酸洗缓蚀剂对预应力钢材表面处理效果的实验研究

摘要：预应力钢材广泛应用于桥梁、核电、海洋工程等领域，其表面质量直接关系到结构的耐久性与安全性。酸洗是去除预应力钢材表面氧化铁皮的关键工艺，但传统酸洗过程中易产生氢脆及过腐蚀现象。本研究选用三种不同类型的高效缓蚀剂（A、B、C），通过失重法、电化学测试及力学性能测试，系统评估了缓蚀剂对预应力钢材表面处理效果的影响。结果表明，添加缓蚀剂B后，酸洗缓蚀效率达96.8%，氢脆敏感系数降低42.3%，且钢材表面光洁度显著提升，为预应力钢材的绿色高效酸洗提供了理论依据。

1. 引言

预应力混凝土用钢丝、钢绞线作为现代建筑的关键受力构件，通常采用高碳钢盘条经多次冷拔加工而成。在冷拔加工前，钢材表面不可避免地产生一层致密的氧化铁皮。为获得洁净的表面并降低拉拔阻力，通常采用酸洗工艺去除氧化皮。然而，传统的盐酸或酸洗过程中，酸液不仅与氧化铁皮反应，还会与基体金属铁发生电化学反应，导致基体过腐蚀和氢离子渗透。氢原子渗入钢材晶格内部，会引发微裂纹聚集，最终导致预应力钢材发生脆性断裂，严重影响其力学性能。因此，在酸洗介质中添加高性能缓蚀剂，是抑制过腐蚀和氢脆发生的有效手段。本研究旨在探讨不同化学结构的缓蚀剂对预应力钢材表面处理效果的具体影响，并优化酸洗工艺参数。

2. 实验材料与方法

2.1 实验材料

试验用预应力钢绞线取自国内某大型钢缆企业，规格为1×7-15.2mm，抗拉强度标准值为1860 MPa。钢绞线化学成分（质量分数%）为：C 0.80，Si 0.22，Mn 0.75，P 0.012，S 0.008，Fe余量。酸洗液采用工业级盐酸（质量分数30%），使用蒸馏水配制为体积分数15%的酸洗液。

2.2 缓蚀剂选取

试验选取三种不同缓蚀剂：A为有机胺类缓蚀剂（十六烷基三甲基溴化铵），B为炔醇衍生物类缓蚀剂（丙炔醇-乙二醇醚共聚物），C为硫脲类缓蚀剂（硫脲），添加量均为酸洗液质量的0.3%。

2.3 实验方法

采用失重法测定腐蚀速率和缓蚀效率，酸洗温度为25℃和60℃，酸洗时间为30min。采用JSM-IT800扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌。利用CS350电化学工作站进行动电位极化曲线测试。采用缓慢拉伸试验（SSRT）评价氢脆敏感性，应变速率为1×10⁻⁶/s。每组试验设置3个平行样，取平均值。

3. 结果与讨论

3.1 缓蚀剂对腐蚀速率及缓蚀效率的影响

通过失重法测定了空白组和添加不同缓蚀剂组在15%盐酸溶液中的腐蚀性能，结果如表1所示。

表1 不同缓蚀剂对预应力钢材腐蚀性能的影响

样品组别	温度（℃）	腐蚀速率（g·m⁻²·h⁻¹）	缓蚀效率（%）
空白组	25	18.65	—
缓蚀剂A	25	2.14	88.5
缓蚀剂B	25	0.60	96.8
缓蚀剂C	25	1.22	93.5
空白组	60	45.32	—
缓蚀剂A	60	8.45	81.4
缓蚀剂B	60	1.85	95.9
缓蚀剂C	60	4.76	89.5

由表1可见，在25℃和60℃条件下，三种缓蚀剂均表现出良好的缓蚀性能，其中缓蚀剂B的缓蚀效率最高，在60℃高温下仍可达95.9%。这归因于缓蚀剂B分子结构中同时含有三键（C≡C）和亲水性羟基（-OH），能够通过化学吸附牢固地覆盖在钢材表面活性位点上，形成致密的保护膜，有效阻隔了侵蚀性氯离子和氢离子的渗透。随着温度升高，缓蚀剂B的吸附效率并未显著下降，说明其热稳定性优异，适用于高温酸洗工艺。

3.2 缓蚀剂对钢材表面形貌的影响

采用SEM对酸洗后试样表面进行了微观形貌观察。空白组试样表面呈现出明显的腐蚀坑和点蚀现象，且表面粗糙度较大，存在严重的局部过腐蚀损伤。而添加缓蚀剂B的试样表面平整均匀，无明显的腐蚀产物残留，氧化铁皮被完全清除的同时，基体金属保持完好。这表明缓蚀剂B能够选择性地吸附在基体金属表面，优先抑制基体腐蚀，而不影响其对氧化铁皮的溶解去除作用，从而实现了选择性酸洗效果。

3.3 缓蚀剂对力学性能及氢脆敏感性的影响

预应力钢材的力学性能直接关系到其服役安全性。试验对酸洗后的钢绞线进行了拉伸试验和SSRT试验，结果如表2所示。

表2 不同缓蚀剂处理后预应力钢材的力学性能

样品组别	抗拉强度（MPa）	断面伸长率（%）	断面收缩率（%）	氢脆敏感系数（%）
原始未酸洗	1876	6.8	24.5	—
空白组	1672	3.9	12.3	42.7
缓蚀剂A	1812	5.5	19.8	25.1
缓蚀剂B	1864	6.6	23.9	14.8
缓蚀剂C	1823	5.8	21.2	22.6

由表2数据可知，经空白酸洗后，预应力钢材的抗拉强度和塑性显著下降，氢脆敏感系数高达42.7%，表明酸洗过程中大量氢原子渗入钢材内部，造成了严重的氢损伤。当加入缓蚀剂B后，钢材的抗拉强度恢复至1864 MPa，断面伸长率和收缩率分别达到6.6%和23.9%，接近原始未酸洗状态，氢脆敏感系数降至14.8%。这说明缓蚀剂B不仅在界面形成物理/化学吸附膜，还能有效降低氢原子在钢材表面的复合概率和渗透速率，从而显著抑制氢脆的发生。

4. 结论

（1）三种缓蚀剂中，炔醇衍生物类缓蚀剂B表现出最优的综合性能。在15%盐酸介质中，25℃时缓蚀效率达96.8%，60℃时仍达95.9%，具有良好的高温适应性。

（2）添加缓蚀剂B的酸洗工艺可有效清除预应力钢材表面氧化铁皮，同时保护基体金属免受点蚀和过腐蚀，表面平整度和光洁度显著优于传统空白酸洗。

（3）缓蚀剂B可大幅降低酸洗过程中的氢渗透率，将预应力钢材的氢脆敏感系数从42.7%降低至14.8%，有效保障了预应力钢材的力学性能。本研究结果为高强预应力钢材的绿色环保酸洗工艺提供了重要的技术参考。