不同拉伸应力下电缆螺栓应力腐蚀行为的研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Investigation into the stress corrosion behavior of cable bolts under different tensile stresses

钢绞线锚杆在拉伸应力与腐蚀耦合作用下的应力腐蚀开裂（SCC）行为研究。通过不同拉伸应力下NH4SCN溶液腐蚀试验，系统分析锚杆SCC断裂时间、断口宏观与微观形貌特征，揭示拉伸应力加速SCC进程的作用机制，表明应力增加导致裂纹扩展区缩小、过载断裂区扩大及裂纹偏转角减小，微观形貌差异显著，应力通过影响钝化膜、氢扩散及应力强度因子等加剧SCC风险。

　　

李永亮|张胜|杨仁树|史帅阳

中国矿业大学（北京）能源与矿业工程学院，北京 100083，中国

摘要

电缆螺栓是地下工程中必不可少的支撑材料。在长期受到拉应力的同时，它们还暴露在恶劣的腐蚀环境中。由于应力和腐蚀的耦合作用，电缆螺栓的应力腐蚀开裂（SCC）问题十分突出，严重威胁着地下工程的安全和稳定性。为了研究不同拉应力对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响，使用硫氰酸铵腐蚀溶液（NH₄SCN）对电缆螺栓在不同拉应力下的应力腐蚀行为进行了测试。研究了电缆螺栓SCC失效时间的变化规律，并分析了电缆螺栓SCC断裂表面的宏观和微观特征。获得了电缆螺栓中SCC裂纹的扩展规律，揭示了拉应力对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响机制。结果表明，拉应力的增加会加速电缆螺栓的SCC过程，电缆螺栓SCC的失效时间与应力水平呈负相关。随着应力的增加，裂纹扩展区的范围减小，而过载断裂区的范围增大，裂纹偏转角减小。在不同拉应力下，电缆螺栓断裂的裂纹起始区、裂纹扩展区和过载断裂区的微观形态存在显著差异。拉应力通过影响电缆螺栓的钝化膜和微观结构、裂纹尖端的应力强度因子以及溶液中氢原子的扩散和聚集来影响应力腐蚀裂纹的起始和扩展。拉应力越大，电缆螺栓发生SCC失效的风险越高。

引言

由于具有高强度、良好的柔韧性和优异的锚固性能，电缆螺栓已成为地下工程中不可或缺的支撑材料。它们被广泛用于控制地下空间中的不稳定岩体，对维持地下工程的稳定性至关重要（Li等人，2025a；Chen等人，2024；Chen等人，2015；Yang等人，2018）。在煤炭资源开采过程中，电缆螺栓被广泛用于控制地下隧道的围岩。随着开采深度的不断增加，围岩的应力环境变得越来越复杂（Jia等人，2025；Li等人，2022a；Chen等人，2014；Yang等人，2017a）。在服役过程中，电缆螺栓不仅要承受高拉应力，还要长时间暴露在高温、高湿度、腐蚀性离子和腐蚀性微生物等恶劣的腐蚀环境中（Li等人，2022b；Wu等人，2020a；Yang等人，2017b；Kang等人，2011；Li，2010；Eliaz等人，2002）。应力和腐蚀的耦合作用导致电缆螺栓发生应力腐蚀开裂（SCC）的早期失效。电缆螺栓的SCC失效会显著削弱其支撑能力，容易导致围岩的不稳定，进而引发诸如肋板剥落和顶板坍塌等事故，造成人员伤亡和设备损坏，严重影响矿山的安全高效生产。图1展示了因SCC而失效的煤矿隧道中的电缆螺栓。SCC是指敏感材料在应力和腐蚀共同作用下的脆性断裂（Li等人，2016；Wu等人，2024）。SCC的机制主要分为阳极溶解（AD）（Hoar和West，1958；Li等人，2023）和氢脆（HE）（Johnson，1875；Zhang等人，2025）。此外，由SCC引起的电缆螺栓失效往往难以提前预测（Singh等人，2014；Wu等人，2023）。这对煤矿隧道的安全和稳定性构成了严重威胁。电缆螺栓的SCC失效已被确认为一个极其严重的国际性问题，影响着煤矿的安全开采（Wu等人，2018a；Kang等人，2016；Galvin，2016；Croksy等人，2003；Shutter等人，2001）。

国内外学者对岩石螺栓和电缆螺栓的SCC失效进行了广泛研究。影响岩石螺栓和电缆螺栓SCC的关键因素可以系统地分为三类：材料、应力和腐蚀环境。其中，材料的固有属性对其SCC敏感性起着决定性作用。学者们较早就开始研究岩石螺栓的SCC现象。Gray（1998）较早关注了由SCC引起的岩石螺栓早期失效现象，并提出了降低岩石螺栓的强度和优化锚固方法等措施来缓解SCC问题。Gamboa和Atrens（2003a，2003b）详细研究了岩石螺栓的断裂表面，并系统地将其表面区域划分为撕裂地形表面（TTS）、波纹不规则表面（CIS）、准微孔聚合（qMVC）和快速断裂表面（FFS）。Villalba和Atrens（2009，2008，2007）系统评估了冶金因素对不同岩石螺栓钢材SCC敏感性的显著影响，阐明了材料固有属性的关键作用。关于电缆螺栓，Wu等人（2018b，2020b）不仅揭示了不同类型电缆螺栓在SCC敏感性上的差异，还证实了镀锌处理可以延缓但不能完全防止电缆螺栓的SCC发生。更重要的是，他们阐明了电缆螺栓丝材的微观结构对SCC裂纹扩展路径和方向的显著调控作用，为通过微观结构设计提高电缆螺栓的抗SCC性能提供了依据。

腐蚀环境直接决定了腐蚀过程，是引发SCC的必要条件。Wu等人（2018a，2023）提出了一个用于模拟电缆螺栓SCC的实验框架，可用于研究地下矿山和隧道中电缆螺栓的SCC机制。此外，他们还研究了环境中的矿物因素以及水溶液中氢浓度、溶解氧、导电性和pH值等因素对电缆螺栓SCC失效过程的影响。他们指出，氢浓度、溶解氧和pH值直接影响电缆螺栓的SCC，而矿物因素通过改变水成分间接影响电缆螺栓的SCC。针对复杂的矿井水环境，Liu等人（2025）深入研究了弱碱性矿井水中不同离子浓度对电缆螺栓腐蚀行为的复杂影响规律，并提出了一种适用于煤矿电缆螺栓的表面抗腐蚀处理技术。Li等人（2025b）研究了不同类型矿井水对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响，并进一步分析了矿井水pH值和腐蚀离子浓度共同作用下电缆螺栓SCC的演变特性。他们指出，电缆螺栓的应力腐蚀断裂过程经历了三个阶段：坑洞形成、坑洞扩展和裂纹萌生。具体来说，像SO₄^2?和Cl^?这样的活性阴离子被认为是导致矿井水腐蚀性增强的主要化学物质（Wu等人，2019；Liu等人，2024）。由于Cl^?的离子半径较小，它可以轻易穿透钢丝的钝化膜，引发点蚀。SO₄^2?通常会加剧腐蚀坑内的酸化环境。在潮湿且离子丰富的地下环境中，可见的红棕色腐蚀产物可能在几天或几周内覆盖电缆螺栓表面。随着腐蚀的进展，几个月内就会形成作为SCC应力集中前兆的显著腐蚀坑洞。因此，已有报道指出电缆螺栓在安装后6个月到2年内就可能发生灾难性的SCC失效，这远远短于其预期使用寿命（Craig等人，2016；Croksy等人，2004；Croksy等人，2012）。值得注意的是，微生物活动也被证明是一个重要的环境触发因素。Chen等人（2022a）研究了硫酸盐还原菌（SRB）对电缆螺栓SCC的影响机制。他们指出，SRB代谢产生的H₂S是一种强氢渗透介质，可以显著促进氢原子向电缆螺栓内的扩散，从而引发氢脆（HE），这是SCC的重要诱因。为了更接近电缆螺栓的实际服役条件，Chen等人（2022b）还提出了一种用于隧道中电缆螺栓SCC失效趋势和原因的现场评估方法。该方法用于评估地下空间环境中电缆螺栓SCC失效的趋势，并据此进行有针对性的加固和支撑。

应力不仅是SCC发生的基本前提，也是推动电缆螺栓中SCC裂纹起始、扩展和最终失效的核心驱动力和必要条件。Kovac等人（2010）和Nakamura与Suzumura（2009）关注了氢原子的扩散行为。他们指出，高强度材料SCC的主要失效机制是氢诱导裂纹（HIC），揭示了应力下氢原子的迁移和富集与材料裂纹之间的内在关系。此外，Wu等人（2024）指出，预应力会加速氢原子向裂纹尖端等应力集中区的扩散和聚集，导致氢膨胀应力并降低裂纹尖端附近晶格的结合强度。

目前，关于材料和腐蚀环境对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响已有很多研究，但尚缺乏对应力这一核心驱动力的系统探索，特别是不同拉应力水平对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响。为了研究不同拉应力水平对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响，本研究在硫氰酸铵溶液中对电缆螺栓进行了不同拉应力下的应力腐蚀测试。系统分析了电缆螺栓SCC断裂表面的宏观和微观形态特征，阐明了电缆螺栓SCC的裂纹扩展规律，揭示了拉应力对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响机制，为有效预防和控制地下工程中电缆螺栓的SCC失效提供了理论指导。

材料

在本研究中，选择了直径为21.8毫米、长度为2.5米的1×19股电缆螺栓作为测试材料，如图2所示。从结构上看，这种电缆螺栓采用了由三种不同直径钢丝组成的紧凑的“1+9+9”同心层布置。与等直径结构相比，这种不同直径的设计填充了间隙空隙，形成了更加紧凑的结构，从而提高了机械稳定性，减少了摩擦磨损。

电缆螺栓SCC的失效时间

所有电缆螺栓都在腐蚀溶液中发生了断裂失效，但失效时间存在差异。当施加在电缆螺栓上的拉应力分别为50% σ_s、60% σ_s、70% σ_s、80% σ_s和90% σ_s时，各组的平均失效时间分别为36.49小时、18.47小时、12.47小时和5.65小时，如图6所示。

从图6可以看出，随着应力的增加，电缆螺栓的失效时间显著缩短。

电缆螺栓的应力腐蚀开裂机制

电缆螺栓的SCC断裂是由于应力和腐蚀的耦合作用造成的。在NH₄SCN溶液中，拉应力会导致电缆螺栓的晶格变形或位错。局部区域的腐蚀敏感性增加，成为电化学腐蚀优先发生的活跃点。电缆螺栓经历了阳极溶解反应和阴极氢析出反应，如方程式（2）和（3）所示（Zhang等人，2025）。

结论

本研究对不同拉应力水平下的电缆螺栓进行了应力腐蚀测试，比较分析了不同拉应力下电缆螺栓断裂表面的宏观和微观形态特征，获得了拉应力影响下电缆螺栓SCC裂纹的扩展规律，以及拉应力对电缆螺栓应力腐蚀行为的影响机制。

作者贡献声明

李永亮：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、数据分析。张胜：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理、概念化。杨仁树：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。史帅阳：方法论、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52174095；51804310）的支持。