基于三維激光掃描的吊索鋼絲銹蝕形貌分析

馬亞飛，白浩，蘇小超，陽健，王磊，張建仁

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

橋梁腐蝕、損傷等病害在車輛反復(fù)荷載和外界不利環(huán)境作用下日益突出。已建的中下承式拱橋、懸索橋等大跨度橋梁吊索，長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，若防護(hù)不當(dāng)，吊索內(nèi)高強(qiáng)鋼絲易發(fā)生腐蝕[1-2]，會(huì)顯著降低吊索的使用壽命。近年來，已發(fā)生多起因腐蝕導(dǎo)致的吊索安全事故，帶來巨大的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。橋梁管理部門將腐蝕吊索及時(shí)更換，以防該類事故的發(fā)生。鋼絲銹蝕分為均勻銹蝕和局部銹蝕，而局部銹蝕易引起鋼絲局部應(yīng)力集中，加速疲勞裂紋擴(kuò)展，對(duì)結(jié)構(gòu)性能更為不利。因此，研究鋼絲的坑蝕特征，對(duì)研究其力學(xué)性能退化規(guī)律尤為重要。

目前，針對(duì)銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化的研究已有較多成果。NAKAMURA 等人[3-4]發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼絲的伸長(zhǎng)率和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度均隨銹蝕程度的增加而降低，待表面鍍鋅層完全銹蝕后，鋼絲延性顯著降低。李曉章等人[5-6]研究表明：高強(qiáng)鋼絲極限應(yīng)變的下降源于銹蝕鋼絲橫截面的不均勻損失，鋼絲局部的微小銹坑成為裂紋萌生源。蘭成明等人[7]建立了考慮腐蝕影響的三參數(shù)Weibull 模型，發(fā)現(xiàn)隨著鋼絞線腐蝕程度的增加，疲勞壽命迅速減小，指定疲勞壽命下的許用應(yīng)力幅迅速降低。FURUYA 等人[8]通過自然環(huán)境腐蝕試驗(yàn)，指出高溫和水分是拉索內(nèi)鋼絲腐蝕的主要誘因。張威等人[9-10]分析了蝕坑分布狀況，認(rèn)為蝕坑長(zhǎng)度、寬度和深度均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，蝕坑深寬比服從正態(tài)分布，而最大蝕坑深度服從極值Ⅱ型分布。ZHANG 等人[11]發(fā)現(xiàn)銹蝕平均截面積與最小截面積之比服從Gumbel極值分布，隨著銹蝕的發(fā)展，其均值和均方差也隨之增大。樓紀(jì)昂等人[12]通過ANSYS 仿真模擬，探討高強(qiáng)鋼絲蝕坑長(zhǎng)度、寬度和深度等因素對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響程度，發(fā)現(xiàn)最大影響因素為蝕坑長(zhǎng)度，深度次之，寬度最小。蔣超等人[13]發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼絲均勻腐蝕深度的變異系數(shù)隨腐蝕時(shí)長(zhǎng)減小，最大點(diǎn)蝕深度服從極值I 型分布，并建立了均勻腐蝕深度與最大點(diǎn)蝕深度的預(yù)測(cè)模型。然而，現(xiàn)有研究多采用通電加速腐蝕的方法獲取銹蝕試件，這與自然環(huán)境存在較大差異，測(cè)試結(jié)果難以反映現(xiàn)實(shí)情況。而考察參數(shù)局限于最大腐蝕深度、寬度等，忽視了整體腐蝕的影響。因此，本研究以服役實(shí)橋上更換的吊索為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行酸性鹽霧試驗(yàn)?zāi)M自然環(huán)境腐蝕，得到了質(zhì)量損失率與銹蝕時(shí)間的變化規(guī)律。通過對(duì)銹蝕鋼絲進(jìn)行三維激光掃描（3D激光掃描），測(cè)得了不同位置的蝕坑深度。擬以點(diǎn)蝕系數(shù)表征局部銹蝕程度，考慮鋼絲整體銹蝕的影響，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析高強(qiáng)鋼絲局部銹蝕參數(shù)的概率分布特征，以期為研究高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能規(guī)律提供借鑒。

1 自然環(huán)境模擬銹蝕試驗(yàn)

1.1 試件制作

四川某橋是一座中承式混凝土拱橋，于2016年進(jìn)行了吊索更換，拆除時(shí)吊索已服役14 a。該吊索由109根直徑為7 mm的平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 670 MPa。拆除的部分吊索運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)切割加工后，得到60 根長(zhǎng)度為400 mm的鋼絲樣本。

采用酸性鹽霧試驗(yàn)，模擬自然環(huán)境對(duì)高強(qiáng)鋼絲的腐蝕，樣本分6 組，每組10 根，試驗(yàn)周期分別為15、30、60、90、120 和150 d。主要設(shè)備為CK/YW-60C 的鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱和ATC 系列筆式酸度計(jì)。電導(dǎo)率不超過20 μs/cm 的蒸餾水和50±5 g/L的化學(xué)純氯化鈉配制鹽溶液，通過冰乙酸和化學(xué)純氫氧化鈉，控制溶液PH 值在3.0～3.1[14]。鹽霧試驗(yàn)控制溫度為25℃。在500 mL密度為1.19 g/mL的鹽酸中，加入3.5 g六次甲基四胺和適量蒸餾水，配制成1 000 mL的除銹液。

先用丙酮擦拭試件表面，稱重，放入試驗(yàn)箱，待試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)取出各組試件，自然風(fēng)干30～60 min，用溫度不高于40℃的清潔流動(dòng)水沖洗鋼絲表面，去除殘留銹蝕液。

鋼絲銹蝕后，外觀如圖1 所示。在圖1 中，白色物質(zhì)和紅色物質(zhì)分別為鋼絲表面鍍鋅層和內(nèi)芯基體的銹蝕產(chǎn)物。從圖1 中可以看出，鹽霧暴露15 d之后，鋼絲表面鍍鋅層已開始銹蝕，基體內(nèi)芯出現(xiàn)了局部點(diǎn)蝕，隨著鹽霧暴露天數(shù)的增加，腐蝕向鋼絲基體內(nèi)芯發(fā)展，腐蝕程度愈發(fā)嚴(yán)重，鋼絲截面呈不規(guī)則變化。

圖1 不同暴露時(shí)間下鋼絲銹蝕形貌Fig.1 Corrosion morphology of steel wire after different exposure time

1.2 高強(qiáng)鋼絲質(zhì)量損失

先將鋼絲表面烘干，在室溫環(huán)境下用配置好的除銹液清洗試件10 min，用軟毛刷輕輕擦拭試件，除去鋼絲表面膨松的銹蝕物。再用清水將試件充分沖洗，烘干，冷卻至室溫，再次稱重并記錄。銹蝕高強(qiáng)鋼絲清洗后的外觀如圖2所示。在銹蝕初始階段，僅鋼絲表面鍍鋅層發(fā)生銹蝕，部分腐蝕嚴(yán)重區(qū)域出現(xiàn)點(diǎn)蝕，鋼絲表面出現(xiàn)微小蝕坑，鋼絲截面直徑未有明顯變化，隨著暴露時(shí)間的增加，鋼絲表面點(diǎn)蝕加重，腐蝕產(chǎn)物覆蓋整個(gè)試件表面，局部出現(xiàn)較大蝕坑，鋼絲直徑明顯變小。

圖2 除銹后鋼絲樣本Fig.2 Steel wire samples after derusting

經(jīng)本試驗(yàn)配置的酸性鹽霧加速銹蝕后，得到試件的質(zhì)量銹蝕率見表1。

表1 鋼絲質(zhì)量損失Table 1 Mass loss of steel wires

鋼絲質(zhì)量損失率的計(jì)算式為：

鋼絲平均質(zhì)量損失率與鹽霧環(huán)境暴露時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示，經(jīng)回歸分析得：

式中：t為鹽霧環(huán)境暴露時(shí)間，d；t0為短期酸性鹽霧暴露環(huán)境下鍍鋅高強(qiáng)鋼絲開始發(fā)生銹蝕所需的時(shí)間，d，本試驗(yàn)t0=15。

從圖3可以看出，由于鋼絲表面鍍鋅層先發(fā)生銹蝕，銹蝕是一個(gè)從無到有的過程。因此，初始質(zhì)量損失速率較快，待到鋼絲表面覆蓋的銹蝕產(chǎn)物形成一道保護(hù)膜后，腐蝕速率趨緩，隨著銹蝕程度進(jìn)一步加劇，部分銹蝕產(chǎn)物脫落，鋼絲再次暴露在鹽霧環(huán)境中，銹蝕速率有所回升。

圖3 平均質(zhì)量損失率與鹽霧暴露時(shí)間關(guān)系Fig.3 Relationship between average mass loss rate and salt spray exposure time

2 三維激光掃描

為研究高強(qiáng)鋼絲的局部銹蝕特征，利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量鋼絲表面的蝕坑特征。本試驗(yàn)采用儀器為精度0.02 mm 的FARO Laser Scan Arm3D 激光掃描測(cè)量?jī)x。從6 組銹蝕試件中各取3根，共計(jì)18根樣本，對(duì)其中間200 mm 區(qū)域進(jìn)行掃描，經(jīng)配準(zhǔn)、簡(jiǎn)化、去噪等流程，得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過三維數(shù)據(jù)處理，刪除多余點(diǎn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝、劃分網(wǎng)格等流程，得到多邊形鋼絲網(wǎng)格模型。然后，沿鋼絲軸向每隔2 mm 剖切1 個(gè)橫斷面，如圖4所示。固定圓心，在坐標(biāo)系中構(gòu)建鋼絲平均銹蝕深度圓截面和半徑R0=3.5 mm 的原始圓截面，測(cè)得原始截面圓心到銹蝕鋼絲表面最近點(diǎn)的距離s，通過計(jì)算得到鋼絲表面蝕坑深度d，其計(jì)算式為：

圖4 鋼絲模型橫截面截取Fig.4 Cross section interception of steel wire model

2.1 最大點(diǎn)蝕深度

不同鹽霧暴露時(shí)間下，18 根鋼絲表面最大點(diǎn)蝕深度縱向、軸向分布情況如圖5 所示。從圖5 可以看出，最大坑蝕深度沿鋼絲軸向存在較大差異，相同鹽霧暴露時(shí)間下同組鋼絲最大坑蝕水平較接近。鋼絲最大坑深隨鹽霧暴露時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸增大，如圖5(g)所示，但縱坐標(biāo)軸方向的波動(dòng)范圍逐漸變小，表明鋼絲軸向腐蝕程度趨于均勻。

圖5 不同鹽霧暴露時(shí)間下最大銹蝕深度沿鋼絲軸向分布Fig.5 Distribution of the maximum corrosion depth along the axis of steel wire under different salt spray exposure time

2.2 點(diǎn)蝕系數(shù)

許多學(xué)者在研究鋼絲局部銹蝕規(guī)律時(shí)，僅研究較為嚴(yán)重的腐蝕區(qū)域，而忽視了其他蝕坑的情況。鋼絲局部銹蝕的考察參數(shù)不應(yīng)局限于最大點(diǎn)蝕深度和寬度，還應(yīng)考慮鋼絲整體銹蝕的影響。因此，本研究引入點(diǎn)蝕系數(shù)α和β，表征鋼絲局部腐蝕程度。通過本試驗(yàn)三維激光掃描得到數(shù)據(jù)，對(duì)18根銹蝕鋼絲共約1 800個(gè)鋼絲截面進(jìn)行計(jì)算分析，研究了鋼絲整體銹蝕情況，并考慮了鋼絲整體銹蝕深度對(duì)最大點(diǎn)蝕深度的影響，點(diǎn)蝕系數(shù)計(jì)算式為：

式中：dl,max為整根鋼絲最大銹蝕深度；dl,av為整根鋼絲平均銹蝕深度；dm,max為鋼絲斷面最大銹蝕深度；dm,av為鋼絲斷面平均銹蝕深度。

各參數(shù)如圖6 所示。點(diǎn)蝕系數(shù)α和β均不小于1。當(dāng)α越大，則鋼絲軸向各截面坑深差別越大，腐蝕程度越不均勻。同理，當(dāng)β=1時(shí)，鋼絲在徑向發(fā)生均勻腐蝕，橫截面直徑變小，仍近似保持圓形；當(dāng)β越大，則鋼絲微段表面輪廓線越不規(guī)則。

圖6 銹蝕鋼絲徑向及軸向示意Fig.6 Schematic diagram of corroded steel wire in radial and axial direction

系數(shù)α隨質(zhì)量損失率變化曲線如圖7 所示。從圖7可以看出，隨著鋼絲質(zhì)量損失率的增加，點(diǎn)蝕系數(shù)α逐漸減小，表明鋼絲軸向銹蝕程度隨銹蝕水平增大趨向均勻。

圖7 點(diǎn)蝕系數(shù)α和質(zhì)量損失率的關(guān)系Fig.7 Relationship between pitting coefficient α and corrosion rate

不同鹽霧暴露時(shí)間下鋼絲試件β的頻率直方圖如圖8 所示。從圖8 可以看出，鹽霧環(huán)境下暴露60 d 和120 d 的鋼絲的點(diǎn)蝕系數(shù)服從正態(tài)分布，其余鋼絲的均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。隨著鋼絲銹蝕程度的加大，β的期望值逐漸變小。表明：鋼絲徑向的腐蝕程度也趨于均勻。

圖8 參數(shù)β的頻率直方圖和擬合曲線Fig.8 Frequency histogram and fitting curve of parameter β

不同暴露時(shí)間下各鋼絲β值沿鋼絲軸向變化曲線如圖9 所示。從圖9 可以看出，在暴露時(shí)間較短時(shí)（15～30 d），β曲線相對(duì)平滑，隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)（60～90 d），曲線波動(dòng)范圍逐漸變大，待暴露時(shí)間到達(dá)120 d 時(shí)，曲線再次趨向平緩。表明：鋼絲銹蝕初期，鋼絲各微段的均勻銹蝕情況沿長(zhǎng)度方向差異不明顯。隨著銹蝕的加劇，各微段銹蝕程度差異逐漸較大，當(dāng)鋼絲銹蝕到達(dá)120 d時(shí)，各微段銹蝕情況又趨于平緩。

圖9 不同銹蝕程度鋼絲點(diǎn)蝕系數(shù)β沿長(zhǎng)度方向變化趨勢(shì)Fig.9 Trend of pitting coefficient β of steel wire with different corrosion degrees along the length direction

統(tǒng)計(jì)18 個(gè)α值和1 800 個(gè)β值，得到了其頻率直方圖和擬合的概率密度曲線，如圖10 所示。從圖10 可以看出，α值主要分布在1.5～1.7，84.7%的β值集中在1.1～1.6，經(jīng)檢驗(yàn)，α和β均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

圖10 α和β的頻率直方圖Fig.10 Frequency histogram of coefficients α and β

3 結(jié)論

對(duì)拆除的實(shí)橋吊索鋼絲進(jìn)行酸性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)，基于三維激光掃描技術(shù)精確呈現(xiàn)了高強(qiáng)鋼絲的銹蝕規(guī)律，引入點(diǎn)蝕系數(shù)描述鋼絲不均勻銹蝕特征。得到結(jié)論為：

1）暴露在鹽霧環(huán)境中的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，質(zhì)量損失率隨銹蝕時(shí)間的變化呈近似冪函數(shù)的規(guī)律變化。

2）當(dāng)高強(qiáng)鋼絲在酸性鹽霧環(huán)境中暴露時(shí)長(zhǎng)達(dá)120 d 時(shí)，其點(diǎn)蝕系數(shù)趨近于1，即徑向和軸向最大蝕坑深度趨于平均蝕坑深度，鋼絲銹蝕特征趨向于均勻銹蝕。

3）引入點(diǎn)蝕系數(shù)α和β來表征鋼絲局部腐蝕程度，統(tǒng)計(jì)分析了18 個(gè)α值和1 800 個(gè)β值，結(jié)果表明：高強(qiáng)鋼絲的點(diǎn)蝕系數(shù)α和β服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

橋梁吊索中鋼絲在自然環(huán)境下腐蝕過程復(fù)雜，本研究采用鹽霧腐蝕模擬自然環(huán)境與實(shí)際仍存在一定差異，需要開展大量試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。