銹蝕鋼筋軸向拉伸疲勞試驗研究

羅小勇，歐陽祥森，2，周正祥，邴繹文

（1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.湖南工程學院 建筑工程學院，湖南 湘潭 411104）

鋼筋銹蝕是服役中鋼筋混凝土構件最常見的老化現(xiàn)象，它不僅造成鋼筋的截面減小，力學性能退化，而且由于銹蝕產物產生的體積膨脹會引起混凝土沿縱筋疏松開裂以及保護層剝落，從而使得混凝土與鋼筋之間的黏結力下降，嚴重影響混凝土結構物的疲勞壽命.銹蝕鋼筋的疲勞性能越來越受到研究者的重視.曹建安等［1］進行了14根銹蝕鋼筋的疲勞試驗，鋼筋來自實際橋梁退化下來的老化構件，試驗結果表明：鋼筋銹蝕后其疲勞壽命顯著降低，疲勞極限應力逐漸消失.Apostolopoulos等［2－3］進行了鋼筋的軸向拉壓疲勞試驗，研究表明，銹蝕鋼筋的疲勞壽命和延性均顯著降低.張偉平等［4］對28根自然銹蝕鋼筋進行了疲勞試驗，試件來自老化混凝土構件，結果表明：在雙對數(shù)坐標下，銹蝕鋼筋的疲勞壽命值和應力幅值仍然表現(xiàn)為線性關系，銹蝕鋼筋疲勞壽命大幅降低.彭修寧等［5］對32根有局部銹坑的鋼筋疲勞性能進行了研究，結果表明：當鋼筋的銹坑較淺時，銹蝕損傷與疲勞荷載損傷是兩種獨立的損傷，它們彼此之間為線性關系；當銹坑較深時，銹坑損傷與循環(huán)荷載損傷兩者之間會相互影響和促進.李士彬等［6］對34根加速銹蝕鋼筋試件進行了軸向拉伸疲勞試驗研究，結果表明：在雙對數(shù)坐標下，銹蝕鋼筋的疲勞壽命值和應力幅值仍然表現(xiàn)為線性關系，銹蝕鋼筋疲勞壽命大幅降低；隨銹蝕率的增大，疲勞曲線的衰減系數(shù)表現(xiàn)出“急劇遞增－平緩遞增－陡然遞增”的三階段遞增特征.以上這些研究中考慮的影響因素有限，如曹建安等［1］只考慮了應力幅對鋼筋疲勞性能的影響；李士彬等［6］，張偉平等［4］則考慮了銹蝕率、應力幅對于鋼筋疲勞性能的影響.總的來說，對于銹蝕鋼筋的疲勞力學性能研究偏少.基于此，本文設計了平均銹蝕率約為0%，3%，6%，9%，12%，15%的6組鋼筋試件，通過軸向拉伸疲勞試驗結果來分析鋼筋銹蝕后疲勞性能的退化規(guī)律；同時與國內外已有的研究成果進行比較，驗證采用人工通電加速銹蝕方法以及所提出的銹蝕鋼筋疲勞壽命退化規(guī)律的可靠性，從而為合理確定既有銹損鋼筋混凝土結構的剩余疲勞壽命提供必要依據(jù)，供結構疲勞性能研究的工程技術人員參考.

1 銹蝕鋼筋疲勞試驗

1.1 試件設計與制作

對8塊澆筑好的1 000mm×500mm×100mm鋼筋混凝土板運用法拉第定律通電加速銹蝕，以獲取銹蝕程度不同的鋼筋試件.每塊板中沿縱向布置兩層鋼筋，每層布置9根，共計144根鋼筋.混凝土板中的鋼筋分布見圖1.鋼筋混凝土板的混凝土設計強度等級為C30；混凝土配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.70∶3.02∶0.43；砂率為36%1）本文所涉及的砂率、比值等均為質量分數(shù)或質量比.；水灰比為0.50.鋼筋：HRB335 φ16.試驗前測得鋼筋的實際屈服強度、極限強度平均值分別為425.0，557.5MPa，平均極限伸長率為28%；實測銹蝕前平均單位長度質量為1.52g／mm.

圖1 板中鋼筋示意圖Fig.1 Digram of steel bars in reinforced concrete slab（size：mm）

進行軸向拉伸疲勞性能試驗時，鋼筋易在端部斷裂.為此，本次銹蝕試驗時對鋼筋端部進行了保護處理.通電銹蝕結束后檢查鋼筋端部發(fā)現(xiàn)沒有銹蝕，絕緣效果良好，見圖2.

圖2 鋼筋試件電解銹蝕圖Fig.2 Corroded steel bars

鋼筋混凝土板在通電銹蝕之前先在濃度為5%的NaCl溶液中浸泡2個月（見圖3），待混凝土板的電阻降低后再進行鋼筋的通電加速銹蝕試驗.鋼筋的銹蝕率與電流強度、通電時間成正比，通過控制電流強度大小和通電時間長短，可以得到試驗所需要的銹蝕量.在進行實驗室加速銹蝕試驗時，根據(jù)試驗設計的6種平均銹蝕率（0%，3%，6%，9%，12%，15%）來設定電流強度I，通過計算即可得到所需的通電時間t.電流強度根據(jù)銹蝕鋼筋表面積的大小來定，一般取0.01～0.02mA／mm2.試驗過程中需要采取絕緣措施來保證電流強度不發(fā)生損失.試驗過程中，鋼筋的銹蝕電流密度都沒有超過3mA／cm2.

圖3 鋼筋混凝土板浸泡通電Fig.3 Reinforced concrete slab for electricity

1.2 實測鋼筋銹蝕率

按照GBJ 82—85《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法》計算鋼筋的銹蝕率.先破型取出鋼筋，用刷子清除鋼筋表面的混凝土雜質和鐵銹，再將銹蝕鋼筋浸泡于濃度為12%的鹽酸溶液中，待鋼筋表面的銹蝕產物酸解后，用清水洗凈，放入石灰水中進行中和反應，最后再用清水洗凈；在干燥箱中烘干后，稱取最終的鋼筋質量.鋼筋最終銹蝕率按公式計算，式中的mw，m0分別為鋼筋銹蝕后及銹蝕前的質量（g）.

1.3 銹蝕鋼筋疲勞試驗加載方案

目前中國還沒有建筑用鋼筋疲勞性能試驗的統(tǒng)一標準.英國混凝土碳素鋼筋標準制定了帶肋鋼筋的疲勞試驗標準規(guī)范：循環(huán)次數(shù)為200萬次，應力比取0.20，加載頻率小于120Hz，對于φ16的鋼筋應力幅取200 MPa.GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》要求HRB335鋼筋，當應力比取0.10時的應力幅限值為162MPa；當應力比取0.20時的應力幅限值為154MPa.TB 1002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》也規(guī)定了鋼筋應力幅容許值為150 MPa.綜上所述，結合GB 3075—82《金屬軸向疲勞試驗方法》，本次鋼筋疲勞性能試驗參數(shù)如下：應力比為0.10，應力幅為200MPa，最大應力為220MPa，最小應力為20 MPa.試驗過程中，當加載頻率超過3Hz時，鋼筋反力架晃動很大，最后將加載頻率定為3Hz.試驗在PMS－500液壓脈動疲勞試驗機上進行，試驗裝置中制作專門的鋼筋反力架將加載壓力傳遞至由錨具錨固的鋼筋上，保證鋼筋受到軸向疲勞拉伸.

2 銹蝕鋼筋疲勞性能試驗結果

鋼筋銹蝕程度不同，對鋼筋力學性能的影響也不相同.按設計的6種平均銹蝕率通電銹蝕后，得到144根鋼筋試件，從中選取銹坑外觀相對均勻的17根鋼筋來完成在空氣中不同應力幅值下的軸向拉伸疲勞性能試驗.結果表明，絕大多數(shù)試件發(fā)生疲勞斷裂部位是在銹坑較深或者鋼筋橫截面銹損嚴重的位置；試驗過程中仍然有一部分鋼筋在夾口處斷裂，對于后者本文未將其試驗數(shù)據(jù)列入分析；剩余13根鋼筋的實測銹蝕率以及對應的軸向拉伸應力幅值分別為：實測銹蝕率分別為0%，3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%，17.20%的7 根鋼筋其疲勞荷載應力幅取200 MPa；實測銹蝕率分別為9.23%，12.46%，16.66%的3根鋼筋其疲勞荷載應力幅取240 MPa；實測銹蝕率分別為8.86%，11.54%，14.96%的3根鋼筋其疲勞荷載應力幅取280MPa；具體試驗參數(shù)和試驗結果見表1.此外，為了確定銹損后的鋼筋在靜力作用下的力學性能，從完成拉伸試驗的17根鋼筋試件中選取疲勞荷載應力幅值為200MPa的6根不同銹蝕率的鋼筋再進行一定疲勞次數(shù)的荷載－應變測試，以分析其彈性模量和殘余應變隨銹蝕率及疲勞累積損傷而發(fā)生變化的規(guī)律.

2.1 銹蝕鋼筋疲勞破壞形態(tài)

對疲勞破壞后的鋼筋及其斷裂截面進行拍照，列舉部分試件的斷面形態(tài)如圖4 所示.銹蝕鋼筋疲勞斷裂截面大部分較為平整，只有小部分中間有一定的凹陷；鋼筋斷裂面整齊，沒有出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象；斷裂截面方向大部分與鋼筋長度方向垂直，只有小部分表現(xiàn)為斜截面.銹蝕鋼筋的疲勞斷口存在明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū).鋼筋斷裂部位發(fā)生在鋼筋銹蝕最嚴重區(qū)域以及鋼筋銹蝕與未銹蝕分界面.鋼筋銹蝕最嚴重區(qū)域的鋼筋應力最大，鋼筋容易在此斷裂.在鋼筋銹蝕與未銹蝕分界面上存在著應力突變現(xiàn)象，鋼筋容易在此疲勞斷裂.銹蝕鋼筋疲勞破壞前，未出現(xiàn)任何征兆，表現(xiàn)為脆性破壞.

2.2 銹蝕鋼筋疲勞損傷后的荷載－應變關系

為了解疲勞累積損傷對不同銹蝕率鋼筋力學性能的影響，本試驗進行了一定疲勞損傷后鋼筋的荷載－應變性能測試，研究其變化趨勢及原因.從17根完成軸向拉伸疲勞性能試驗的試件中選取疲勞荷載應力幅值均為200MPa的6根不同銹蝕率鋼筋進行靜力荷載－應變性能測試.對要進行該測試的鋼筋施加疲勞荷載一定次數(shù)后暫停疲勞荷載，在鋼筋上布置應變片，再進行靜力荷載－應變測試，選用應變片是標距為1mm 的膠基箔式電阻應變片.完成靜力荷載－應變測試后繼續(xù)疲勞加載，如此反復直至試件疲勞斷裂.對測試數(shù)據(jù)進行整理得到鋼筋的荷載－應變關系，部分結果如圖5所示（圖中n為加載次數(shù)）.

表1 不同銹蝕率鋼筋的疲勞性能Table 1 Fatigue characteristic of steel bars with different corrosion rates

圖4 銹蝕鋼筋疲勞斷口宏觀形貌Fig.4 Macro－patterns for fatigue rupture section of corroded steel bars

試驗中，不同銹蝕率鋼筋試件暫停疲勞加載的次數(shù)是不同的.低銹蝕率的鋼筋試件可每加載10萬次后再暫停加載，進行靜力荷載－應變測試；高銹蝕率的鋼筋，考慮到鋼筋銹損嚴重故減少每一次的加載次數(shù)，防止其在疲勞加載中斷裂而無法進行靜力測試.

考慮到疲勞損傷后銹蝕鋼筋的荷載－應變性能測試不能對鋼筋的后續(xù)性能試驗造成影響，本次試驗只對鋼筋彈性階段的荷載－應變關系進行研究，而對其屈服階段及后續(xù)階段未作研究.對試驗結果進行的分析表明，鋼筋銹蝕率很小時，其荷載－應變曲線表現(xiàn)出良好的線性關系；當鋼筋銹蝕率達到約6%時，其荷載－應變曲線的斜率隨著荷載的增加逐漸減小，說明鋼筋剛度開始減小，其彈性模量在銹蝕和疲勞荷載雙重作用下逐步降低；當鋼筋銹蝕率增大到約12%時，其荷載－應變曲線變得發(fā)散，曲線斜率則稍有增加，說明鋼筋的彈性模量在銹蝕率增加到一定程度時又有所回升；之后隨著鋼筋銹蝕率繼續(xù)增加，鋼筋的彈性模量又呈明顯的下降趨勢.

2.3 銹蝕鋼筋的疲勞曲線

銹蝕鋼筋的等幅疲勞強度關系曲線可以有多種假定，包括拋物線、直線和折線［7］，本次試驗采取直線形式.銹蝕鋼筋軸向拉伸疲勞性能試驗過程中，考慮銹蝕鋼筋均勻截積損失（假定截面均勻銹蝕，截面積減少相同）的影響，應力幅Δσ 被名義應力幅Δσc代替（名義應力幅按鋼筋均勻銹蝕后的剩余面積計算）.銹蝕鋼筋的疲勞性能采用雙對數(shù)坐標下名義應力幅值Δσc和疲勞壽命N 的關系表示：lg N＝AmlgΔσc，式中的A 和m 為與鋼筋銹蝕率有關的系數(shù).將表1中應力幅分別為200，240，280MPa，平均銹蝕率約為9%，12%，15%的試驗數(shù)據(jù)按上述方程進行線性回歸，可以獲得不同銹蝕率下銹蝕鋼筋疲勞曲線的系數(shù)A，m 及相關系數(shù)R，如圖6 及表2所示.

圖5 疲勞損傷后銹蝕鋼筋荷載－應變發(fā)展規(guī)律Fig.5 Load－strain law of corroded steel bars after fatigue damage

圖6 銹蝕鋼筋疲勞曲線Fig.6 Fatigue curves of corroded steel bar

表2 銹蝕鋼筋疲勞曲線的系數(shù)A，m 及相關系數(shù)RTable 2 Coefficient of corroded steel bar fatigue curve

由表2可見，不同銹蝕率鋼筋的疲勞曲線相關系數(shù)均在0.99以上，表明銹蝕后鋼筋的疲勞應力幅與疲勞壽命之間呈現(xiàn)出良好的線性關系；m 值隨著銹蝕率的增大先增大后減小，即應力幅對鋼筋疲勞性能的影響大小為：平均銹蝕率為12%的鋼筋＞平均銹蝕率為15%的鋼筋＞平均銹蝕率為9%的鋼筋.這與李士彬等［6］得出的m 值隨著銹蝕率的增大而逐漸增大的結論出現(xiàn)差異.出現(xiàn)差異的原因很可能是試驗數(shù)據(jù)的離散性和有限性、鋼筋銹蝕的不均勻性以及試驗方案和材料儀器的差異性所致.

在不同的應力幅值下，鋼筋的疲勞壽命隨平均銹蝕率的發(fā)展按指數(shù)規(guī)律衰減，其疲勞壽命與平均銹蝕率的關系見圖7.當鋼筋銹蝕率相近（如12%左右）時，應力比與疲勞壽命的關系見表3.

圖7 鋼筋平均銹蝕率對疲勞壽命的影響Fig.7 Influence of average corrosion rate of steel bar on fatigue life

由圖7可見，鋼筋的疲勞壽命隨其銹蝕率的增大而急劇縮短，當應力幅為200 MPa時，平均銹蝕率約為3%，6%，9%，12%，15%（實測銹蝕率為3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%）的鋼筋疲勞壽命較未銹蝕鋼筋分別降低了51.26%，60.84%，65.82%，71.04%，79.22%；由表3 可見，在鋼筋銹蝕率相近（約12%），應力幅為200 MPa時，應力比為0.24，0.34的鋼筋疲勞壽命較應力比為0.10的鋼筋分別降低了8.6%，13.6%.銹蝕鋼筋的疲勞壽命隨應力比增大反而降低這一規(guī)律與鋼筋混凝土梁疲勞壽命隨應力比增加而增加的規(guī)律相反.出現(xiàn)差異的原因很可能是由于所選試件偏高的銹蝕率以及鋼筋銹蝕的不均勻性、試驗的隨機性所致.本次試驗的結果只能說明在銹蝕鋼筋的受力過程中可能會出現(xiàn)由于銹蝕率的影響而出現(xiàn)高應力比、低疲勞壽命的現(xiàn)象.

表3 應力比對鋼筋疲勞性能的影響Table 3 Influence of stress ratios on fatigue characteristic of steel bars

3 銹蝕鋼筋疲勞壽命預測模型

銹蝕鋼筋疲勞性能試驗中每個試件的截面銹蝕率都不同，所承受的應力幅也不盡相同，如果能夠建立充分考慮鋼筋銹蝕率和應力幅值的疲勞壽命計算公式，對預測銹蝕受損鋼筋的疲勞壽命將會有十分重要的意義.基于對試驗結果的分析，由圖6可以看出銹蝕鋼筋的疲勞曲線在雙對數(shù)坐標下仍為直線.假定圖6中3條疲勞曲線的A，m 值均與平均截面銹蝕率ηs 線性相關，基于文獻［4，6］以及本文試驗結果，經多元線性回歸分析，可建立以下銹蝕鋼筋疲勞曲線方程：

式（1）～（3）可用以下統(tǒng)一計算公式表示：

上式可用于計算銹蝕鋼筋在給定應力幅條件下的疲勞壽命，也可用于計算銹蝕鋼筋在給定循環(huán)次數(shù)下的疲勞強度.

4 結論

（1）銹蝕鋼筋疲勞斷裂截面較為平整，并未出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.疲勞破壞前，沒有任何征兆，表現(xiàn)為脆性破壞.鋼筋斷裂部位發(fā)生在鋼筋銹蝕最嚴重區(qū)域和鋼筋銹蝕與未銹蝕分界面.

（2）不同銹蝕率鋼筋隨著疲勞損傷的累積，開始出現(xiàn)殘余應變；銹蝕鋼筋的彈性模量隨著荷載的增加開始變小.

（3）隨著銹蝕率的增大，鋼筋的疲勞壽命急劇縮短.應力幅為200 MPa時，實測銹蝕率為3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%的鋼筋疲勞壽命較未銹蝕鋼筋分別降低了51.26%，60.84%，65.82%，71.04%，79.22%；應力幅為200 MPa時，應力比為0.24，0.34鋼筋的疲勞壽命分別較應力比為0.10時降低了8.6%，13.6%.

（4）通過回歸分析，建立了銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，為明確不同銹蝕程度的鋼筋在一定應力幅作用下的疲勞壽命或者一定疲勞壽命下所能承受的最大應力幅值提供了有效的計算方法.

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