潘金龍 梁鴻宇 張恩旺 系星語

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211200）

0 引言

我國幅員遼闊，海岸線延綿一萬多公里，島嶼更是多達(dá)數(shù)千，隨著我國沿海經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼材的應(yīng)用范圍已經(jīng)越來越廣，鋼樁碼頭、人工島、棧橋、管道、儲罐、碼頭、海上平臺等領(lǐng)域均可以看到鋼結(jié)構(gòu)的身影。海洋環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生銹蝕，進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短并引發(fā)相應(yīng)的工程事故，帶來巨大的安全隱患[1,2]，在我國每年由鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為2300億元，間接經(jīng)濟(jì)損失為（5000～6000）億元，相當(dāng)于我國國民生產(chǎn)總值的5%，因此，研究海洋環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響具有極其重要的意義。

1 海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響因素

海洋環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理復(fù)雜，影響因素種類繁多，腐蝕后產(chǎn)生的物質(zhì)類型也各不相同[3]。國內(nèi)外現(xiàn)有研究表明，海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕因素眾多，但是起主要的影響因素是氯離子、荷載[4-6]。

1.1 氯離子

氯離子在海洋中廣泛存在，由于氯離子對鋼的表面滲透性非常強(qiáng)，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)處于海洋環(huán)境中時，氯離子在鋼表面溶于液態(tài)薄膜中，形成對鋼具有強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)，進(jìn)而在鋼材表面形成坑形腐蝕點。Ma等[7]將模擬海洋環(huán)境下的鋼材進(jìn)行紅外光譜分析后發(fā)現(xiàn)，氯離子不同腐蝕周期下，鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕程度、形態(tài)均不同。Graede[8]通過實驗分析認(rèn)為氯離子還對海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的電化學(xué)腐蝕有不同程度的加強(qiáng)作用，同時，氯離子的濃度大小也對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕有一定影響[9,10]，氯離子濃度越大，鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕速度越快?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)鋼材在受到氯離子腐蝕后，會產(chǎn)生氧化鐵、γ-FeOOH等主要物質(zhì)。在考慮海洋氯離子的影響因素實驗方面，目前采取的是使用模擬海洋環(huán)境，比如用氯化鈉溶液、鹽霧等常規(guī)腐蝕環(huán)境以及高濃度加速腐蝕實驗。

1.2 荷載耦合

鋼結(jié)構(gòu)在實際使用過程中均受到荷載的作用，海洋腐蝕環(huán)境下，荷載的耦合使鋼結(jié)構(gòu)受到的腐蝕程度更深。然而在氯離子與荷載耦合環(huán)境的實驗方面，國內(nèi)外對此直接開展的研究并不是很多，Y-H.HUANG[11]等通過研究氯離子腐蝕環(huán)境下不銹鋼的耐疲勞性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加短期扭轉(zhuǎn)荷載時，不銹鋼表面的銹蝕程度更深，荷載加速了腐蝕環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)表面的銹坑形成速度，經(jīng)過顯微觀測能明顯發(fā)現(xiàn)，施加荷載的鋼棒表面銹坑會轉(zhuǎn)化為裂紋。Sung jin kim[12]通過研究荷載對酸性環(huán)境下鋼的電化學(xué)反映實驗得出，荷載加速了鋼的電化學(xué)反應(yīng)，使鋼材收到腐蝕程度更深。Xing Xie[13]通過研究荷載與氯離子環(huán)境下10CrNi5MoV鋼的耐疲勞性能發(fā)現(xiàn)，此鋼在海水中的疲勞壽命比在空氣中的短，隨著施加載荷比例的增加，加速了此鋼的腐蝕，鋼表面銹坑的形成速度更快，耐疲勞性能更差。

Fumin Li[14]等通過研究氯離子與疲勞荷載共同作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的腐蝕破壞形式發(fā)現(xiàn)。在氯離子腐蝕和疲勞荷載的共同作用下，不同受力段的預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼絞線受到不同程度的腐蝕。彎管段比彎剪段腐蝕更為嚴(yán)重，這與彎管段的疲勞應(yīng)力水平相對應(yīng)。鋼絞線呈典型的孔蝕狀腐蝕，表面形成近似于球狀的凹坑，氯離子濃度越高，施加疲勞荷載越大，凹坑體積越大。

以上研究表明，鋼在海洋環(huán)境下會受到氯離子的腐蝕，同時荷載的耦合會使鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的情況更加嚴(yán)重。由于實驗設(shè)施及操作上存在的困難，現(xiàn)有研究基本都是短期荷載效應(yīng)，少見長期荷載效應(yīng)下鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與力學(xué)性能研究。國內(nèi)在氯離子與荷載耦合環(huán)境下的鋼的銹蝕實驗涉及極少，并且已有的研究僅在疲勞破壞領(lǐng)域，而現(xiàn)實工程中鋼結(jié)構(gòu)的使用情況均是環(huán)境與荷載耦合，因此在氯離子與其他荷載方面鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕行為是今后的研究方向。

2 海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變化

海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)受到腐蝕后，其力學(xué)性能會發(fā)生不同程度的下降，力學(xué)性能的下降必然影響鋼結(jié)構(gòu)的使用安全性，從而縮短鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能變化情況研究主要是從鋼結(jié)構(gòu)拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能三方面入手。

2.1 拉伸性能

拉伸性能的主要參數(shù)為屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長率、屈強(qiáng)比等。Wei R Y等[15]通過截取海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)鋼材的各項拉伸性能指標(biāo)均出現(xiàn)了大幅度下降。在此方面研究的還有徐興平[16]、史煒洲[17]等，這些研究均是從自然界使用中的鋼材為研究對象，可以直接反映其力學(xué)性能的退化規(guī)律。更多情況下，研究人員是采用實驗室模擬海洋環(huán)境，亦或是采用加速腐蝕實驗作為實驗環(huán)境。如Tatsrro等[18]直接在鋼材表面參照自然銹蝕情況制作相應(yīng)銹坑，研究鋼材表面由于銹坑引起鋼拉伸性能的變化規(guī)律，得出隨著銹坑深度和密度的增大，鋼材拉伸試驗后，其屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和伸長率等均出現(xiàn)了大幅度降低。Almusallam[19]、陳露[20]等通過海洋環(huán)境下低碳鋼的拉伸試驗得出，在銹蝕程度較低時，低碳鋼的拉伸性能變化較小，當(dāng)銹蝕率超過10%時，低碳鋼的抗拉強(qiáng)度下降明顯。現(xiàn)有研究在鋼結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度方面得出的結(jié)果與結(jié)論較為接近，但是在拉伸變形上出現(xiàn)較大的差別，由于海洋腐蝕環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的長期耐久性試驗離散性較大，因而需要更加深入的研究，以對海洋環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)使用提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 壓縮性能

鋼結(jié)構(gòu)作為受壓構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)承重體系中占據(jù)重要地位，國內(nèi)外在海洋腐蝕環(huán)境其壓縮性能的影響主要集中在承載力、剛度、延性幾個方面。徐善華[21]等通過研究型鋼構(gòu)件放在鹽霧模擬海洋環(huán)境下力學(xué)性能試驗，發(fā)現(xiàn)型鋼柱的銹蝕程度與時間成正比，其承載力、剛度、位移延性系數(shù)都產(chǎn)生了不同程度的下降，同時，型鋼翼緣的銹蝕對鋼結(jié)構(gòu)的偏壓承載力的下降起決定性作用。

張華[22]通過研究鹽霧模擬海洋試驗下H型鋼壓彎性能發(fā)現(xiàn)，由于銹蝕在型鋼的表面形成銹層，減少了構(gòu)件的截面積，引起其壓彎性能的下降。

2.3 彎曲性能

鋼結(jié)構(gòu)的彎曲性能在腐蝕之后會受到不同程度的影響，白燁等[23]通過大氣環(huán)境下腐蝕三年的鋼材四點彎試驗得出，腐蝕使得構(gòu)件截面厚度受到不同程度的削弱，進(jìn)而影響構(gòu)件的受彎承載能力。在銹蝕程度方面，均勻銹蝕時整個銹層對鋼材的承載力起不到任何作用，相當(dāng)于對原有構(gòu)件削去一層使得鋼材截面厚度改變，而銹坑由于厚度不同，分布不均，對受彎承載力的影響原理也不同。潘典書[24]截取大氣暴露環(huán)境下腐蝕的鋼材試件，通過三點彎實驗研究腐蝕環(huán)境下銹蝕鋼材受彎承載力，結(jié)果表明鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力隨著腐蝕年限的增加，呈現(xiàn)出初期衰退比較快，后期逐步變緩慢的趨勢。徐善華等[25]通過槽鋼構(gòu)件在室內(nèi)鹽霧加速試驗研究鋼的受彎性能，結(jié)果表明，鋼構(gòu)件的承載力降低主要是由于受到持續(xù)腐蝕，點蝕因子隨時間逐步變大，鋼構(gòu)件的銹坑也隨著擴(kuò)大、變深，導(dǎo)致鋼構(gòu)件的表面強(qiáng)度降低。

在力學(xué)性能研究方面，經(jīng)過海洋環(huán)境腐蝕后，鋼結(jié)構(gòu)的拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能均會發(fā)生不同程度的降低，然而對于力學(xué)性能的下降，大多僅在短期時間基礎(chǔ)上通過理論模擬預(yù)測長期壽命，鋼結(jié)構(gòu)的實際使用壽命及力學(xué)性能的退化還需要更長時間的試驗驗證與研究。

3 結(jié)語

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的研究已經(jīng)取得了相應(yīng)的進(jìn)展，海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的主要影響因素是氯離子與荷載，無論是自然腐蝕條件還是人工模擬加速腐蝕條件均會引起鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不同程度的下降。但是現(xiàn)有試驗研究還存在一定的問題和不足，即僅僅在荷載耦合條件下鋼結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能，而在其他力學(xué)性能上的研究少見，因而今后可以加強(qiáng)考慮應(yīng)力和外界腐蝕環(huán)境共同作用下鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗，建立相應(yīng)力學(xué)性能退化模型，對應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行壽命預(yù)測，具有很大的現(xiàn)實意義。