矿产资源是经济社会发展的重要基础，是国家安全和经济发展的重要保障（李光等，2018；胡建华等，2020；陈立强等，2022；马印禹，2023；侯新澳等，2024；Li et al，2025）。矿用托盘作为井下支护系统的重要组成部分，在优化应力分布、增强支护强度、适应复杂地质条件、提升围岩自稳能力以及简化安装与维护等方面发挥着重要作用（李桐等，2023；潘立志等，2023）。托盘的力学性能直接关系到支护系统在复杂地质条件下的表现，其通过紧密贴合围岩表面，促进围岩内部应力的重新分布，激发围岩自身的承载潜力。然而，腐蚀问题对托盘的力学性能构成了严重威胁（肖玲等，2007；朱杰兵等，2017；朱乾坤，2017；魏泽捷，2021；张瑾等，2023）。腐蚀不仅会削弱其承受荷载的能力，还会加速疲劳累积，缩短托盘的使用寿命。此外，腐蚀使托盘的延展性和韧性下降，导致变形能力减弱，无法有效吸收和分散能量，增加了局部应力集中的可能性。更为严重的是，腐蚀容易发生在托盘与锚杆等部件的连接处，这些区域的损伤可能导致连接部位松动甚至脱落，严重破坏支护结构的整体性，影响支护安全。
近年来，随着井巷工程对支护结构耐久性和安全性要求的不断提高（程良奎等，2008；Cai et al，2017），支护结构的腐蚀行为成为研究热点。国内外学者针对支护结构腐蚀失效问题开展了大量研究，研究内容主要聚焦环境因素（离子浓度、pH值、温度等）和力学因素（应力水平）对锚杆索腐蚀速率、形态及力学性能退化的影响。研究表明，矿井腐蚀环境会显著诱发局部腐蚀（坑蚀和穿孔等），导致锚杆塑性损伤远大于强度损失（肖玲等，2008）。对酸性、中性和碱性3种腐蚀环境，在腐蚀初期，中性溶液中预应力锚杆腐蚀最快，酸性溶液中腐蚀次之，碱性溶液中腐蚀最慢，随着腐蚀的进行，酸性溶液对锚杆的腐蚀损伤程度越明显（Liu et al，2023）。此外，除氧水中温度升高加快了腐蚀进程，而离子浓度变化对腐蚀速率的影响相对有限（Yilmaz et al，2005）。同时，应力水平和材料类型也在腐蚀过程中扮演着重要角色，共同决定了构件的耐久性和失效模式（Li et al，2011）。
相较于锚杆本身，当前针对矿用托盘腐蚀行为的研究相对匮乏，特别是在复杂腐蚀环境下的系统性研究较为有限。为此，本文以管缝式锚杆蝶形托盘作为研究对象，通过在不同温度和pH值的腐蚀环境下进行盐雾加速腐蚀试验和力学性能试验，探讨各类腐蚀因素对托盘损伤程度的影响，以期为深入理解其在实际开采中的耐腐蚀性提供科学依据。
1 腐蚀环境调查
表1 不同中段巷道腐蚀性矿井水离子浓度、温度及pH值Table 1 Ion concentration， temperature and pH value of corrosive mine water in different middle roadways |
| 测点 | 中段/m | w（Cl-）/（mg·L-1） | pH | 温度/℃ |
|---|---|---|---|---|
| 1# | -710 | 6 952 | 6.33 | 31.6 |
| 2# | -710 | 7 832 | 6.12 | 31.4 |
| 3# | -830 | 8 863 | 3.76 | 32.6 |
| 4# | -830 | 8 412 | 4.79 | 32.8 |
| 5# | -870 | 18 231 | 4.66 | 34.8 |
| 6# | -870 | 15 123 | 3.79 | 37.2 |
2 托盘腐蚀损伤试验设计
2.1 试件制作与试验腐蚀环境
为便于开展试验，将矿用蝶形托盘加工成边长为100 mm、起拱高度为6 mm的试样，如图2（a）所示。试验采用KZ-60盐雾试验箱［图2（b）］，结合现场环境调研结果，设定不同的试验变量，设置温度分别为30，35，40 ℃，pH值分别为3，4，5。通过调节盐雾试验箱温度并配制不同pH值的腐蚀液来设定腐蚀环境，每种条件下进行2组重复性试验，试验参数见表2。以GT-30-3-1试样为例，GT代表管缝式锚杆托盘，30代表试验温度为30 ℃，3代表试验环境pH值为3，1代表第一组试样。所用的腐蚀溶液为5%NaCl溶液，通过将分析纯NaCl和蒸馏水按比例调配而成。再使用冰乙酸和NaOH修正腐蚀溶液pH值到设定范围。对试样开展为期15天的腐蚀试验，在试验开始前，先使用中性除锈液清除试样表面铁锈，再用蒸馏水清洗并干燥，最后采用电子天平称量并记录初始质量，便于后期分析质量损失情况。
表2 加速腐蚀试验环境参数Table 2 Environmental parameters for accelerated corrosion test |
| 环境参数编号 | 试样编号 | 温度/℃ | pH值 |
|---|---|---|---|
| 1 | GT-30-3-1、GT-30-3-2 | 30 | 3 |
| 2 | GT-30-4-1、GT-30-4-2 | 30 | 4 |
| 3 | GT-30-5-1、GT-30-5-2 | 30 | 5 |
| 4 | GT-35-3-1、GT-35-3-2 | 35 | 3 |
| 5 | GT-35-4-1、GT-35-4-2 | 35 | 4 |
| 6 | GT-35-5-1、GT-35-5-2 | 35 | 5 |
| 7 | GT-40-3-1、GT-40-3-2 | 40 | 3 |
| 8 | GT-40-4-1、GT-40-4-2 | 40 | 4 |
| 9 | GT-40-5-1、GT-40-5-2 | 40 | 5 |
2.2 腐蚀试样材料力学性能试验
3 腐蚀因素对托盘腐蚀的影响规律
在腐蚀过程中，对不同腐蚀周期的试样进行照片采集，记录盐雾试验不同周期内托盘表观腐蚀特征，试验前后记录托盘质量和物理力学参数。基于试验数据，分析不同因素对托盘腐蚀的影响规律。
3.1 托盘表观腐蚀特征
（1）不同周期表观腐蚀特征。图4所示为盐雾试验腐蚀周期内托盘表面颜色及形态变化过程。通过观察照片腐蚀特征发现，由于托盘形状较为平整，且表面积较大，与盐雾环境充分接触，试验初期腐蚀速率较快，氧化膜在较短时间内迅速附着于托盘表层，发生均匀腐蚀。随着试验的进行，表面腐蚀产物由最初的红黑腐蚀产物（Fe3O4、Fe2O3）随机覆盖，到试验结束红色腐蚀产物占比增加。试验第4天托盘腐蚀外表层出现连续的膨胀泡，使氧化膜凸起。膨胀泡内为腐蚀溶液，在氧化膜内部进行二次腐蚀，最终膨胀泡发育到一定程度，彼此之间相互连通，导致腐蚀层面积变大，厚度增加。
（2）不同温度表观腐蚀特征。图5所示为pH=5条件下不同温度腐蚀环境试验后托盘表观形貌特征，可以看出，35 ℃托盘腐蚀呈不均匀分布，相较于30 ℃和40 ℃托盘试样，其点蚀坑分布更加密集，且在托盘边缘存在较大腐蚀坑，腐蚀程度远大于其余2组环境。30 ℃托盘表面呈现出均匀腐蚀的特征，局部产生小点蚀坑，整体腐蚀情况较轻；40 ℃托盘表面表现出明显的腐蚀痕迹，局部区域可见一定数量的腐蚀坑和腐蚀裂纹，腐蚀深度较浅，整体以均匀腐蚀为主。
（3）不同pH值表观腐蚀特征。图6所示为pH值分别为3、4和5条件下的托盘腐蚀情况。当pH=3时，托盘腐蚀严重，蚀坑现象明显，部分腐蚀区域失去金属光泽，受腐蚀面积相对较大；当pH=4时，托盘腐蚀以细小的点蚀为主，在托盘边缘局部区域形成较浅的大块腐蚀坑；当pH=5时，托盘腐蚀面积相对较小，腐蚀程度较轻，以均匀腐蚀为主。
3.2 质量损失率
表3 腐蚀对试样质量的影响（以第一组试样为例）Table 3 Effect of corrosion on sample quality （taking the first group of samples as an example） |
| 编号 | 初始 质量/g | 最终 质量/g | 损失 质量/g | 质量 损失率/% |
|---|---|---|---|---|
| GT-30-3-1 | 383.0 | 376.3 | 6.7 | 1.749347 |
| GT-35-3-1 | 385.5 | 377.2 | 8.3 | 2.153048 |
| GT-40-3-1 | 383.0 | 373.4 | 9.6 | 2.506527 |
| GT-30-4-1 | 384.5 | 378.2 | 6.3 | 1.638492 |
| GT-35-4-1 | 382.5 | 375.3 | 7.2 | 1.882353 |
| GT-40-4-1 | 386.0 | 377.2 | 8.8 | 2.279793 |
| GT-30-5-1 | 384.5 | 379.1 | 5.4 | 1.404421 |
| GT-35-5-1 | 385.5 | 378.5 | 7.0 | 1.815824 |
| GT-40-5-1 | 384.5 | 376.0 | 8.5 | 2.210663 |
当pH=3时，30 ℃、35 ℃和40 ℃腐蚀环境下的质量损失率分别为1.75%、2.15%和2.51%。当pH=4时，30 ℃、35 ℃和40 ℃腐蚀环境下的质量损失率分别为1.64%、1.88%和2.28%。当pH=5时，3种温度环境下的质量损失率分别为1.4%（30 ℃）、1.82%（35 ℃）和2.21%（40 ℃）。通过观察质量损失率发现，在相同的酸碱性环境中，随着温度的升高，质量损失率逐渐升高。前人研究指出，在盐雾加速腐蚀试验中，温度每升高10 ℃，腐蚀速度提高2~3倍，电解质的导电率提高10%~20%（唐毅等，2009；陈锐等，2021）。在本试验中，40 ℃腐蚀环境下的平均腐蚀速率是30 ℃腐蚀环境下的1.46倍。40 ℃腐蚀环境下的平均腐蚀速率是35 ℃腐蚀环境下的1.2倍。
由表3可知，在相同的温度条件下，托盘的腐蚀质量损失率随着pH值的升高而逐渐降低。例如：当温度为35 ℃时，pH值为3、4和5环境下的质量损失率分别为2.15%、1.88%和1.82%。
3.3 腐蚀托盘力学性能
图7所示为不同腐蚀环境下托盘压缩试验的荷载位移曲线。托盘压缩试验主要分为4个阶段，第一阶段荷载随着变形量的增加而逐渐上升，并呈现出近似线性关系，该阶段变形主要集中在托盘的底盘区域，底盘由初始的拱形逐步被压平；第二阶段为托盘孔口处的压缩变形，拱口受到挤压，导致孔径收缩；第三阶段为托拱部被渐渐压平的同时，底盘四角产生翘边现象，该阶段托盘所承受的荷载达到峰值；第四阶段托盘整体逐渐被压平，当蝶形托盘完全变形为平托盘时，托盘失效，试验结束。在荷载位移曲线末端为压缩平托盘的数据，此阶段不作为蝶形托盘的荷载数据，即蝶形托盘抗压强度为第三阶段峰值数据。通过对腐蚀后的托盘图像进行分析，发现其抗压强度随着温度的升高呈现出先减小后增大的变化趋势。值得注意的是，温度变化对托盘力学性能的影响与对其质量损失率的影响并不一致。在观察托盘表观腐蚀特征时发现，相较其他2组试样，35 ℃腐蚀环境下试样表观腐蚀坑最为严重，而腐蚀坑的大小对托盘抗压强度高低起到决定性作用。随着温度升高至40 ℃，腐蚀产物变得相对松散且易于脱落，使得托盘基体与腐蚀介质接触更为频繁。这一现象促使托盘整体以均匀腐蚀为主，缺乏较大深度蚀坑。
此外，当酸性较强时，温度变化对托盘力学性能的影响相对较小，当pH=3时，30 ℃、35 ℃和40 ℃环境下托盘抗压强度损失率分别为4.68%、5.05%和4.82%，三者相差不大；当pH=4时，不同温度环境下托盘抗压强度损失率分别为2.46%、4.31%和3.63%；当pH=5时，3种环境的托盘抗压强度损失率分别为0.51%、2.35%和1.30%，托盘抗压强度的衰减均随温度变化而产生较大变化。可见，在强酸环境下，H+浓度过高，温度升高对腐蚀产物溶解的促进作用并不明显；当H+浓度降低时，温度对蚀坑形成的影响程度虽然有所增加，但是变化幅值不大，H+仍是决定其力学损伤的主要因素。
不同pH值环境下的托盘抗压强度如图8所示。当温度为30 ℃时，3种酸性腐蚀环境（pH值分别为3、4和5）下的试样抗压强度依次为62.12，63.57，64.84 kN；当温度为35 ℃时，3种酸性腐蚀环境（pH值分别为3、4和5）下的试样抗压强度依次为61.88，62.36，63.64 kN；当温度为40 ℃时，3种酸性腐蚀环境（pH值分别为3、4和5）下的试样抗压强度分别为62.03，62.80，64.32 kN。pH值对托盘力学性能的影响与其对质量损失率的影响呈现相同的规律，可见托盘在强酸性环境下更容易被腐蚀。
pH值对托盘腐蚀行为的影响体现在多方面，在酸性溶液中，H+浓度的升高会增强质子的活性，降低阳极反应的活化能，从而促进金属表面的阳极溶解。同时，H+浓度的升高对阴极反应的驱动力增强，进一步加速了整体的腐蚀过程。除此之外，酸性环境还会增加腐蚀产物的溶解度。通过MiniFlex 600X射线衍射仪对托盘腐蚀产物进行物相分析（图9），结果表明，腐蚀产物主要成分为红棕色的Fe2O3和黑色的Fe3O4。该腐蚀产物具有较低的溶解度，会在托盘表层形成一层保护性的钝化膜，减缓腐蚀的进一步发生。然而，在强酸性环境中，腐蚀产物往往更容易溶解，从而去除原本形成的钝化层，使得金属表面暴露在酸性溶液中，导致腐蚀加剧。因此，酸性越强，腐蚀产物的溶解速度越快，托盘的腐蚀程度也更为严重。
4 结论
通过开展室内加速腐蚀试验，并结合力学性能试验，对托盘在复杂腐蚀环境下的腐蚀规律进行了研究，得到以下主要结论：
（1）试验初期托盘腐蚀速率较快，腐蚀产物在短时间内迅速附着于托盘表面，同时生成内部含有腐蚀液的膨胀泡。内部腐蚀液促进托盘发生二次腐蚀，最终膨胀泡发育到一定程度后彼此之间相互连通，导致腐蚀层面积变大，厚度增加。
（2）温度对托盘腐蚀质量损失率和抗压强度的影响并不一致。温度升高导致腐蚀产物相对松散，容易脱落，有助于整体均匀腐蚀的发生，质量损失率随着温度的升高而逐渐增大。而抗压强度由托盘整体结构决定，蚀坑深度起到决定性因素。
（3）在强酸环境下，H+浓度过高，温度升高对腐蚀产物溶解的促进作用并不明显。当酸性减弱，H+浓度降低时，温度对抗压强度的影响程度略有增大。酸性环境是决定其力学性能的主导因素。
（4）pH值对托盘腐蚀行为的影响体现在多方面，在酸性溶液中，H+浓度的升高会增强质子的活性，降低阳极反应的活化能，从而促进金属表面的阳极溶解。同时，H+浓度的升高对阴极反应的驱动力增强，进一步加速了整体的腐蚀过程。除此之外，酸性环境还会增加腐蚀产物的溶解度。
（5）本研究通过调控盐雾试验箱的温度参数及配置不同pH值的腐蚀溶液，模拟多种腐蚀环境，系统研究了温度和pH值对管缝式锚杆托盘腐蚀行为的影响，结果表明，酸性环境是造成锚杆托盘力学性能劣化的主导因素。因此，在实际工程防护中，应优先选用耐酸性能优异的防腐涂层，如热浸锌或达克罗涂层。然而，矿井环境复杂多变，腐蚀因素具有多样性，现有防腐技术难以全面应对所有腐蚀机制，建议在防腐设计中充分考虑现场实际腐蚀环境，因地制宜地选择和优化防护方案，以实现更有效、更持久的腐蚀防护。
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