我国基础建设中预应力钢材应力腐蚀导致结构耐久性失效分析

应力腐蚀

多年来，我国的基础建设事业呈现出蓬勃发展的态势。更加成熟的新技术持续被应用到新的建设项目当中。为了提升构筑物的结构强度，预应力钢丝、预应力钢绞线以及预应力钢棒等预应力钢材被广泛运用在预应力混凝土结构中，这些预应力钢材能够起到调节结构预应力状态的作用。

随着时间不断推移，预应力筋遭受腐蚀破坏，这会致使混凝土结构或构件的耐久性失效，此类事故偶有发生。并且，其中很大一部分呈现出无任何征兆的脆性破坏情况，给相关方带来了严重的经济损失。为了找出其中的原因，从而能够采取积极的应对和防范措施，对不同的事故进行分析后，不难看出应力腐蚀在其中起着极为重要的作用。

应力腐蚀指的是材料、机械零件或构件在静应力（主要为拉应力）与腐蚀共同作用下会产生失效现象。一般认为存在阳极溶解和氢致开裂这两种情况。应力腐蚀通常会穿过晶粒，也就是所谓的穿晶腐蚀，它是由残余应力或者外加应力所导致的应变与腐蚀联合作用而引发的材料破坏过程。

发生机理

常见应力腐蚀的机理如下：零件或构件在应力以及腐蚀介质的共同作用下，其表面的氧化膜会被腐蚀从而遭到破坏。被破坏的表面会形成阳极，而未被破坏的表面则形成阴极。在阳极处，金属会转变为离子并被溶解，同时会产生电流流向阴极。因为阳极的面积比阴极的面积小很多，所以阳极的电流密度非常大，这会进一步腐蚀已经被破坏的表面。拉应力起作用后，破坏处开始逐渐形成裂纹。裂纹会随着时间的推移而逐渐扩展，直至发生断裂。这种裂纹既可以沿着金属晶粒边界进行发展，也能够穿过晶粒而发展。

条件因素

应力腐蚀的形成通常主要有以下三个方面的因素：一是存在一定的拉应力；二是金属自身对应力腐蚀具有敏感性；三是处于应力腐蚀环境中，其中包含温度、腐蚀性介质等。另外，还存在一些其他方面的因素，多种因素共同导致了应力腐蚀现象的发生。

破坏特征

应力腐蚀裂纹在与腐蚀介质接触的金属表面处首先产生，接着会从表面逐步向内部延伸，然而它不会引发明显的塑性变形。应力腐蚀裂纹的走向和所受的拉应力是垂直的。从表面来看，它呈现出直线状、树枝状以及放射状等多种形态。而深入到金属内部的应力腐蚀裂纹则成干枯的树根状。裂纹的断口属于典型的脆性断口。

应力腐蚀危害性极大。金属材料处于特定腐蚀环境时，若应力水平升高，破裂时间会缩短。由应力腐蚀引发的断裂，会在无明显宏观变形且无任何征兆的情况下发生，其破坏具有突发性。并且，应力腐蚀往往会深入金属内部，一旦出现应力腐蚀现象，就很难修复，甚至会使工程整体结构遭受致命破坏。

应力腐蚀试验

GB/T 21839-2019《预应力混凝土用钢材试验方法》规定，要检验预应力钢材在使用时的应力腐蚀情况，需采用硫氰酸盐溶液对预应力混凝土用钢材进行应力腐蚀试验，通过该试验来测定试样在处于一恒定拉力的状态下，浸在给定的恒定温度的硫氰酸盐溶液中，直到断裂所花费的时间。

试验时，有溶液 A 和溶液 B 这两种规定溶液可供选择。溶液 A 是高浓度的硫氰酸盐溶液，溶液 B 是低浓度的硫氰酸盐溶液。但要注意，这两种溶液给出的结果不具有互比性。具体选用哪种溶液，需依据产品标准来确定。

在具体过程里，要把按照方法要求制备好的试样从容器中穿过，接着把它放到机架中去加载试样，同时按照规定进行记录和力值确认。试验过程中必须保证试验溶液的温度满足要求，并且在加载完毕后立刻密封容器。当出现断裂情况（对于钢绞线就是钢丝断裂）或者达到规定时间时，试验就完成了，然后依据试验数据来计算最终结果。但是，如果试样的断裂是发生在测试长度以外，试验判定无效。

注意事项

5. 为确保试验结果的准确性，硫氰酸盐溶液应在搅拌均匀之后再使用。