不均勻銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的試驗研究

曲福來，陳 祥，于永齊，閆磊源，肖 颯

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045)

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生銹蝕會導(dǎo)致混凝土漲裂，保護層失去作用，從而引起鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力下降，使得構(gòu)件的耐久性降低，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全性［1－4］.要準(zhǔn)確評估構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載力下降程度，需要充分認(rèn)識銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能變化規(guī)律.目前，國內(nèi)外研究人員主要采用外加電流和模擬人工氣候環(huán)境2 種方法使混凝土中的鋼筋產(chǎn)生銹蝕.后者得到的鋼筋銹蝕形態(tài)更接近于自然銹蝕的情況，但該方法試驗條件復(fù)雜、試驗周期長;采用通電加速銹蝕試驗方法在較短的時間內(nèi)讓鋼筋產(chǎn)生銹蝕，試驗裝置簡單，常為大多數(shù)試驗研究采用，但鋼筋銹蝕形態(tài)與實際存在差別［5－7］. 關(guān)于銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能，有學(xué)者認(rèn)為鋼筋銹蝕后強度變化不顯著［8－9］，也有研究認(rèn)為銹蝕后鋼筋的強度降低，延性減弱［10－12］.有研究人員在試驗的基礎(chǔ)上，提出了銹蝕鋼筋屈服強度、極限強度和極限延伸率的退化模型［5－6，13］，為銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估及壽命預(yù)測提供依據(jù).以上的研究，主要針對銹蝕比較均勻的鋼筋，而對沿鋼筋截面及長度方向銹蝕程度差異較大的鋼筋研究較少.

本文的研究是根據(jù)混凝土中鋼筋銹蝕機理［14－15］，通過控制鋼筋周圍混凝土的密實度及氯離子含量的不同，采用通電加速銹蝕方法得到沿鋼筋截面和長度方向不均勻銹蝕的鋼筋.然后，進(jìn)行拉伸試驗得到鋼筋荷載－位移曲線，分析銹蝕率對不均勻銹蝕鋼筋力學(xué)性能的影響規(guī)律.最后，基于試驗數(shù)據(jù)建立了不均勻銹蝕鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)模型，并給出相關(guān)特征參數(shù)的取值.

1 通電加速銹蝕試驗

試驗中考慮了4 種類型的鋼筋:直徑8 mm 和12 mm 光圓鋼筋、直徑12 mm 和16mm 帶肋鋼筋.每種類型的鋼筋預(yù)定銹蝕率從1%變化到15%. 為得到不均勻銹蝕鋼筋，澆筑混凝土板試件，每塊板中放置4 根鋼筋，鋼筋總長度為1 600 mm，兩端各彎起100 mm，澆筑時露出板表面，以方便通電銹蝕時連接電源.

設(shè)計并澆筑6 塊鋼筋混凝土板，板的尺寸為1 500 mm×250 mm×150 mm. 澆筑時，先在板底鋪50 mm 厚的不同粒徑(0 ～20 mm)的石子，上面安放鋼筋;然后在鋪好的石子上面澆筑50 mm 厚的混凝土，強度等級為C50(水泥∶砂∶石∶水=530∶530∶1 100∶180);最后在混凝土表面拍壓入50 mm 厚石子.澆筑完成后進(jìn)行混凝土板的養(yǎng)護，成型后的混凝土鋼筋板如圖1所示.

圖1 澆筑成型的板

由于混凝土中的鋼筋在自然狀態(tài)下銹蝕需要的時間很長，試驗中采用通電加速銹蝕方法，圖2為試驗裝置的示意圖.將同一類型的鋼筋串聯(lián)，與穩(wěn)定直流電源正極連接，不銹鋼棒作為陰極與電源負(fù)極連接，鋼筋混凝土板大部分浸入濃度為5%的NaCl 溶液中，浸泡10 d，使Cl－充分進(jìn)入鋼筋表面. 然后連接穩(wěn)流電源，開始通電. 施加電流過程中，鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，質(zhì)量減小，以達(dá)到鋼筋快速銹蝕的目的.為了得到與實際情況接近的銹蝕鋼筋，試驗控制外加電流表面密度為300 uA/mm2.

圖2 混凝土板通電銹蝕裝置

混凝土板在通電2 d 后，溶液中開始出現(xiàn)紅銹，溶液逐漸變紅.6 d 后，大部分混凝土板的表面出現(xiàn)銹跡，并逐漸出現(xiàn)黑色鐵銹.板的底面同樣出現(xiàn)大量黑銹.隨著銹蝕量的逐漸增大，沿板的側(cè)面出現(xiàn)了不連續(xù)的外溢銹蝕點，并不斷增加，最后逐漸形成一條裂縫，鐵銹中夾雜著綠色物質(zhì)，此物質(zhì)放空氣中逐漸變?yōu)榧t色.混凝土中鋼筋與空氣接觸的部位銹蝕極為嚴(yán)重，出現(xiàn)了環(huán)狀銹坑，銹蝕過程中從該部位流出大量銹蝕產(chǎn)物.

2 鋼筋銹蝕特征分析

將達(dá)到預(yù)定銹蝕時間的鋼筋混凝土板從溶液中取出破型，得到銹蝕鋼筋.用鋼刷子將鋼筋表面的鐵銹清除，并用稀釋后濃度為12%的鹽酸清洗，清洗完畢后用Ca(OH)2溶液進(jìn)行中和，再用清水洗凈，放到烘箱中烘干.觀察銹蝕后的鋼筋，靠近保護層的一側(cè)銹蝕較為嚴(yán)重，表面粗糙，個別鋼筋表面出現(xiàn)密集分布的小坑，而鋼筋另一側(cè)銹蝕較輕或未銹蝕，表面相對光滑，如圖3所示.

圖3 光圓鋼筋銹蝕表面特征比較

為了研究鋼筋沿長度方向銹蝕率的變化進(jìn)行了鋼筋拉伸試驗，將整根鋼筋截成長度約為400 mm左右的單根鋼筋.為了測定不同位置鋼筋的銹蝕率，首先測量整根鋼筋的銹蝕率，然后沿鋼筋長度方向截取50 mm 左右的微段，測量微段的質(zhì)量銹蝕率.得到了銹蝕后不同位置的鋼筋銹蝕率變化情況，任選2 根鋼筋，銹蝕結(jié)果如圖4所示.

對于銹蝕程度不同的不同類型鋼筋，在不同位置銹蝕率有所差異，最大銹蝕率出現(xiàn)的部位隨機分布.由此可見，通過控制外加電流密度大小、鋼筋周圍混凝土的密實度及試件浸泡方式，可以得到沿鋼筋截面和長度方向變化的不均勻銹蝕鋼筋.

3 鋼筋力學(xué)性能試驗

按照金屬材料拉伸試驗方法規(guī)定，使用液壓伺服萬能試驗機進(jìn)行銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗. 試驗前，用細(xì)小刻痕在鋼筋表面做標(biāo)記，以便測量鋼筋伸長率，伸長率計算時選用的標(biāo)距為10d(d 為鋼筋公稱直徑).拉伸試驗結(jié)束后，截取標(biāo)距長度范圍的鋼筋，并將刻痕以外多余的鋼筋磨掉，測定標(biāo)距范圍內(nèi)鋼筋的質(zhì)量銹蝕率. 由于鋼筋銹蝕嚴(yán)重的部位隨機分布，而鋼筋一般在銹蝕嚴(yán)重的地方拉斷，鋼筋出現(xiàn)頸縮的位置也不固定，結(jié)果如圖5所示.

圖4 鋼筋微段銹蝕率沿長度分布圖

通過拉伸試驗得到不同種類的鋼筋在不同銹蝕率情況下的荷載－變形曲線，如圖6所示. 分析發(fā)現(xiàn)，隨著銹蝕率的增加，鋼筋的極限強度和屈服強度有下降的趨勢，破壞時極限位移也有逐漸減小趨勢.

圖5 拉伸試驗鋼筋頸縮

圖6 鋼筋荷載－變形曲線

4 銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

考慮光圓鋼筋一般作為構(gòu)造鋼筋或箍筋使用，屈服段較短，選取雙折線(硬化彈塑性)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系.帶肋鋼筋屈服段相對明顯，且影響結(jié)構(gòu)的后期受力性能，用三段式模型(彈性－理想塑性－硬化塑性)表示，如圖7所示.

圖7 銹蝕鋼筋本構(gòu)模型

已有研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕后彈性模量未見明顯變化［5］.如果未銹鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系已知，則銹蝕率為ηs的銹蝕光圓鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為:

銹蝕鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度和極限應(yīng)變分別為:

式中:acy=1－βyηs，acu=1－βuηs，αcδ=1－βδηs，分別為銹蝕鋼筋名義屈服強度、名義極限強度和極限應(yīng)變相對值;βy，βu，βδ分別為鋼筋銹蝕率對名義屈服強度、名義極限相對值和極限應(yīng)變的影響系數(shù)，ηs為整根鋼筋銹蝕率.

同理得到銹蝕帶肋鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的表達(dá)式為:

式中:εch為銹蝕鋼筋強化應(yīng)變，與未銹鋼筋強化應(yīng)變關(guān)系可用公式表示;為相對值系數(shù).

通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到各特征參數(shù)的取值，見表1.由本構(gòu)模型發(fā)現(xiàn):由于銹蝕鋼筋的應(yīng)力采用名義值，即荷載與鋼筋初始面積的比值，銹蝕鋼筋應(yīng)力隨銹蝕率增加下降.但實際上，如果鋼筋銹蝕后材質(zhì)強度不變，其實際應(yīng)力不會發(fā)生變化，這就需要對鋼筋沿長度方向的銹蝕情況開展進(jìn)一步研究.

表1 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型特征參數(shù)的取值

5 結(jié) 語

1)通過控制外加電流大小、鋼筋周圍混凝土密實度及試件浸泡方式，采用通電加速銹蝕試驗可以得到沿鋼筋截面與長度方向的不均勻銹蝕，這與實際鋼筋銹蝕形態(tài)比較相近. 不均勻銹蝕鋼筋銹蝕嚴(yán)重的部位隨機分布，微段最大銹蝕率會影響鋼筋的受力性能.

2)鋼筋銹蝕程度不同對其荷載－變形關(guān)系會產(chǎn)生影響，隨著銹蝕率的增加，鋼筋屈服荷載、極限荷載和極限伸長率有所下降. 直徑8 mm 的光圓鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變曲線上無屈服平臺，而其它3 種鋼筋的屈服平臺隨鋼筋銹蝕率的增加縮短，直至消失.

3)基于不均勻銹蝕鋼筋拉伸試驗結(jié)果，建立了銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型，對于光圓鋼筋可采用雙折線(硬化彈塑性)模型，對帶肋鋼筋可采用三段式(彈性－理想塑性－硬化塑性)模型.

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