美国陆军工程师用纤维聚合物修复腐蚀钢材时发现了什么

事实上，美国国家腐蚀工程师协会估计，2013年全球每年因腐蚀造成的总成本高达2.5万亿美元——而现在的成本很可能要高得多。

但同一协会估计，如果采取适当的控制措施，钢材腐蚀的成本可以降低 35%。

这时，美国陆军工程兵团研究与发展中心（ERDC）的一项新研究就派上了用场。

该研究以先前的工作为基础，探索应用碳纤维（CFRP）和玄武岩纤维（BFRP）增强聚合物修复腐蚀钢截面的潜力。

它对钢梁进行了一系列全尺寸实验测试，以观察 CFRP 和 BFRP 如何影响其结构特性，包括其延展性（金属在不断裂的情况下被拉伸或弯曲的能力）。

利害关系

意大利热那亚的莫兰迪桥，于2018年坍塌。图片来源：Adobe Stock

基础设施中钢材的腐蚀问题后果严重——对于位于水中或水边的建筑物来说，这是一个特别严重的问题，无论是桥梁、防洪设施、通往建筑物的管道，还是其他水下海洋结构。

除了检查和维修结构部件的费用（在某些情况下可能包括排水）之外，还存在服务中断的风险。

如果不能及时遏制腐蚀这种无声的威胁，可能会导致结构劣化、更昂贵的维修，而且正如报告强调的那样，甚至会导致结构失效。

报告指出，意大利热那亚莫兰迪桥坍塌事故就是一个引人注目的例子，该事故造成43人死亡。这座已有51年历史的三跨高架桥是通往萨沃纳的A10高速公路的一部分，设计为连续梁结构，由三套斜拉索系统支撑。意大利工程专家认为，钢索的逐渐腐蚀是导致桥梁坍塌的关键因素，使其结构完整性降低了20%。

钢材腐蚀修复

美国工程研发中心（ERDC）的研究指出，目前有多种方法可以修复和改造结构中腐蚀的钢材。其中一些方法非常简单，例如清除腐蚀物并重新涂漆。

但对于更严重的腐蚀情况，每种加固方法都有其自身的缺点。无论是用新的截面替换腐蚀的钢构件（这可能会导致服务中断），还是加装额外的钢板（这会增加结构的自重，并可能导致服务中断），都是如此。

近年来，采用 CFRP 包裹腐蚀的钢截面变得越来越流行，但这需要玻璃纤维等绝缘材料来防止碳纤维和钢之间发生电偶腐蚀。

虽然近年来一些研究对 FRP 材料进行了调查，结果表明与未修复的梁相比，FRP 材料可以提高梁的承载能力和屈服能力，但 ERDC 建议需要进行更多实验测试来评估修复梁的完整结构性能以及纤维聚合物包裹层脱粘对梁性能的影响。

测试

该研究旨在确定纤维增强聚合物在修复承受弯曲和剪切应力的腐蚀钢梁方面的有效性。

为此，研究人员在一个测试框架中安装了七根不同的 W x 24 钢梁，跨度为三米，然后使用 489KN 执行器将该框架置于四点弯曲和加载条件下。

来源：采用纤维聚合物加固的机械截面减小钢梁的实验评估（ERDC）

第一根梁是对照试件，没有腐蚀或修复（见上图a）。第二根梁的下翼缘机械截面减少了20%，实际上是切除了一部分钢材，以模拟腐蚀的影响（b）。

第三根梁与之类似，其腹板处有 20% 的缩减 (c)。

然后，有两根梁的受拉翼缘和腹板截面分别减少了20%，并用单向碳纤维增强复合材料（CFRP）补片进行了修复（见d和e）。最后两根梁的受拉翼缘和腹板截面分别减少了20%，然后用四向纤维增强复合材料（BFRP）补片进行了修复（见d和e）。

所有补丁都安装在用角磨机打磨过的粗糙表面上，使用一种名为 Tyfo S 的环氧树脂，并混合了硅粉。

来源：采用纤维聚合物加固的机械截面减小钢梁的实验评估（ERDC）

结果

ERDC 的研究人员发现，他们试图通过切除梁的底部翼缘和腹板部分来模拟腐蚀，结果降低了钢材的强度和延展性。

研究发现，在“腐蚀”梁上添加碳纤维增强复合材料（CFRP）补片，无论补片位于下翼缘还是腹板，都能使其极限承载力提高7%。但这种方法会对延性产生负面影响，并且补片会过早脱落。

采用BFRP补片的效果更佳。在梁的下翼缘应用补片后，梁的极限强度提高了10%，且脱粘现象极少。在梁的腹板上应用BFRP补片后，极限承载力提高了5%，延性得到改善，且未出现脱粘现象。

该研究的结论指出：“在增强受试梁的结构性能方面，BFRP补片优于CFRP补片，而且即使存在脱粘现象，预计也会在梁达到极限承载力之后发生。BFRP对修复梁的应变分布影响甚微，这对于保持与未受损结构构件相同的结构状态和性能至关重要。”

建议

鉴于 CFRP 补片的脱粘，研究人员建议进一步研究不同类型的纤维增强聚合物粘合剂（因为脱粘失效发生在粘合剂表面，而补片本身没有任何断裂）。

他们还指出，四向 BFRP 补片在承受较高剪切力的区域表现出“良好的性能”，并建议测试双向 CFRP 补片。

研究人员表示，未来的研究还可以研究完全用 FRP 补片包裹的腐蚀截面的性能，这种方法经常用于修复航道钢结构。

另一项建议是研究应用修复方法的耐久性，以了解 FRP 材料作为钢结构水工结构长期修复方法的寿命。

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