銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗研究

李鳳蘭，侯維玲，侯朋兵

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

我國20 世紀(jì)60～70 年代建造的大量臨海碼頭等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已進(jìn)入腐蝕破壞的高風(fēng)險期［1］.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化是引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要原因［2］.研究銹蝕鋼筋的力學(xué)性能對掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗力下降的規(guī)律和其破壞形態(tài)，以及對正確評估服役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力下降程度和預(yù)測在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命都具有重要意義［3－6］.

混凝土中鋼筋銹蝕與具體作用環(huán)境有關(guān)，不同環(huán)境下的銹蝕產(chǎn)物和銹蝕形態(tài)差異較大［7－9］.該試驗?zāi)M海洋環(huán)境水下區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕情況，研究銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度及極限伸長率等力學(xué)性能隨銹蝕程度的變化情況.

1 試驗概況

1.1 試件來源

從土木交通科學(xué)研究中心的科研試驗梁中，破型取出了54 根銹蝕鋼筋，其中15 根直徑12 mm 的光圓鋼筋、15 根直徑12 mm 和24 根直徑16 mm 的帶肋鋼筋.所有銹蝕試件都采用恒電流加速銹蝕的方法使其快速銹蝕，銹蝕時鋼筋都處于銹蝕溶液中，與海洋水下區(qū)環(huán)境類似.截取梁剪跨段內(nèi)靠近支座處的未銹蝕鋼筋進(jìn)行力學(xué)性能分析，其力學(xué)性能測試結(jié)果見表1.

表1 未銹蝕鋼筋的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.2 試驗方法

鋼筋的銹蝕程度有截面損失率和質(zhì)量損失率兩種表示方法.均勻銹蝕時，截面損失率和質(zhì)量損失率基本一致;不均勻銹蝕時，隨銹蝕程度的增加，截面銹蝕深度的不均勻性增大，質(zhì)量損失率和截面損失率的差異也越大.通常鋼筋的截面損失率大于質(zhì)量損失率［10］.采用質(zhì)量損失率δ 來表征鋼筋的銹蝕程度

式中:m0為鋼筋的原始質(zhì)量;mc為鋼筋銹蝕后的質(zhì)量.

將銹蝕鋼筋加工成長度為500 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，并盡可能使銹蝕最嚴(yán)重部位位于中間.用鋼尺(精確至0.5 mm)量取每根試件的實際長度，并在每根鋼筋的端部做好標(biāo)記.然后用除銹劑對銹蝕鋼筋試件進(jìn)行酸洗，經(jīng)清水漂洗后，及時晾干.用電子天平(精確至0.01 g)稱量銹蝕鋼筋的質(zhì)量，計算質(zhì)量銹蝕率.

在液壓萬能試驗機(jī)上對銹蝕鋼筋進(jìn)行拉伸試驗，試驗前在鋼筋中心400 mm 范圍內(nèi)，以5d(d 為銹蝕鋼筋原始直徑)為單位刻畫標(biāo)記.試件拉斷后，量取5d 標(biāo)距范圍內(nèi)鋼筋拉斷時的伸長量，計算極限延伸率.銹蝕鋼筋力學(xué)性能參數(shù)見表2，其中Py為屈服荷載，Pu為極限荷載，Agt為極限伸長率.鋼筋銹蝕形態(tài)和拉斷形態(tài)如圖1 所示.

表2 銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖1 鋼筋銹蝕形態(tài)和拉斷特征

2 銹蝕鋼筋的力學(xué)性能分析

不同銹蝕程度的鋼筋，銹蝕形態(tài)不同.由圖1 可以看出，銹蝕率較小時，銹蝕鋼筋出現(xiàn)大量“銹斑”，由于“銹斑”的深度很淺可視為均勻銹蝕;銹蝕率較大時，“銹斑”轉(zhuǎn)變?yōu)椤颁P坑”，鋼筋朝向構(gòu)件表面的外側(cè)面坑蝕較為嚴(yán)重，且“銹坑”的面積和深度有較大差異.

銹蝕鋼筋的力學(xué)性能變化主要是由鋼筋截面積減少引起的.鋼筋的屈服荷載和極限荷載取決于鋼筋的最小剩余截面積，最大蝕坑深度是影響鋼筋力學(xué)性能的主要因素.銹蝕鋼筋的名義強(qiáng)度是基于未銹蝕鋼筋的公稱面積得出的.圖2 中銹蝕鋼筋名義強(qiáng)度的相對值是銹蝕鋼筋的名義強(qiáng)度與未銹鋼筋強(qiáng)度之比，隨著銹蝕率的增大，屈服荷載、極限荷載呈現(xiàn)出相同的下降趨勢，銹蝕對鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度的降低幅度分別為19.3%和19.9%.

圖2 銹蝕鋼筋名義強(qiáng)度相對值與銹蝕率關(guān)系散點圖

圖3 中，試件的變形隨銹蝕率的增大逐漸減小，屈服臺階逐漸縮短，銹蝕率大于某一臨界值時，屈服臺階消失.

圖3 銹蝕鋼筋荷載－變形曲線

圖4 中，伸長率相對值是銹蝕鋼筋的極限伸長率與未銹鋼筋的極限伸長率的比值.隨著銹蝕程度的增加，伸長率出現(xiàn)波動降低的趨勢，銹蝕鋼筋斷裂面的頸縮現(xiàn)象逐漸消失，極限伸長率變小，鋼筋轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?銹蝕對鋼筋伸長率的降低幅度為57%，伸長率隨銹蝕率增加的降低幅度大于強(qiáng)度損失，銹蝕對鋼筋延性的影響更大一些.

圖4 銹蝕鋼筋伸長率相對值與銹蝕率關(guān)系

3 銹蝕率對鋼筋屈服強(qiáng)度的影響

Lee 同時考慮均勻銹蝕和坑狀銹蝕對鋼筋屈服強(qiáng)度的影響，基于試驗得出銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度的回歸公式［11］.結(jié)合本試驗數(shù)據(jù)給出了此公式的應(yīng)用范圍.當(dāng)δ＜3%時，計算表明屈服強(qiáng)度的降低幅度不到3%，在計算銹蝕構(gòu)件的承載力時，可不考慮銹蝕對承載力的影響［12］;當(dāng)δ＞15%時，銹蝕鋼筋的屈服點不明顯，伸長率小于規(guī)范允許的最小值，按無屈服點的熱軋鋼筋確定其計算強(qiáng)度.

式中:fy，fyc分別為未銹鋼筋的屈服強(qiáng)度和銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa;δ 為鋼筋的質(zhì)量損失率，%.

按式(2)計算銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度，計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比見表3.其中fys表示銹蝕鋼筋名義屈服強(qiáng)度的試驗值，實測值與計算值比值的平均值為0.982，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05.

表3 計算值與試驗值

續(xù)表

4 結(jié)語

鋼筋截面積減少是引起銹蝕鋼筋力學(xué)性能變化的主要原因.隨著銹蝕程度的增加，鋼筋截面銹蝕的不均勻性增大，銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限伸長率均發(fā)生退化，屈服平臺縮短直至消失.在試驗基礎(chǔ)上給出了銹蝕鋼筋名義屈服強(qiáng)度的建議計算公式，可供銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計時參考.

［1］賈春田.海港工程鋼筋混凝土腐蝕原因及防護(hù)技術(shù)措施［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(12):39－39.

［2］袁迎曙，賈福平，蔡躍.銹蝕鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能退化模型［J］.土木工程學(xué)報，2001，34(3):47－52.

［3］蔣連接，常明豐，文兆全.銹蝕鋼筋力學(xué)性能的試驗研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2011，153(3):62－64.

［4］吳慶，袁迎曙.銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2008，41(12):42－47.

［5］張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2006，34(5):586－592.

［6］Shun Bo Zhao，Peng Bing Hou，F(xiàn)u Lai Qu.Laboratory fast corrosion test of plain steel bars in concrete beams［J］.Advanced Materials Research，2012(535－ 537):1803－1806.

［7］王軍強(qiáng).大氣環(huán)境下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗研究［J］.徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003，3(3):25－27.

［8］宋華，牛狄濤.電化學(xué)快速銹蝕與自然環(huán)境鋼筋銹蝕的相似性分析［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2009，41(4):508－511.

［9］吳瑾.海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹裂損傷評估研究［D］.南京:河海大學(xué)，2003.

［10］侯鵬兵.不均勻銹蝕鋼筋混凝土梁承載力試驗研究［D］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2012.

［11］Lee H S，Noguchi T，Tomosawa F.FEM analysis for structural performance of deteriorated RC structures due to rebar corrosion［C］∥Proceedings of the Second International Conference on Concrete under Severe Conditions，Troms?，Norway，1998:327－336.

［12］惠云玲，林志伸，李榮.銹蝕鋼筋性能試驗研究分析［J］.工業(yè)建筑，1997，27(6):10－13.