不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線基本力學(xué)性能分析

許開(kāi)成，朱東勉，陳夢(mèng)成 ，謝國(guó)強(qiáng)，付　斌

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌　330013；2.江西省建筑過(guò)程模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌　330013)

鋼絞線在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛，其對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)特別是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的重要性不言而喻[1-2]。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)往往需要暴露在各種惡劣環(huán)境中，比如海洋環(huán)境、酸性土壤等。這些環(huán)境會(huì)加速鋼絞線的腐蝕，致使結(jié)構(gòu)承載力未達(dá)到使用年限就發(fā)生極大的衰減，甚至在短時(shí)間引起結(jié)構(gòu)破壞[3-5]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)腐蝕鋼筋的基本力學(xué)性能展開(kāi)了大量的研究并取得了一系列的研究成果[6-8]，同時(shí)對(duì)腐蝕鋼絞線的基本力學(xué)性能也有研究。余芳等[9]對(duì)腐蝕后的鋼絞線進(jìn)行單軸拉伸疲勞試驗(yàn)，給出不同保證率下腐蝕鋼絞線的疲勞強(qiáng)度建議值。DARMAWAN等[10]對(duì)通電腐蝕鋼絞線進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，研究了鋼絞線腐蝕后力學(xué)性能退化問(wèn)題，但腐蝕形態(tài)的差異使其研究結(jié)果不能很好地反映實(shí)際情況。李富民等[11]用內(nèi)摻鹽和外浸鹽2種方式在自然氣候條件下作了混凝土內(nèi)鋼筋與鋼絞線銹蝕的對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)其銹蝕特性進(jìn)行了電化學(xué)機(jī)理分析。

以上研究只對(duì)單一介質(zhì)下腐蝕后鋼絞線的力學(xué)性能作出了相關(guān)分析，而不同腐蝕介質(zhì)下腐蝕鋼絞線基本力學(xué)性能退化規(guī)律的相關(guān)分析卻鮮有嘗試。本文將鋼絞線試件放入不同腐蝕介質(zhì)中，通電使其加速腐蝕并測(cè)定腐蝕率，隨后將腐蝕后的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對(duì)不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線腐蝕后力學(xué)性能退化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

1　試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用江西華洲鋼絞線有限公司生產(chǎn)的工程常用公稱直徑15.2 mm 7股鋼絞線,主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。鋼絞線實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為 1 826 MPa，極限強(qiáng)度為 1 932 MPa，彈性模量為1.95×105GPa。

表1　鋼絞線主要化學(xué)成分　%

酸雨溶液是由多種腐蝕性離子組合而成的一種混合性酸性溶液。為得到模擬酸雨溶液中各腐蝕性離子對(duì)鋼絞線的腐蝕影響權(quán)重以及其他腐蝕介質(zhì)下鋼絞線的腐蝕速率，根據(jù)江西地區(qū)氣象資料[12]配置了模擬酸雨溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液、硝酸鈉溶液、硫酸鈉溶液。編號(hào)GW，GY，GL，GX，GS分別表示無(wú)腐蝕、模擬酸雨溶液、氯化鈉溶液、硝酸鈉溶液、硫酸鈉溶液5種腐蝕介質(zhì)。

本試驗(yàn)通過(guò)外加直流電加速試件的腐蝕，除腐蝕試件外，預(yù)留一部分無(wú)腐蝕鋼絞線作對(duì)比試件。根據(jù)鋼絞線拉伸試驗(yàn)要求，選取每根鋼絞線的長(zhǎng)度為900 mm。

1.2　鋼絞線腐蝕率的測(cè)定

鋼絞線腐蝕率與電流強(qiáng)度和腐蝕時(shí)間成正比，在鋼絞線發(fā)生電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，依據(jù)法拉第定律[13]，確定通電腐蝕時(shí)間。待腐蝕結(jié)束后，取出鋼絞線，清除表面的浮銹后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。待試驗(yàn)結(jié)束后收集試件，在同一鋼絞線上截取同等長(zhǎng)度的腐蝕段和無(wú)腐蝕段作為一組記下編號(hào)。先用電子秤(精度為0.1 g)稱取各組無(wú)腐蝕段的初始質(zhì)量m0，然后按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]的要求，用12%的鹽酸溶液對(duì)同組鋼絞線進(jìn)行酸洗，直到腐蝕鋼絞線表面的銹蝕產(chǎn)物完全清除。將鋼絞線撈出，依次用清水漂洗、石灰水中和，再以清水沖洗干凈。放入干燥箱中烘干后取出，用電子秤分別稱取各組鋼絞線酸洗后的質(zhì)量，記作mn，n取1～7。由m0和mn求出腐蝕率η。

1.3　靜力拉伸試驗(yàn)

鋼絞線靜力拉伸試驗(yàn)在電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，鋼絞線位移量測(cè)量標(biāo)距按GB/T 5224—2003《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》[15]要求取規(guī)定的最小值500 mm。

YSJ500/50-ZC電子引伸計(jì)的精度為1級(jí)，夾持方式為橡皮筋綁定，最大變形為25 mm。試驗(yàn)時(shí)引伸計(jì)夾在鋼絞線中部，當(dāng)鋼絞線試件達(dá)到屈服階段時(shí)，立即松掉橡皮筋取下引伸計(jì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集試驗(yàn)過(guò)程所有數(shù)據(jù)并繪制荷載-位移曲線，試驗(yàn)裝置如圖1所示。為獲得全程拉伸曲線，加載全過(guò)程采用位移控制方式，加載速度為0.5 mm/min。腐蝕試樣和無(wú)腐蝕試樣均加載至出現(xiàn)1批斷絲時(shí)停止試驗(yàn)。

圖1　鋼絞線靜力拉伸裝置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　腐蝕形態(tài)及斷口形態(tài)

試驗(yàn)過(guò)程中未腐蝕鋼絞線在極限變形之后7根鋼絲同時(shí)發(fā)生斷裂，隨著腐蝕率的增加鋼絞線發(fā)生2根或者多根鋼絲同時(shí)斷裂，且斷口多集中在坑蝕嚴(yán)重處。通過(guò)對(duì)除銹后的鋼絞線斷口形態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)斷口形式主要有杯錐式、杯錐-銑刀式、銑刀式、劈裂-銑刀式、劈裂式。其中劈裂-銑刀式和劈裂式?jīng)]有出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，屬于脆性斷口，見(jiàn)圖2。可以看出，在腐蝕介質(zhì)下鋼絞線斷口形式基本都隨著腐蝕率的增加，由杯錐式逐漸向劈裂式轉(zhuǎn)變，表明鋼絞線塑性性能隨腐蝕率的增大而逐步退化。

圖2　腐蝕鋼絞線拉伸破壞形態(tài)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，腐蝕鋼絞線鋼絲不同斷裂特征是由腐蝕坑底部珠光體團(tuán)的位向決定的。當(dāng)腐蝕坑底部珠光體團(tuán)的位向與鋼絲縱軸線間的夾角較小時(shí)，會(huì)形成杯錐式和銑刀式斷口；當(dāng)腐蝕坑底部珠光體團(tuán)的位向與鋼絲縱軸線間的夾角較大時(shí)，會(huì)形成劈裂式和劈裂-銑刀式斷口。在本試驗(yàn)中當(dāng)鋼絞線腐蝕率為5%～10%時(shí)，酸雨溶液、5%硫酸鈉溶液和5%氯化鈉溶液3種腐蝕介質(zhì)下斷口形態(tài)以杯錐式、銑刀式為主，而在腐蝕介質(zhì)為5%硝酸鈉溶液時(shí)，斷口形態(tài)主要呈現(xiàn)劈裂-銑刀式和劈裂式，說(shuō)明在硝酸鈉溶液中腐蝕后的鋼絞線塑性性能發(fā)生退化的速度更快，在同等腐蝕程度下試件發(fā)生脆性破壞的幾率更高。

2.2　荷載-位移曲線

圖3　不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線的荷載-位移曲線

不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線的荷載-位移曲線見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：4種不同腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼絞線的力學(xué)性能都有影響，隨著腐蝕率的增大鋼絞線的極限拉力逐漸降低，屈服段逐漸縮短直至消失；隨著腐蝕率的進(jìn)一步增大，鋼絞線在彈性狀態(tài)下斷裂，并且這一現(xiàn)象隨著腐蝕率的增大而越來(lái)越顯著。分析其原因，無(wú)腐蝕鋼絞線中各鋼絲未受到腐蝕坑的影響，各鋼絲之間的極限拉力相差不大，因而可以在完成較大拉伸變形后發(fā)生同步斷裂；而腐蝕后的鋼絞線各鋼絲受到腐蝕坑的影響，外部鋼絲存在不同程度的損傷，各鋼絲之間的極限拉力互不相同，從而引起各鋼絲不同步斷裂，其中損傷較嚴(yán)重的鋼絲在拉伸變形不大時(shí)就開(kāi)始斷裂。在本試驗(yàn)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸鈉溶液對(duì)鋼絞線強(qiáng)化階段的影響較其他腐蝕介質(zhì)更為顯著。當(dāng)腐蝕率η≥15%時(shí)，鋼絞線頸縮現(xiàn)象基本消失，試件趨于脆性破壞。

2.3　名義屈服強(qiáng)度

由于鋼絞線屬于硬鋼，其強(qiáng)度高，塑性差，從加載到拉斷沒(méi)有明顯的屈服臺(tái)階，所以這類鋼材只有一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，即極限抗拉強(qiáng)度。但是在設(shè)計(jì)中，極抗拉限強(qiáng)度不能作為鋼筋強(qiáng)度取值的依據(jù)。因此工程上一般取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為無(wú)屈服點(diǎn)鋼筋的名義屈服強(qiáng)度。不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值-腐蝕率關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖4　不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值-腐蝕率 關(guān)系曲線

從圖4可以看出：4種腐蝕介質(zhì)下試件的名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值隨腐蝕率的增大呈線性逐漸下降，同時(shí)試件斷口處頸縮現(xiàn)象越來(lái)越不明顯，表明隨著腐蝕率的增大腐蝕鋼絞線的塑性逐漸被削弱。這是由于腐蝕坑的形成不同程度地減小了受拉截面面積，同時(shí)也產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼絲的斷裂概率大幅增加，使得全截面平均應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度之前出現(xiàn)斷裂?？梢灶A(yù)計(jì)，隨腐蝕率的增大坑蝕效應(yīng)也將更加顯著，因而未屈服而先斷裂的概率也將增大。這點(diǎn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸鈉溶液中腐蝕時(shí)尤為突出。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值與腐蝕率之間的線性關(guān)系分別為

ζyy=1-0.012η

(1)

ζyl=1-0.014η

(2)

ζyx=1-0.015η

(3)

ζys=1-0.010η

(4)

式中：ζyy，ζyl，ζyx，ζys分別表示鋼絞線在模擬酸雨溶液、5%氯化鈉溶液、5%硝酸鈉溶液、5%硫酸鈉溶液4種腐蝕介質(zhì)下腐蝕鋼絞線的名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值。

2.4　名義極限強(qiáng)度

名義極限強(qiáng)度為腐蝕鋼絞線的極限荷載與未腐蝕鋼絞線截面面積之比。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到如圖5所示的不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線名義極限強(qiáng)度相對(duì)值-腐蝕率關(guān)系曲線。當(dāng)腐蝕率η為0～8%時(shí)試件的名義極限強(qiáng)度相對(duì)值呈線性下降，當(dāng)η為8%～12%時(shí)，試件的名義極限強(qiáng)度相對(duì)值在一定的數(shù)值附近上下浮動(dòng)。這可能是由于材料本身的不均勻性以及坑蝕效應(yīng)的隨機(jī)性所致。同時(shí)在拉伸試驗(yàn)中由于腐蝕坑使得截面凹凸不平，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，從而使得腐蝕坑周圍出現(xiàn)微裂縫。隨著荷載的增加，在應(yīng)力作用下裂縫會(huì)迅速擴(kuò)展貫穿，導(dǎo)致鋼絞線被拉斷。但從總體來(lái)看，導(dǎo)致腐蝕后鋼絞線強(qiáng)度減小的原因主要有2點(diǎn)：①腐蝕后鋼絞線截面面積減小，導(dǎo)致其承載力下降;②腐蝕后鋼絞線表面腐蝕比較嚴(yán)重，受力以后出現(xiàn)應(yīng)力集中從而降低其承載力。

圖5　不同腐蝕介質(zhì)下鋼絞線名義極限強(qiáng)度 相對(duì)值-腐蝕率關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到在4種不同腐蝕介質(zhì)下腐蝕后鋼絞線名義極限強(qiáng)度相對(duì)值與腐蝕率的線性關(guān)系分別為

ξuy=1-0.012η

(5)

ξul=1-0.015η

(6)

ξux=1-0.018η

(7)

ξus=1-0.014η

(8)

式中：ξuy，ξul，ξux，ξus分別表示鋼絞線在模擬酸雨溶液、5%氯化鈉溶液、5%硝酸鈉溶液、5%硫酸鈉溶液4種腐蝕介質(zhì)下腐蝕后鋼絞線的名義極限強(qiáng)度相對(duì)值。

2.5　彈性模量

從腐蝕后鋼絞線試件彈性模量試驗(yàn)結(jié)果(表2)可以看出：腐蝕后鋼絞線彈性模量總體呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明腐蝕后鋼絞線試件剛度發(fā)生了退化。各腐蝕試件的彈性模量在173～203 GPa，當(dāng)腐蝕率η<15%時(shí)彈性模量隨著腐蝕率的增加逐漸降低，但速率很慢，腐蝕率每增加2%，彈性模量減少不到1%。當(dāng)η>15%時(shí)彈性模量開(kāi)始加速降低?？梢哉J(rèn)為η=15%為彈性模量退化速率分界點(diǎn)。分析原因，在腐蝕率較小的階段鋼絞線仍能保持良好的整體受力性能，其彈性模量與未腐蝕鋼絞線彈性模量基本相似，當(dāng)腐蝕率較高時(shí)鋼絞線外側(cè)鋼絲的橫截面面積損失相對(duì)比較顯著，導(dǎo)致拉伸過(guò)程中鋼絲間相互擠壓咬合作用減弱，造成整體剛度下降，彈性模量顯著減小。

表2　腐蝕后鋼絞線試件彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

2.6　極限伸長(zhǎng)率

從腐蝕鋼絞線的荷載-位移曲線(圖3)可見(jiàn)：腐蝕鋼絞線的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度較未腐蝕鋼絞線均不同程度地降低；隨著腐蝕率的增加，彈性階段以及強(qiáng)化階段的曲線都相應(yīng)地縮短，即鋼絞線的彈性及塑性性能都在逐漸退化，同時(shí)延性不斷變差。當(dāng)腐蝕率進(jìn)一步增大時(shí)塑性性能幾乎完全退化，試件在彈性階段發(fā)生脆性破壞。

從腐蝕后鋼絞線試件伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果(表3)也可以看出：腐蝕率較低時(shí)，隨著腐蝕率的增大鋼絞線的伸長(zhǎng)率急劇縮??；當(dāng)腐蝕率進(jìn)一步增大時(shí)，伸長(zhǎng)率不再會(huì)隨腐蝕率的增大而急劇減小。腐蝕率η>12%時(shí)，鋼絞線伸長(zhǎng)率已基本保持不變。分析原因，腐蝕初期鋼絞線表面出現(xiàn)腐蝕坑，在相同的拉力下腐蝕坑處的截面面積小，產(chǎn)生的應(yīng)力較大，在整根鋼絲還沒(méi)達(dá)到極限伸長(zhǎng)率時(shí)，鋼絲在腐蝕坑處已經(jīng)拉斷，拉斷時(shí)每根鋼絲的伸長(zhǎng)率較未腐蝕鋼絲的極限伸長(zhǎng)率小，故整束鋼絞線的極限伸長(zhǎng)率減小。腐蝕后期鋼絞線都在彈性階段發(fā)生脆性破壞，其伸長(zhǎng)只在彈性階段進(jìn)行，故嚴(yán)重腐蝕的鋼絞線試件其極限延伸長(zhǎng)度相近，其極限伸長(zhǎng)率均不再隨腐蝕率的增大而變化。4種腐蝕介質(zhì)下5%硝酸鈉溶液對(duì)于鋼絞線的影響遠(yuǎn)大于其他三者。分析原因，在相同的腐蝕率下5%硝酸鈉溶液形成的腐蝕坑分布比其他三者更為集中且深度亦大于其他三者。由此，腐蝕率并不能作為鋼絞線力學(xué)性能退化的唯一指標(biāo)，還需考慮腐蝕坑的分布密度及深度的影響。

表3　腐蝕鋼絞線試件伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

3　腐蝕鋼絞線應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)腐蝕后的鋼絞線提出了一些本構(gòu)關(guān)系模型，但是由于試驗(yàn)的參數(shù)不同，其本構(gòu)關(guān)系差異性較大，且均比較復(fù)雜，不適合應(yīng)用。本文根據(jù)極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量及伸長(zhǎng)率的退化關(guān)系，提出雙折線本構(gòu)關(guān)系模型,如圖6所示。圖中：σpc,εpc分別為腐蝕鋼絞線的應(yīng)力和應(yīng)變;σb,η,Epc分別為腐蝕鋼絞線的屈服強(qiáng)度和彈性模量，其值均可用未腐蝕鋼絞線的值乘以式(1)―式(8)求出的相對(duì)系數(shù)獲得。

圖6　腐蝕鋼絞線雙折線本構(gòu)關(guān)系模型

本文依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果定義0.85倍屈服強(qiáng)度為鋼絞線名義屈服強(qiáng)度。由于實(shí)際工程當(dāng)中鋼絞線腐蝕率往往不會(huì)超過(guò)20%，因而本文只考慮腐蝕率<20%時(shí)的情況。用公式可表示為

當(dāng)η<8%時(shí)

(9)

當(dāng)8%≤η<20%時(shí)

σ=εEpc,ε<δη

(10)

式中：δη為腐蝕鋼絞線的伸長(zhǎng)率。

4　結(jié)論

1)未腐蝕鋼絞線拉伸試件破壞后截面斷口形態(tài)呈杯錐式。隨著腐蝕率的增加，破壞后截面斷口形態(tài)由杯錐式逐漸變?yōu)榕咽剑摻g線頸縮現(xiàn)象消失，鋼絞線延性逐漸退化，最后趨于脆性破壞。

2)在4種不同腐蝕介質(zhì)下，鋼絞線的力學(xué)性能均隨腐蝕率的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，且基本上呈線性變化。相同腐蝕率下5%硝酸鈉溶液對(duì)于鋼絞線力學(xué)性能的影響更為顯著，因此腐蝕率不能作為腐蝕鋼絞線力學(xué)性能退化的唯一指標(biāo)，還需考慮腐蝕坑的分布密度及深度的影響。

3)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建立了以腐蝕率為控制參數(shù)，與腐蝕鋼絞線相適應(yīng)的雙折線本構(gòu)關(guān)系模型。

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