kN张力作用的钢绞线，产生红锈的周期则延长至23，钢绞线腐蚀产物主要是 ZnClz(oH)·H，0、Zn(CO)(OH)·H0和Zn0. 关键词： 斜拉桥；拉索；钢绞线；腐蚀行为 中图分类号：TG174.3 文献标识码：A 斜拉桥是一种跨越能力大、结构轻巧美观、受力明确、空气动力稳定性好、结构型式简洁的桥型1121，其拉索则是桥梁的主要承重结构，它的耐久性将直接影响全桥安全.目前，用于斜拉桥拉索的钢绞线主要有全裸钢绞线、环氧涂漆钢绞线和镀锌钢绞线3种类型，其中镀锌钢绞线因其抗拉强度高、延伸率好、松弛值低、应力损失小、抗疲劳性能优良、防护能力强等诸多特点而被广泛应用.然而，作为拉索，不仅长期暴露于自然环境并且承受交变载荷，索内钢绞线极易遭受环境腐蚀，影响桥的安全和使用寿命，严重者则导致重大事故发生3-4].对此， Honshu-Shikoku 桥梁管理部门I5]已就其监护的10多座斜拉桥开展了预防性维护研究，提出诸如防腐蚀涂层、拉索除湿、静态和动态监测等维护措施；而 Hamilton H R 和 Barton S C等16-7]则采用人工加速腐蚀试验方法评价拉索耐蚀性，重点探讨不同负载作用下拉索的全面腐蚀、腐蚀破裂和氢脆，比较试验样品腐蚀前后失重、氢浓度和可变载荷等方面的变化； Suzumura K等8研究了镀锌钢绞线腐蚀行为的环境影响因素，指出当相对湿度小于60%时，镀锌钢绞线不会发生腐蚀，而处于湿润或浸湿环境中的钢绞线，其表面 镀锌层寿命约达10年，但如环境中存在大量 NaCl或温度升高均会显著加速钢绞线的腐蚀.本文拟在前期工作基础上，探讨斜拉桥拉索镀锌钢绞线在5%NaCl 溶液中张力作用下的腐蚀行为，进而评价其耐蚀性，这对延长斜拉桥拉索使用寿命和提高桥梁安全性研究具有重要参考意义，而相关研究迄今国内尚未见报导. 实验 1.1 仪器、材料与试剂 电化学工作站(CHI660B，上海辰华)、盐雾腐蚀试验箱(YWX/Q750C， 无锡苏南试验设备有限公司)、微机控制电子万能试验机(CMT5105， 深圳三思材料检测有限公司)、酸度计(pHS-25，上海雷磁)、电子天平(AL204， Mettler Toledo公司)、热重-差热分析仪(DTG-60H， 日本岛津)、X射线衍射仪(XRD-6000，日本岛津). 镀锌钢绞线由重庆万桥交通科技发展有限公司提供，成分：0.75%~0.85%C，0.12%一0.32% Si， 0.60%~0.90%Mn， P≤0.025%， S≤0.025%， Cu≤0.20%；=5mm；抗拉强度：≥1570MPa；屈服强度：≥1330MPa.使用前两端作墩 ( 收稿日期：2007-01-16，修订日期：2007-03-08 *通讯作者，Tel：(86-23)65106558，E-mail：xuemingli@ cqu. edu. cn ) ( 重庆市交通委员会科技计划项目、重庆市自然科学基金(2004BB6056)资助 ) 头处理.氯化钠、氢氧化钠、盐酸、氨水等均为分析纯. 1.2 电化学腐蚀实验 用专用夹具固定5根两端镦头镀锌钢绞线于万能试验机上，夹具结构见文献.分别施加0、10、15、20、22 kN 张力，此处22 kN是钢绞线屈服强度的1/1.2(材料安全系数).应用极化法由 Tafel直线外推测定室温下不同张力作用时镀锌钢绞线的腐蚀电流.三电极体系，研究电极为镀锌钢绞线(工作面积3.14cm²)，铂环为辅助电极， Ag/AgCl电极为参比电极，腐蚀液为5% NaCl 溶液(pH=7)，电化学腐蚀实验装置如图1所示.扫描电位范围-1.21~-0.91V，扫速10 mV·s，极化前腐蚀试验体系预先稳定5~10 min. 图 电化学腐蚀实验装置示意图 Figl Schematic drawing of electrolytic cell in corrosion test 1.3 中性盐雾腐蚀试验(NSS) 将经过张力作用后的镀锌钢绞线连同夹具置于盐雾腐蚀试验箱中，以“喷12h一停12h”为一个喷雾周期，每隔一周期检查钢绞线腐蚀状态，表面出现红锈即停止试验.从夹具取下腐蚀后样品，用蒸馏水轻轻冲洗，刀片轻轻刮下腐蚀产物待用.刮去腐蚀产物后的钢线再用15%氨水浸泡、蒸馏水冲洗、干燥称量，失重法评价经不同张力作用的镀锌钢绞线腐蚀速率. 1.4 腐蚀产物表征 使用X射线衍射仪分析腐蚀产物结构与组成，电压40 kV，电流30 mA，扫描范围2°~80°，扫描速率8°·min；热重-差热分析仪观测升温过程腐蚀产物结构变化，温度范围15~500℃，升温速率10℃·min，氮气氛，流速50mL·min-. 2结果与讨论 2.1 张力作用对镀锌钢绞线腐蚀电流影响 图2示出镀锌钢绞线在不同张力作用下5%NaCl 溶液中电化学腐蚀的 Tafel曲线.如图可见，镀锌钢绞线腐蚀电流随张力增加呈增大趋势，且当张力为22 kN时镀锌钢绞线腐蚀电流达到最大值，为0kN的4.5倍.其原因可能是该钢绞线镀锌层内之多晶晶面因张力增加而发生滑移，晶粒间距离随之增大，使吸附CI 的晶界电位变负从面更易发生腐蚀. 图2不同张力作用下镀锌钢绞线在5% NaCl 溶液中的Tafel 曲线 Fig. 2 Tafel curves of the galvanized steel wire in 5% NaClsolution at different tension/kN a)0，b)10，c)15，d)20，e)22 2.2 不同张力作用下镀锌钢绞线耐蚀性NSS 试验评价 图3为镀锌钢绞线经不同张力作用后再经中性盐雾腐蚀后的表观照片.实验发现，试验钢绞线在中性盐雾腐蚀的一个周期内，表面就开始出现白锈，延长腐蚀周期，电化学腐蚀加快，白色锈点越来越多，直至表面全为白锈布满；之后，红锈产生，但其出现的快慢与施加的张力大小有关.如作用张力为15~22kN，钢绞线产生红锈的盐雾试验周期为16， 而在0 kN 或 10 kN 张力作用下则延长至23周期，可见张力作用对镀锌钢绞线腐蚀行为有直接影响.图4给出由失重法测得的镀锌钢绞线在不同张力作用下的腐蚀速率，同样表明随张力增加钢绞线腐蚀速率呈上升趋势，与上述极化法得出的规律相一致.据图4，该钢绞线的腐蚀速率于22 kN 张力下达最大值，对应的腐蚀深度为0.41 mm·a-， 此值比极化法 Tafel 外推计算的腐蚀深度大5倍，其原因当与中性盐雾腐蚀环 境中雾粒对镀锌层的冲刷作用、失重法测量存在误差有关. 图3 不同张力作用用镀锌钢绞线 NSS 试验后照片 Fig.3Images of galvanized steel wire at different tension 0.5 图4 镀锌钢绞线在不同张力作用下的腐蚀速率 Fig. 4 Corrosion rate of galvanized steel wire at different ten-sion 2.3 腐蚀产物的组成与结构分析 图5给出22kN 张力作用下镀锌钢绞线经中性盐雾腐蚀16周期的腐蚀产物XRD 图谱.对照PDF卡片表明，该腐蚀产物在20为11.186°、33.506°和37.857°处的强衍射峰与 Zn，Cl，(OH)：·H， O 的标准衍射谱相符(卡片72-1444)，说明镀锌层的主要腐蚀产物为 Zn，Cl，(OH)；·H，0；而出现在31.733°34.393°和56.552°处的较强衍射峰则与 ZnO相符(卡片89-1397)，说明腐蚀产物中含有部分Zn0；又因盐雾试验环境存在一定量的二氧化碳，故而腐蚀产物也含有少量 Zng (CO，)(OH)·H，0，这与Q.Qu等1101研究报道的结果一致；此外，该腐蚀产物也存在少量的 Fe，0s， 即上述之红锈，表明本盐雾腐蚀试验难免导致 Fe 基体发生缓慢的电化学腐蚀. 图6示出腐蚀产物热重和差热分析结果.发现在室温~150℃范围内，TG曲线随温度升高而缓慢下降，而其对应的 DTA 曲线则在150℃前出现吸热峰，这与腐蚀产物失去吸附水和结晶水有关.在150~250℃之间， TG 曲线快速下降，与此对应的 DTA 曲线上显示两个吸热峰，第1吸热峰对应于 Zn，Cl，(OH)。的受热分解，第2吸热峰为Zn (CO，)(OH)受热分解和前面 Zn， Cl(OH)。再进一步受热分解"，250~500℃之间， TG 曲线缓慢下降，对应的 DTA 曲线则表出出明显的吸热，这是 Zn，Clz(OH)之热分解产物，即 Zn(OH) Cl又继续热分解所致2. 图5 镀锌钢绞线腐蚀产物 XRD图 Fig.5 XRD patterns of corrosion products for galvanized steelwire d)Zn(CO，)(OH)·H，0； e)Fe，0s 图6 镀锌钢绞线线蚀产物 TG-DTA图 Fig.6 TG-DTA patterns of corrosion products for galvanizedsteel wire 2.4 盐雾腐蚀过程初探 镀锌钢绞线经中性盐雾试验16周期后，除镀 锌层遭受腐蚀外，钢绞线基体铁也同时发生缓慢电化学腐蚀，其腐蚀过程可能为： 1)在盐雾腐蚀试验箱内，钢绞线镀锌层最先受到含湿热空气的盐雾和0，的作用而发生电化学腐蚀： 2)Zn与 OH作用发生化学反应： 3)湿热空气中 CO， 溶于5% NaCl 溶液，产生CO，的参与上述化学反应： 4)镀锌层局部区域腐蚀后露出 Fe 基体，虽然有以镀锌层作牺牲阳极的阴极保护法，但仍然难以避免铁基体的电化学腐蚀缓慢发生，从而出现红锈(铁锈). 3 结 论 在5%NaCl 溶液中镀锌钢绞线极化腐蚀电流随其作用张力之增加而呈增大趋势，并于 22 kN下镀锌钢绞线腐蚀电流最大，为0 kN的4.5倍；在张力0kN~22 kN 作用范围内，各钢绞线在 NSS试验一个周期内产生白锈，作用张力较小(0kN、10 kN)的镀锌钢绞线产生红秀的周期为23，而张力大的(15kN~22 kN)仅为16，其腐蚀产物主要为 Zn，Cl，(OH) ·H，0、Zna(CO，)(OH)6·H，0和Zn0.钢绞线腐蚀是一个复杂的过程，有必要进一步开展模拟真实环境下斜拉桥拉索镀锌钢绞线腐蚀过程及其防护研究. 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The result shows that the corrosion current or corrosion rate of galvanized steel wireis larger with increasing the tension， the white rust of galvanized steel wires at different tension appears withinone cycle， the red rust appears after 16 cycles at 15 ~22kN tension， and 23 cycles at 0， 10kN tension， and itscorrosion products mainly consist of Zn，Cl，(OH) ·H，0、Zng(CO，)(OH)6·H，0 and Zn0. Key words： cable-stayed bridge； cables； steel wire； corrosion behavior