應力腐蝕環境下錨桿損傷行為研究進展

王亞威, 于水生, 楊鴻豪, 陸書燦, 趙慶祥

(中原工學院 建筑工程學院, 河南 鄭州 450007)

21世紀是地下空間開發利用的世紀,向地球深部進軍已成為目前中國必須解決的戰略科技問題[1]。目前我國已加強地球探測和深部礦產勘探與開發等工作,目標是探測到10 000 m,煤礦將進入到1 000～1 500 m深度,金屬和有色金屬礦山將進入1 000～2 000 m深度開采。開發深度越來越深,地下工程也將面臨著更特殊復雜環境的挑戰,這也對地下工程支護結構的耐久性和長期穩定性提出了更高的要求[2-3]。錨固技術能夠通過對錨桿施加張拉力,達到穩固巖體的效果,充分發揮了巖土體自身的穩定性能,是一種對原巖擾動小、安全可靠、經濟高效的加固技術,被廣泛應用于地下工程中[4-5]。錨桿的使用壽命取決于其耐久性,而腐蝕是對耐久性最大的威脅[6]。錨桿在腐蝕介質與應力協同作用下便會發生應力腐蝕[7],材料、力學及腐蝕環境都可作為影響地下工程錨桿腐蝕的重要因素[8]。地下工程中錨桿錨固系統不僅受巷道圍巖淋水(尤其是酸性水)、各種金屬和非金屬離子等的作用,而且其往往處于密閉潮濕、永久浸泡、干濕交替的復雜環境,甚至是高溫、高濕環境的影響,這些環境因素可能會不斷地腐蝕錨固系統的各組成單元,進而影響錨固系統的錨固性能,產生腐蝕劣化,導致錨固系統的失效[9-18]。對錨固系統應力腐蝕開裂的報道最早出現在20世紀90年代,英國煤礦因錨桿的應力腐蝕發生了一系列頂板坍塌事故[19]。在過去的二十多年中,世界上多個煤礦因錨桿應力腐蝕導致錨桿錨固系統失效,進而發生事故,如澳大利亞新南威爾士的地下煤礦[20],以及河南焦作某煤礦內的錨桿均出現了不同程度地腐蝕[21],這表明錨桿應力腐蝕現象是一個普遍存在的問題,也是全世界地下工程中值得重視的問題。

針對錨桿中應力腐蝕問題,近年來,國內外學者借助理論分析、實驗測試、數值模擬等多種手段,對錨桿材料、受力情況、腐蝕環境等進行了有益探索。本文基于上述研究成果,主要從錨桿中應力腐蝕發生的機制和特征、影響因素和應力腐蝕對錨桿的損傷行為入手,論述在應力腐蝕環境下錨桿腐蝕劣化情況并展望其發展趨勢,為工程技術人員進行相關工程實踐提供參考。

1 應力腐蝕機制與特征

1.1 應力腐蝕機制

應力腐蝕是指材料在腐蝕介質與應力協同作用下發生的腐蝕開裂,腐蝕速率介于只有腐蝕介質作用下發生的均勻腐蝕和只有應力作用下發生的機械斷裂之間,按其作用機制可分為氫致開裂型和陽極溶解型兩種[22]。研究表明,氫致開裂型認為是陰極介質中的氫離子得到電子被還原成原子氫(2H++2e-→H2),析出氫氣并在裂紋尖端聚集,當達到一定濃度時在與應力協同作用下使材料開裂。陽極溶解型則認為是當陰極為吸氧反應或雖為析氫反應但釋放的氫氣并不能達到發生氫致開裂的臨界濃度,為陽極溶解型,腐蝕電池模型如圖1所示[23]。陽極金屬溶解,未溶解的部分便會在應力作用下產生應力集中現象,加速錨桿開裂,最終導致錨固體系的失效破壞。此外,應力腐蝕的發生還會導致錨桿在遠低于其抗拉強度時發生斷裂,破壞在極短時間內完成,危害極大。

圖1 預應力錨桿表面腐蝕電池[23]Fig.1 Corrosion cell on perstressed rock bolt surface[23]

1.2 應力腐蝕特征

地下工程中錨桿錨固系統在應力腐蝕作用下失效破壞,一般認為,腐蝕斷裂后錨桿應當滿足斷裂力學原理。圖2為錨桿應力腐蝕特征圖[24]。其中圖2(a)為從礦上收集的失效錨桿,可見主裂紋垂直于金屬絲的軸線并延伸到小于1 mm的深度,裂紋開始擴展然后偏轉并沿縱向擴展,這些斷裂表面輪廓由兩種不同的裂紋擴展模式(模式Ⅰ和模式Ⅱ)組成,如圖2(b)所示。斷裂裂紋路徑從模式I擴展演變,并通過相對平坦的區域向模式II擴展,在模式II擴展中,它沿著定向微結構偏轉。從亞臨界裂紋中觀察斷裂表面的SEM圖像,見圖2(c),這種現象發現在服役失效的電纜螺栓中。從亞臨界裂紋張開的斷裂面中觀察到兩個不同的區域即區域一和區域二,區域一在外觀上相對較暗且平坦,深度小于1 mm,而區域二與區域一相反,看起來是銀色且表面崎嶇不平,這些斷口形貌特征是應力腐蝕的特征[25-26],因此,應力腐蝕可大致分為兩個階段,即錨桿在應力腐蝕環境下首先萌生垂直于錨桿軸線的微裂紋,引起此處桿體的受力截面突變,產生應力集中現象,然后桿體裂紋在腐蝕介質和應力協同作用下迅速發展,最終錨桿被拉斷,形成具有一定特征的階梯式斷口。

(a) 失效錨桿 (b) 失效錨桿的斷裂剖面和斷裂模式 (c) 亞臨界裂紋斷裂面

2 應力腐蝕的影響因素

近年來不少國家發生過因錨桿腐蝕導致錨固系統失效的工程實例,因此,錨桿錨固結構耐久性問題受到國內外學者的重視。應力腐蝕作為錨桿腐蝕的一種,不同于普通的腐蝕,其腐蝕速度要比普通腐蝕快很多,而且,應力腐蝕的影響因素眾多,包括內部因素(錨桿防護系統的失效和雙金屬作用)和外部因素(地下水中的腐蝕介質和微生物作用)。

2.1 錨桿材料屬性

研究表明,錨桿的防護系統會在一定程度上降低錨桿腐蝕發生的概率及程度,因此,在實際工程中會對錨桿進行防腐處理[27-29]。目前,最常見的兩種錨桿防腐方法分別是隔離法和絕緣法。隔離法就是以錨桿與空氣和水進行隔離為理論基礎,然后實施注漿包裹、錨桿涂樹脂、鍍鋅和套管等防腐措施等[30]。采用其中一種措施的稱為單層防腐錨桿,采用其中兩種措施的稱為雙重防腐錨桿,采用3種及以上措施的稱為多重防腐錨桿,研究表明,多重防腐錨桿具有防腐的優越性[31]。因此,防腐材料可以通過隔離錨桿與腐蝕介質來抑制腐蝕的發生,這也為錨桿防護系統的優化與研發提供了經驗。

材料屬性對錨桿的腐蝕會產生一定的影響,特別是腐蝕環境下的雙金屬作用。眾多學者[32-34]研究表明:錨桿化學成分和夾雜物的不同都會對錨桿應力腐蝕產生一定程度的敏感性。如圖3所示,不同材料表現出不同的應力腐蝕敏感性,且當發生腐蝕時,有雜質的金屬比無雜質的金屬會更容易產生應力腐蝕開裂[34]。另外,錨桿的強度和韌性也會對應力腐蝕產生一定的影響[35],韌性低的錨桿在發生應力腐蝕時情況會更明顯,因此應用高強度、高韌性的錨桿可以在一定程度上抑制應力腐蝕的發生。腐蝕作用也會對材料的韌性產生一定的影響,在腐蝕介質相同時,腐蝕時間越長,材料的塑性就越低,脆性也會隨著腐蝕時間的長短而發生相應的變化[36]。

圖3 錨桿的應力腐蝕敏感性[34]Fig.3 Stress corrosion sensitivity of the rock bolt[34]

在深部開采過程中由于要考慮到成本高低、施工難易等諸多因素,不少國家和地區在支護工程中主要采用的還是金屬錨桿,這就需要選用無雜質、高韌性的材料來抑制應力腐蝕的發生,以及新型錨桿的選用,如玻璃鋼(GFRP)錨桿、碳纖維(CFRP)錨桿以及玄武巖纖維(BFRP)錨桿等等,均可在一定程度上抑制應力腐蝕的發生。

2.2 應力

應力的存在會加速腐蝕環境下錨桿錨固結構中錨桿的腐蝕,但當錨桿受應力或腐蝕介質單一條件影響時,錨桿的腐蝕速率很微弱,因此,作用于錨桿錨固結構上的應力是導致腐蝕開裂發生的直接影響因素之一。朱杰兵等[13]開展了室內腐蝕環境下錨桿浸泡腐蝕試驗,來驗證腐蝕環境中錨固結構腐蝕損傷發展規律,結果表明,與無應力相比,應力的存在會明顯加速錨桿的腐蝕,且呈現出不均勻腐蝕特征。貢金鑫等[37]通過靜動力試驗測定了不同環境中錨桿腐蝕電位的變化,得出應力對錨桿的腐蝕具有一定的促進作用,施加應力較不施加應力的腐蝕過程快,且應力水平越高促進作用越明顯,并認為應力的存在能加快電化學的進程。馮興國等[38]通過對錨桿試樣施加大小不同的拉應力和壓應力,測量其開路電位、交流阻抗以及腐蝕電流密度等,得出錨桿的腐蝕程度隨應力水平的增大而增大,并認為應力促進錨桿腐蝕開裂的主要原因是破壞錨桿與混凝土界面,降低錨桿的極化電阻,且在相同應力水平下,壓應力較拉應力能夠更明顯地降低錨桿與混凝土界面極化電阻,所以壓應力較拉應力能夠更明顯的加劇錨桿腐蝕。李聰等[39]通過在室內腐蝕環境下開展錨桿加速腐蝕試驗,認為在同一腐蝕條件下,材料的應力水平越高,腐蝕程度會越明顯。并且在70%應力水平下腐蝕試件的單位長度腐蝕量為無應力條件下腐蝕量的1.42倍,斷裂荷載減少量與伸長率損失率均超過無應力條件下的2倍,應力與錨桿單位長度腐蝕量的關系如圖4所示[13,39]。趙健等[40]通過對比室內模擬試驗和現場取樣測試的結果,認為應力的存在會對錨桿腐蝕速度有促進作用,應力越大時,這種作用也就越明顯。

圖4 應力與錨桿單位長度腐蝕量的關系[13,39]Fig.4 The relationship between stress and corrosion per unit length[13,39]

目前,國內外學者對錨桿在一般腐蝕環境下地腐蝕研究比較充分,但對應力腐蝕環境下錨桿腐蝕的研究則相對較少。因此,在應力腐蝕環境中,應力與腐蝕介質協同作用下,錨桿的腐蝕機制仍然是一個具有挑戰性的問題。

2.3 空氣環境

隨著開采深度以及強度的不斷增加,錨桿錨固結構面臨的地質條件也更加復雜,如高地溫、高水壓等等,研究表明,腐蝕介質和氣體環境會在一定程度上影響錨桿錨固結構地腐蝕,目前,溫度、濕度和氧氣濃度等對錨桿錨固結構腐蝕影響地研究比較完善。豐亮東等[41]通過采用慢應變拉伸的方法研究了溫度對錨桿應力腐蝕敏感性的影響,認為溫度會加速氫原子地擴散速度,催化材料腐蝕,且溫度較低時以陽極溶解型為主,溫度較高時以氫致開裂型為主。此外,較高溫度會增大應力腐蝕敏感電位范圍,使敏感電位范圍負移,錨桿應力腐蝕敏感性也會隨溫度升高而升高,溫度過高時上升幅度較小,但在不同溫度下變化趨勢卻是保持一致的[42]。左勇志等[43]通過研究不同溫度對碳化引起的錨桿腐蝕的影響進行對比和分析,認為溫度和濕度對錨桿腐蝕的影響存在耦合關系,并根據研究成果擬合了溫度對錨桿腐蝕的單一影響系數。因此,溫度和濕度的協同作用會對錨桿地腐蝕有一定地促進作用,對應力腐蝕環境下錨桿地腐蝕也會有一定的影響,但溫度和濕度的協同作用研究較少,今后可進行深入研究。

一般認為,地下環境中的氧氣對錨桿錨固結構地腐蝕會隨著氧氣濃度的不同而變化。王小偉等[12]通過室內加速腐蝕試驗,運用電化學分析錨桿的腐蝕損傷行為,并建立了一種應用于酸性通氧環境下地腐蝕電流密度時變模型,得出在應力水平相同的酸性腐蝕環境下,隨著氧氣濃度增大,錨桿腐蝕程度先加劇后趨于穩定,并沒有減弱跡象,如圖5所示。這是由于當氧氣濃度增大到一定程度時,腐蝕液中溶解的氧氣趨于飽和,加快通氧速率并不能使得陽極更快反應,過多的氧氣溢出腐蝕池。朱杰兵等[13]通過室內腐蝕試驗,進行電化學測試和錨桿局部應變監測,并探討不同氧氣濃度下錨筋的局部應變發展規律,得出氧氣對于錨桿腐蝕起著很大地促進作用,當通氧速率達到0.04 L/min時,腐蝕電流密度可提升4.4～10.6倍。隨著氧氣濃度的增大,錨桿腐蝕速率并不是單調增加,而是先增大后減小,存在一個最不利含氧量,此時腐蝕速率達到極值,低于和超過此值時腐蝕速率都會降低[44]。室內加速腐蝕試驗雖然有很好地加速腐蝕效果,但其與實際腐蝕環境的相關性較差,比如,不同環境的溫度、濕度和氧氣濃度等都不相同。因此,可通過對試件進行預處理,更好的模擬實際腐蝕環境。

圖5 通氧速率對單位長度腐蝕量的影響[12]Fig.5 Effect of fluoxygen rate on corrosion per unit length [12]

2.4 地下水成分

地下環境中常見的侵蝕性陰離子包括HCO3-、CO32-、SO22-和Cl-等。對普通碳鋼而言,SO22-地腐蝕一般表現為不均勻性的全面或局部腐蝕,而Cl-常表現為局部強烈的孔蝕[14,45],孔蝕發生的隨機性、離散性大,較難觀察和測量,氯鹽誘導腐蝕模型如圖6所示[46]。另外,相關研究表明[47],腐蝕介質的濃度也會影響錨桿的應力腐蝕程度,當腐蝕介質的濃度比較低時,隨著濃度的增大,錨桿應力腐蝕程度逐漸增大。當腐蝕介質濃度增大到極值時,應力腐蝕程度又會隨著腐蝕介質濃度的升高而降低[48]。因此,腐蝕介質濃度對桿體的應力腐蝕存在一個閾值,超過此值時,腐蝕介質便會在一定程度上抑制應力腐蝕發生。

圖6 氯鹽誘導腐蝕模型[46]Fig.6 Chlorine-induced corrosion mode[46]

地下工程中錨桿錨固結構的腐蝕與地下水的pH值密切相關,一般認為,酸性環境下錨桿腐蝕速率明顯大于堿性環境,酸性越大,錨桿腐蝕速度也越大,腐蝕速率和程度隨pH值增大而降低[49]。酸性環境下錨桿應力腐蝕程度遠遠嚴重于中堿性環境,堿性環境下錨桿應力腐蝕不明顯,并且在酸性環境中,pH值是影響腐蝕程度的關鍵因素[50-51]。另外,李英勇等[52]通過錨桿的室內加速腐蝕試驗,得到其在腐蝕介質作用下的外觀發展規律,并指出在pH值≤4時,溶液中的錨桿試樣出現了應力腐蝕破壞,而所有置于pH值=5溶液中的試樣在觀察一個月后均未失效,因此認為應力腐蝕開裂只發生在高酸性環境中。弱酸性環境下會發生氧的去極化腐蝕[53],應力腐蝕程度與氧氣含量有關。因此,pH值越低腐蝕程度越高,并且有氧氣存在時腐蝕程度會更明顯,無氧氣在酸性環境下錨桿也不容易發生腐蝕。近年來,也有相關學者做了pH值與氧氣協同作用對錨桿腐蝕的影響。

2.5 微生物

微生物腐蝕是指微生物的自身生命活動及其代謝產物直接或間接地加速金屬材料腐蝕的過程[54]。最典型的便是有氧環境下的鐵氧化細菌(IOB)和無氧環境下的厭氧硫酸鹽還原菌(SRB)[55]。SRB能夠氧化硫或還原硫酸鹽形成游離硫酸,這些細菌可以通過生物膜的形成產生高度局部化的腐蝕環境,生物膜在pH值、溶解氧(DO)以及有機和無機化學物質方面與單一化學介質有顯著不同[56]。另外,被這種生物侵襲的區域可能具有低至2～4的局部pH值[57]。因此,在實際工程中尤其是地下工程SRB和IOB都是不可忽略的影響因素,但在實驗室中對這兩種因素的考慮比較少,不能很好的模擬發生應力腐蝕時的腐蝕環境,導致試驗結果與實際結果有出入。所以如何模擬出更為精確的腐蝕環境,得到更吻合實際的結果,將會是今后的研究重點,因此微生物對錨桿應力腐蝕的影響也將是未來一個重要的研究方向。

3 物理力學損傷

3.1 物理損傷

腐蝕的發生會降低錨桿的耐久性,進而影響錨桿的使用壽命,而應力腐蝕因其腐蝕速率大,危害也更大,所以近年來受到了廣泛的關注[58-59]。如圖7所示,應力腐蝕地發生會使錨桿表面失去金屬光澤,表面暗淡無光,并發生坑蝕,隨著腐蝕程度的增大錨桿表面的腐蝕坑越明顯[21]。李聰等[39]從試驗結果出發,分析了pH值、供氧水平、應力水平以及腐蝕時間等因素對錨筋腐蝕外觀及單位長度損失率的影響規律,得出pH值越小、腐蝕時間越長錨桿的腐蝕外觀和單位長度損失率便會越嚴重,并且與無應力狀態相比,應力會加劇筋材地腐蝕。張勇等[60]采用半電池電位法和線性極化法模擬了錨桿銹蝕試驗,并指出有應力比無應力狀態下腐蝕速率快,并隨著時間地推移,兩者的腐蝕速率差將加大?？傮w而言,應力能夠明顯加快錨桿的腐蝕速率,并且錨桿質量損傷百分比也會隨著應力腐蝕程度的增大而增大[61]。因此,應力腐蝕對錨桿的物理損傷表現為:隨著腐蝕程度的增大,錨桿表面失去金屬光澤、暗淡無光的現象越明顯;錨桿的質量損失也隨著腐蝕程度的增大而增大。

(a) 輕度腐蝕

3.2 力學損失

研究表明,應力腐蝕通過影響錨桿的極限伸長率、極限抗拉載荷和極限承載力等直接或間接的影響錨桿的使用壽命。一般認為應力腐蝕對極限伸長率、極限抗拉載荷隨腐蝕環境的不同都會有不同程度的降低[62-63]。另外,朱街祿等[64]通過錨桿的抗酸蝕性試驗研究了酸腐蝕對錨桿彈性模量、延伸率以及抗拉強度等性能的影響,如圖8所示。在同一應力腐蝕水平下,極限伸長率損失率最大,彈性模量損失率次之,而極限承載力損失率最小,并且隨著應力水平的增大和腐蝕時間的延長,錨桿極限承載力和極限伸長率的損失率都急劇加倍增大。此外,有學者[65-67]認為在應力腐蝕過程中,坑狀銹蝕的銹坑附近會產生明顯的應力集中,引起錨桿局部提前屈服,這是腐蝕錨桿屈服強度與延伸率減少的主要原因。因此,應力腐蝕對錨桿的力學損失表現為:隨著應力腐蝕水平的增大,錨桿的極限伸長率、極限抗拉強度和彈性模量都會有不同程度的下降,所以,應力腐蝕是導致錨桿錨固結構加速失效的主要原因。

圖8 錨桿力學性能損失率[64]Fig.8 Loss rate of rock bolt mechanical properties [64]

4 結論與展望

應力腐蝕因其腐蝕速率大,導致錨桿快速失效,已成為地下工程錨桿錨固結構耐久性的最大威脅之一,本文通過梳理應力腐蝕對預應力錨桿損傷行為的研究進展,總結如下:

(1) 應力腐蝕的發生會受到錨桿本身的材料屬性、應力水平的大小,以及環境中的溫度、濕度、氧氣含量、pH值和微生物等諸多因素的影響,并且隨著腐蝕程度的增大錨桿的物理力學損傷也會加劇。

(2) 應力腐蝕對預應力錨桿的物理力學損傷表現為錨桿表面失去金屬光澤,并伴隨著坑蝕現象,預應力錨桿的質量損傷百分比也隨著應力腐蝕程度的增大而增大,以及預應力錨桿的極限伸長率、極限抗拉荷載以及彈性模量等力學性能的損失率都會隨著腐蝕程度的增大而增大。

(3) 應力腐蝕發生時主裂紋垂直于錨桿軸線,并大致沿著階梯型發展,這種階梯式的斷口形貌特征一般認為是應力腐蝕的特征。

另外,如何在室內模擬與實際環境相近的試驗環境,得出與實際情況相符的試驗結果是近年來的研究重點。為了更好地研究應力腐蝕對錨桿錨固結構的腐蝕機理,以及目前國內外對應力腐蝕的研究進展,提出以下幾點展望:

(1) 目前國內外學者對單一因素影響應力腐蝕的研究比較多,但對多個因素協同作用影響應力腐蝕地研究比較少,可考慮多因素共同影響。

(2) 通過加速腐蝕試驗來研究錨桿的應力腐蝕,腐蝕溶液配置過程中忽略了微生物對應力腐蝕的影響。因此可通過對發生應力腐蝕礦址中的地下水進行化學成分分析,得到其主要的化學成分,以配置更接近于實際環境的腐蝕溶液。

(3) 采用快速腐蝕試驗對錨桿進行腐蝕,但腐蝕池中的腐蝕溶液多為靜止的,與實際環境不符。因此可通過循環系統使腐蝕池里的溶液流動起來,以更好地模擬實際環境中的地下水溶液。