高边坡预应力锚固结构腐蚀损伤与诊断研究进展

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(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)

1 研究背景

随着国民经济的发展，大量交通、水利水电、能源等设施的修建，特别是高陡边坡建设中，以往的普通锚固措施已不能满足工程需要。预应力岩土锚固结构具有稳定、高效、经济、安全等优点，在高陡边坡、坝体、深基坑等大型岩土工程中得到了广泛应用[1]。预应力锚固结构绝非“一劳永逸”，对于埋置在复杂岩土环境中的锚固体，影响其使用寿命的最大威胁便是腐蚀[2]。预应力锚杆(索)在经历较长时间服役后会因电化学腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀以及坡体蠕变等综合因素发生结构损伤或失效，导致边坡稳定性不断退化，甚至造成工程灾害，直接威胁到人民的生命财产安全。

目前国内外因锚固结构腐蚀损伤而产生边坡工程破坏的案例屡见不鲜：我国于1964年在安徽梅山水库首次使用预应力锚索，锚索使用6～8 a后发现部分钢丝因应力腐蚀及氢脆发生断裂；台湾省基隆市附近的“北二高”高速公路一侧边坡由于锚固结构自由段应力腐蚀失效诱发了严重的山体崩滑灾害[3]；美国某处锚固挡土墙结构仅运行6周就出现失稳，究其原因是自由段未加保护，发生应力腐蚀断裂；1986年国际预应力协会(FIP)地锚工作小组统计世界各地35例锚杆破坏实例，其中锚杆断裂部位多位于锚头和自由段处[4]。

现有文献表明国内外学者对锚杆腐蚀研究已取得较为丰富的研究成果，特别是在室内试验研究腐蚀锚杆性能退化方面[5-8]。本文从预应力锚固结构腐蚀损伤机理与影响因素、不均匀腐蚀行为、缺陷预应力锚固结构性能退化规律及腐蚀评估与健康诊断4个方面综述国内外研究成果和进展，分析目前预应力锚固结构腐蚀耐久性研究中存在的主要问题，并分别从上述4个方面对高边坡预应力锚固结构耐久性研究的发展趋势进行了展望。

2 研究进展

预应力锚杆(索)腐蚀研究在我国起步较晚，1985年7月—1987年7月总参工程兵科研三所开展了“砂浆锚杆的腐蚀与防护研究”，随后锚杆(索)耐久性研究才逐渐引起国内学者的重视。目前国内外学者主要借鉴混凝土结构中钢筋腐蚀研究方法，通过腐蚀液浸泡、干湿循环、冻融等试验方式，基于物理力学试验、电化学测试、电镜扫描(SEM)、光纤光栅、声发射(AE)等手段，从宏观与细微观角度、定量定性地探究多种腐蚀因素下钢筋的腐蚀损伤机制与性能退化规律，并对钢筋腐蚀程度、腐蚀速率进行监测与评估。下面从预应力锚固结构腐蚀机理与影响因素出发，主要对不均匀腐蚀行为、锚固结构性能退化规律及腐蚀评估与健康诊断展开较为系统的总结与分析。

2.1 预应力锚固结构腐蚀损伤机理与影响因素

2.1.1 预应力锚固结构腐蚀损伤机理

在恶劣的岩土环境下，预应力锚杆(索)主要表现为电化学腐蚀，即产生腐蚀电池，阳极区金属溶解成Fe2+，阴极区O2获得电子生成OH-，Fe2+与OH-结合并被氧化产生铁锈，如图1所示。

图1 预应力锚杆表面腐蚀电池Fig.1 Corrosion cell on prestressed rock bolt surface

此外，预应力锚杆(索)长期处于高拉应力状态，筋材表面不可避免地出现些许细微裂缝，为腐蚀介质提供侵入通道；随着腐蚀介质不断深入裂缝，最终锚杆产生应力、腐蚀协同致裂，即应力腐蚀开裂(stress corrosion cracking, SCC)。关于应力腐蚀的微观机理，目前主要有阳极溶解与氢致开裂2种解释[9]。阳极溶解理论认为应力破坏了钢筋表面保护膜，形成局部阳极区，腐蚀在阳极区内加速进行，并与应力协同作用导致钢筋断裂，这种情况下阴极发生吸氧反应。若阴极发生析氢反应，析出的氢进入钢筋，并在裂纹尖端聚集形成氢分子，此时氢气具有很强的压力，锚杆裂纹尖端应力集中，进而出现氢致开裂；而即使锚杆(索)所处环境为中性甚至碱性，由于“闭塞电池”的产生，锚杆(索)裂纹尖端为了保持局部电位平衡也会发生析氢反应[10]。

2.1.2 预应力锚杆(索)腐蚀影响因素

施工缺陷以及岩土环境中的高应力、电化学介质、土体蠕变等加速了预应力锚固结构的腐蚀损伤甚至失效，腐蚀因素对锚杆(索)的耐久性影响已获得广泛关注。朱杰兵等[6]通过在室内开展预应力锚筋浸泡腐蚀试验及力学性能试验，分析了预应力、pH值、O2浓度对锚筋力学性能及腐蚀速率的影响，指出O2显著促进了预应力锚筋腐蚀，通过电化学测试中腐蚀电流密度比较了预应力钢筋与无预应力锚筋的腐蚀速率。Li等[8]以锚杆周围Cl-浓度和孔隙水饱和度为研究变量，基于Hill方程建立了瞬时腐蚀速率模型、受拉承载力退化模型，较为系统地研究了Cl-对锚固段的侵蚀过程。任爱武等[11]更是比较了5种不同浓度Cl-下服役20 a预应力锚索的耐久性，表明长期处于密闭环境中的钢绞线保持活化激活状态，不能形成钝化膜。陈妤[12]试验研究了氯盐和冻融循环条件下预应力混凝土构件的耐久性，综合考虑预应力混凝土中Cl-扩散的影响因素，建立了Cl-二维扩散齐次模型。朱尔玉等[13]通过模拟酸雨环境(主要含SO42-)加速预应力体系腐蚀，研究了钢绞线、锚具和波纹管等的腐蚀深度及力学性能变化规律。

以上分析锚固结构腐蚀影响因素时，将锚杆(索)与岩土体孤立开来，很少考虑两者的耦合作用，为此谢璨等[14]考虑土体渗透作用，研究了土体蠕变与预应力钢索锚固力之间的三维本构关系，从流变角度探讨了锚固力松弛行为；而从电化学与渗流场耦合角度出发，有关渗流场下的侵蚀性离子迁移、扩散机制及锚杆(索)表面钝化行为、电化学阻抗行为等尚未见报导，该种工况又是预应力锚固结构所处环境常见情形，必然与静止腐蚀液中有所不同，即渗流场下预应力锚杆(索)腐蚀机制发生很大变化。已有研究表明，流动海水中钢筋腐蚀速率比静止海水几乎要高出1倍[15]，因此综合考虑物理、化学与渗流环境耦合的预应力锚杆(索)腐蚀损伤机制显得尤为重要。

2.2 预应力锚固结构不均匀腐蚀行为

不均匀腐蚀是“攻弱致死”的腐蚀破坏。相比均匀腐蚀，不均匀腐蚀迅速、难以预测、发生频率高，不容忽视。由于灌浆不足、灌浆体开裂等原因，在砂浆/锚筋界面会形成少量非密实区，其中包含不连续狭缝或细孔等缺陷，在此低密度区域，含水率高、水分迁移自由，导致缺陷处容易发生点蚀、坑蚀；在蚀坑内部，几何形状的局限性及腐蚀产物的不断覆盖堆积导致腐蚀介质难以扩散，进而形成具备局部平衡的“闭塞电池”，不均匀腐蚀程度得以加剧；同时锈胀力导致砂浆缺陷进一步发展，促进锚固结构不均匀腐蚀。

2.2.1 Cl-对不均匀腐蚀的影响机制

Cl-是造成不均匀腐蚀的“罪魁祸首”，其穿透力非常强且易形成强酸溶解金属表面某些较为脆弱的钝化膜，一旦钝化膜被破坏，露出的新鲜表层与其周围完好的钝化膜区形成电位差，即形成“活化-钝化”腐蚀电池；其次，Cl-将阳极产物及时搬走，加速电池作用却不被消耗，去极化效果显著，蚀坑不断向内部延伸。Cl-在混凝土中的迁移扩散机制对分析钢筋不均匀腐蚀的促进机理意义重大，为此国内外学者基于Fick第二扩散定律(式(1))提出了考虑扩散深度、Cl-结合能力、浓度随时间变化、温度以及混凝土结构缺陷等因素的扩散模型[16-18]，即

(1)

式中：c为距离混凝土表面x处混凝土内部的Cl-浓度；De为有效扩散系数；t为时间。

Fick第二扩散定律描述了一种稳态扩散过程，注浆体的耐腐蚀性是内锚固段耐久性研究的重要一环，砂浆包裹体的组成介质不同于混凝土结构，所处环境也与混凝土结构有很大差别，保护层密实度、含水率及应力环境均会影响钢筋表面自由Cl-浓度；左国望等[19]探究了混凝土构件裂缝宽度与Cl-含量的关系，指出Cl-扩散系数随裂缝宽度呈三次函数增加，在变化荷载作用下，注浆体及周围岩体产生裂隙，为腐蚀性离子提供通道，预应力锚固结构-围岩协调工作状态将受到破坏；而长远来看，随着腐蚀层的变厚，气体及侵蚀性离子扩散性会变差[20]，因此离子扩散问题显得极其复杂。笔者认为研究Cl-在预应力锚固结构中的迁移扩散应考虑以下3个方面问题：①砂浆保护层厚度、级配及水灰比对Cl-扩散的影响机制；②循环荷载作用下保护层裂纹扩展与Cl-临界浓度关系；③含缺陷预应力锚固体裂纹概率分布与Cl-扩散系数的确定。

2.2.2 坑蚀的相关研究

坑蚀作为不均匀腐蚀中最典型的腐蚀形式，其外观几何尺寸的精确测量与分布特征、锈蚀钢筋力学性能退化过程中蚀坑的演化规律、局部效应及监测方法是当前研究热点[21-25]。钢筋最终破坏由钢筋表面蚀坑最大腐蚀深度ymax所控制，该深度可看作关于时间的函数[26]，目前主要根据经验公式来计算，即

ymax=A(t-t0)b。

(2)

式中：A为比例系数；t0为腐蚀开始时间；b为幂指数系数。A，b作为回归系数可以通过考虑多种腐蚀因素的室内试验统计数据确定，该模型可预测钢筋表面某一位置在未来任意时刻的腐蚀程度。

然而经验公式只能定性地估计腐蚀程度，直观、准确地描述蚀坑几何形状与分布特征，对了解坑蚀力学效应至关重要。Fernandez等[27]利用3D光学测量技术获得了在循环、单调荷载作用下人工锈蚀钢筋的外部几何形状，并基于三维扫描结果建立了3D有限元模型，研究了锈蚀钢筋力学性能变化过程中蚀坑的破坏过程。董泽华研究团队[25,28]专注于通过电化学方法研究点蚀抑制行为，探究了可用于定量表征腐蚀不均匀特征的手段。

锚固结构自身存在预应力，且赋存于复杂环境中，其局部腐蚀的发生发展过程与普通钢筋不同。在加载情况下，点蚀的生长不只是由电化学腐蚀所决定，力学载荷和电化学的交互作用也促进点蚀的生长。至今对预应力锚筋/砂浆复杂界面处点蚀发生发展过程以及腐蚀产物对点蚀形核和生长影响机制的研究较少。因此，探讨侵蚀性粒子在界面非连续液层内的迁移、竞争吸附行为及力学与电化学交互作用下锚筋表面亚稳态点蚀萌发、生长动力学过程，分析受力条件下蚀坑内溶液pH值、离子扩散、盐膜、钝化膜破损对点蚀生长的影响具有重要意义。

2.3 腐蚀条件下缺陷预应力锚固结构的性能退化

高边坡中预应力锚固结构的腐蚀通常发生于灌浆不足、灌浆体裂缝等部位，随着锈胀力导致砂浆缺陷发展，锚固结构的性能会急剧下降，主要体现在筋材强度损伤和粘结性能劣化导致的锚固力损失。

李聪等[29]通过室内加速腐蚀试验探究了钢筋腐蚀后断裂荷载随pH值和应力水平的变化规律，指出pH值越小，断裂荷载减小越明显。单从钢筋腐蚀角度研究预应力锚固结构性能退化并不科学，而应该综合考虑砂浆保护层与锚筋的协同机制。腐蚀后预应力锚固结构从微裂纹形成到完全开裂过程中，界面脱粘机理、预应力损失规律与锈胀机理是研究锚固性能退化的关键。

图2 保护层均匀锈胀模型Fig.2 Uniform corrosion models of protection layer

在研究保护层锈蚀损伤时，多数学者将其视为同心圆柱体(图2)。郑建军等[30]认为保护层历经弹性变形和部分开裂2个阶段，弹性变形阶段的保护层可看作各向同性弹性体，开裂区保护层看作是正交各向异性弹性体，从而计算开裂柱体中各点的位移和应力。刘荣桂等[31]基于双剪强度准则，对均匀锈胀开裂过程进行弹塑性分析，建立了均匀锈胀厚壁圆筒模型，认为当塑性区半径达到混凝土内裂缝最大值时，保护层锈胀开裂，从而获得了临界钢筋锈蚀率。锈胀开裂并非均匀分布，如何通过锈蚀后锚筋表面形态特征及腐蚀产物推进到保护层不均匀胀裂值得研究。

锈蚀体积膨胀引发裂缝，降低了锚筋与保护层之间的粘结力，锈胀开裂时的标志即临界锈蚀量的确定是首要解决问题。李永和等[32]基于Faraday定律(式(3))建立了预测锚杆锈蚀量的数学模型(式(4))，为锚固结构腐蚀评估提供了数学支撑。由Faraday定律可知，钢筋锈蚀质量与腐蚀电流密度有关，即

(3)

式中：Δm在时间t内腐蚀损失的质量；icorr为腐蚀电流密度；A为电化学测试的锚索表面积；M为铁的摩尔质量；t为腐蚀时间；n为铁腐蚀损失电子数；F法为法拉第常数。

Qt(tcr)=Qcr。

(4)

式中：tcr为锈蚀开裂时间；Qcr为喷射混凝土保护层开裂时的锈蚀量；Qt为随时间t变化的锈蚀质量损失。

夏宁[33]通过建立锚杆不均匀锈蚀的动态轮廓线模型模拟了锈胀开裂过程，确定了临界锈蚀量。赵羽习等[34]研究了钢筋锈胀腐蚀机理，建立了一系列钢筋锈蚀深度计算模型，确定了锈胀开裂时间，并指出钢筋混凝土界面粘结强度的大幅降低比钢筋横截面的减少更加危险。

Maaddawy等[35]通过考察锈蚀产物造成的钢筋质量损失和径向力之间的关系建立了从开始腐蚀到腐蚀开裂的时变模型。李富民等[36]探讨了腐蚀钢绞线与混凝土长期粘结蠕变性能的关系，得到了预应力下粘结滑移时变曲线，分析认为腐蚀引起锈胀开裂前后粘结强度存在明显差异，开裂前粘结强度增大，开裂后粘结强度退化，然而预应力以及锚固承载力并不会因长期粘结蠕变而损失。

因此，判断缺陷预应力锚固结构锈胀开裂的响应信号，研究锈蚀胀裂发展过程与形貌特征，分析锈胀力时变规律，建立锚固体不均匀锈胀模型是必须进行的课题。通过开展锚固体拉拔试验，研究锈胀对锚固体粘结性能的影响对深入探究腐蚀后预应力锚固体性能退化具有深远意义。

2.4 预应力锚固结构腐蚀评估与健康诊断

从定性与定量的角度分析预应力锚固结构的腐蚀程度有助于客观地评估结构耐久性、预测其剩余寿命，腐蚀指标的确定和评估方法的适当选取是腐蚀评估的关键。预应力锚固结构在服役过程中，采用精确、高效的手段对其进行健康诊断是当今研究的热点之一。

2.4.1 腐蚀评估指标

评估指标的合理选取意味着更精确地评判腐蚀损伤程度，从而为预测工程突然破坏取得先机，防患于未然。当前，腐蚀评估指标主要如表1所示。

表1腐蚀评估指标及其适用性
Table1Corrosionevaluationindicatorsandapplicability

腐蚀评估指标平均腐蚀速率瞬时腐蚀速率腐蚀程度质量损失率√×√变形特征××√最大腐蚀深度××√保护层裂缝宽度××√力学指标(断裂荷载、伸长率、弹性模量、抗压强度、极限抗拔力)××√腐蚀电流密度×√√

注：√ 表示适用，× 表示不适用

可见所有指标都可以用作评估腐蚀程度，然而这只是定性估计，况且多数指标并不能反映钢筋瞬时腐蚀速率，对预应力锚固结构的腐蚀评估带来一定困难。Zhu等[37]基于线性偏振原理得出腐蚀电流密度，对钢筋腐蚀率做出评估，结果如表2所示。

表2 钢筋腐蚀状态与腐蚀电流密度关系[37]Table 2 Relation between corrosion current densityand steel corrosion status[37]

2.4.2 腐蚀评估方法

影响腐蚀评估的因素十分众多，且相互之间的关系并不明确，加之结构损伤程度的判定具有随机性和模糊性，于是将钢筋腐蚀看作是一种关于时间与空间的概率性质的随机场问题是合理的。王晓舟[38]基于现有等级模糊综合评判理论，提出了多层次混凝土耐久性评估模型。陈奕奇等[39]将物元分析理论引入层次分析法，建立岩土锚固结构腐蚀程度的多层次评估模型。

2.4.3 锚固结构健康诊断手段

电化学方法、声波法正发展成为锚固结构腐蚀诊断的重要手段。董泽华等[25]通过应用丝束电极(WBE)与电化学阻抗谱(EIS)研究碳化混凝土腐蚀液中碳钢局部腐蚀特征，指出EIS难以反映局部腐蚀在空间上的不均匀性，而基于电位/电流扫描技术的局部腐蚀因子(localized corrosion factor, LF)可以定量表征腐蚀不均匀性。方灵毅[40]应用电阻法测定锚筋的腐蚀速度和材料厚度变化，通过理论分析与现场试验比较证明该方法是可行性的。 Ramadan等[41]利用电化学测量、电镜扫描(SEM)及声发射(AE)技术研究了浸泡于Cl-,SO42-,SCN-混合腐蚀液中的预应力混凝土结构中高强度筋的SCC行为，并通过声波记录下从裂纹萌生到裂纹扩展再到钢筋断裂的整个过程。Aggelis等[42]通过对预应力锚索锚头部的弹性波进行数值模拟，提出了一种快速的钢绞线预应力无损监测方法。

采用质量与几何指标描述锚固结构腐蚀程度破坏了预应力锚固结构，使得试验结果存在较大偏差，精确度低；电化学测试可以测定材料瞬时腐蚀速率，然而较难反映局部腐蚀在空间上的不均匀性。因此，采用合理的指标与手段有效地评估预应力锚固结构耐久性，实时作出健康诊断显得尤为重要。

3 结论与展望

本文对预应力锚固结构腐蚀损伤和健康诊断研究现状进行了概括，归纳了预应力锚固结构腐蚀损伤的关键科学问题，包括：腐蚀要素与力学要素联合作用下预应力锚筋的损伤机制与失效机理，腐蚀条件下缺陷预应力锚固结构性能退化规律，以及预应力锚固结构腐蚀损伤诊断与评估方法。

预应力岩土锚固结构腐蚀损伤与健康诊断研究理论体系并不完整，试验内容相对比较丰富。已取得成果大部分是建立在普通钢筋混凝土层面上考虑问题，而造成锚固类结构腐蚀的环境是岩土介质及地下水中的侵蚀介质、双金属作用以及地层中的杂散电流，不能将预应力锚固结构腐蚀损伤与普通钢筋混凝土结构等同。为此，笔者认为主要可归结为以下5个方面作为进一步工作来展开研究：

(1) 预应力对锚固结构的腐蚀影响不容忽视，探究多因素模拟环境(特别是渗流环境)下的预应力锚固结构腐蚀损伤机制是全面分析预应力锚固系统耐久性的基石，必须紧贴工程实际。

(2)侵蚀性离子的迁移、扩散机制与锈胀开裂过程密切相关，影响离子扩散的因素众多，探究离子扩散与保护层裂隙特征之间的关系有助于了解锚筋表面的腐蚀行为。

(3) 微观角度研究预应力锚筋/砂浆复杂界面处点蚀发生发展过程及腐蚀产物对点蚀形核和生长影响机制不仅需要先进设备支撑，更需要电化学理论解释，分析受力条件下蚀坑内溶液pH值、离子扩散、盐膜、钝化膜破损对点蚀生长的影响目前来看是一大难题。

(4)含缺陷预应力锚固结构在围岩约束及变化荷载作用下发生不均匀腐蚀后，锚固体粘结强度变化规律直接反映系统安全性，拉拔过程中锚筋强度衰减及其对围岩加固作用的弱化值得深入探讨。

(5)当今用于对预应力锚固结构腐蚀评估的指标鱼龙混杂，适用瞬时腐蚀速率的方法少之又少，多年服役后，预应力锚固结构腐蚀程度该用哪种指标评价、何种手段监测是预测预应力锚固结构剩余寿命的又一难题。

(编辑：刘运飞)