考慮均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的鋼筋力學(xué)與變形性能

余波 丁自豪 劉陽 陳正

摘要：開展了45個混凝土試件中135根加速銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗，分別建立了均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)和變形性能參數(shù)之間的定量關(guān)系，進(jìn)而提出了基于均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的銹蝕鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系模型。結(jié)果表明：銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的相關(guān)性較大，隨著質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對值的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢，而隨著最小剩余截面積相對值和面積點(diǎn)蝕因子的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢;隨著鋼筋銹蝕程度的增加，銹蝕鋼筋的屈服平臺會出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，當(dāng)質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對值分別大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面積相對值和面積點(diǎn)蝕因子分別小于40%和60%左右時，屈服平臺基本消失;輕度銹蝕鋼筋可以利用均勻和非均勻銹蝕特征參數(shù)來描述應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，而重度銹蝕鋼筋采用非均勻銹蝕特征參數(shù)來描述應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線更合理。

關(guān)鍵詞：混凝土;鋼筋;銹蝕特征參數(shù);力學(xué)性能;變形性能;應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系

中圖分類號：TU511.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2019）06-0095-09

混凝土中鋼筋時常發(fā)生銹蝕，不僅會減小鋼筋的有效承載面積，而且還會對鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變等力學(xué)和變形性能產(chǎn)生顯著影響。因此，準(zhǔn)確、全面地分析銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能，對于在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析和安全性評估具有重要意義。

圍繞銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能已開展了大量試驗研究。其中，文獻(xiàn)[1-6]分析了質(zhì)量銹蝕率與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變、屈服平臺長度等力學(xué)和變形性能參數(shù)之間的關(guān)系;Kashani等分析了質(zhì)量銹蝕率對受拉鋼筋延性的影響;張偉平等分析了平均截面銹蝕率與銹蝕鋼筋的力學(xué)與變形性能之間的關(guān)系。由于上述質(zhì)量銹蝕率和平均截面銹蝕率只能從平均意義上描述鋼筋的銹蝕程度，所以，只適用于均勻銹蝕的情況。然而，混凝土屬于典型的非均質(zhì)材料，其內(nèi)部隨機(jī)分布的骨料、孔隙和裂縫等導(dǎo)致混凝土中鋼筋的空間銹蝕分布形態(tài)具有顯著的非均勻性。因此，利用最大截面銹蝕率、最小剩余截面積和點(diǎn)蝕因子等特征參數(shù)能夠更加合理地描述鋼筋的非均勻銹蝕程度。對此，羅小勇等、Lu等分析了最大截面銹蝕率與銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能之間的關(guān)系;曲福來等分析了各微段的最大質(zhì)量銹蝕率與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長率之間的關(guān)系;孫曉燕等建立了最小剩余截面積相對值與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度相對值、極限強(qiáng)度相對值和伸長率之間的關(guān)系;Zhu等分析了最大截面銹蝕率對銹蝕鋼筋延性的影響;Sheng等研究了銹坑形狀、深度和分布對鋼筋的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率的影響;Tang等。分析了最小剩余截面積與銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能之間的關(guān)系;Lu等、Imperatore等分析了面積點(diǎn)蝕因子對銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長率的影響;Balestra等分析了最小直徑對銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長率的影響。由此可見，目前的研究成果大多局限于單一或有限的銹蝕特征參數(shù)分析，難以準(zhǔn)確、全面地描述鋼筋的均勻/非均勻銹蝕形態(tài)對力學(xué)和變形性能的影響。因此，有必要進(jìn)一步開展考慮均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的鋼筋力學(xué)和變形性能分析研究。

筆者首先開展了45個混凝土試件中135根加速銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗，然后，基于試驗數(shù)據(jù)分別建立了均勻銹蝕特征參數(shù)（質(zhì)量銹蝕率）和非均勻銹蝕特征參數(shù)（包括最大截面銹蝕率、最大銹蝕深度相對值、最小剩余截面積相對值和面積點(diǎn)蝕因子）與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)（包括名義屈服強(qiáng)度相對值和名義極限強(qiáng)度相對值）和變形性能參數(shù)（包括屈服應(yīng)變相對值、極限應(yīng)變相對值和屈服平臺長度相對值）之間的定量關(guān)系，進(jìn)而分別建立了基于上述銹蝕特征參數(shù)的銹蝕鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系模型，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證分析。

1鋼筋的加速銹蝕與拉伸試驗

本文試驗與余波等試驗基于同一批試件開展，但二者的試驗內(nèi)容和研究側(cè)重點(diǎn)存在明顯區(qū)別。其中，文獻(xiàn)[22]重點(diǎn)關(guān)注混凝土中鋼筋的空間銹蝕形態(tài)測試裝置和空間銹蝕特征參數(shù)分析方法，而本文重點(diǎn)開展銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗。

1.1混凝土中鋼筋的加速銹蝕試驗

如圖1所示，共制作45個長、寬和高分別為500、d+30和150mm的混凝土試件。其中，d為鋼筋直徑。混凝土中共埋設(shè)135根鋼筋，包括直徑為8和12mm的HPB300級光圓鋼筋各18根，直徑為12mm的HRB400E級帶肋鋼筋18根，以及直徑為16mm的HRB400E級帶肋鋼筋81根。每個試件沿高度方向等間距放置3根鋼筋?；炷翉?qiáng)度等級為C30，混凝土配合比和鋼筋的性能參數(shù)信息見文獻(xiàn)[22]。待銹蝕鋼筋的長度為450mm，鋼筋在加工完后經(jīng)過酸洗、烘干、稱重獲取鋼筋銹蝕前的質(zhì)量Mo。在混凝土試件的兩端表面涂3層環(huán)氧樹脂，以防止NaCl溶液從混凝土端部滲入混凝土內(nèi)部，待環(huán)氧樹脂凝固后，將試件放人溫度為20±2℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7d。試驗采用外加直流電的方法加速混凝土中的鋼筋銹蝕，通過控制通電時間可以得到不同銹蝕程度的鋼筋。通電結(jié)束后，對混凝土試件進(jìn)行破型，取出銹蝕鋼筋，經(jīng)過酸洗、干燥、稱重等步驟，獲取鋼筋銹蝕后的質(zhì)量M1。

1.2銹蝕鋼筋的拉伸試驗

根據(jù)金屬材料拉伸試驗規(guī)范的操作規(guī)定，采用WAW-600型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)開展銹蝕鋼筋的軸向拉伸試驗。用鋼筋打點(diǎn)機(jī)每隔10mm對待測鋼筋進(jìn)行打點(diǎn)處理，并用油性筆在鋼筋銹蝕最嚴(yán)重部位的5倍公稱直徑范圍兩端做標(biāo)記。通過軸向拉伸試驗，可以獲得不同銹蝕程度鋼筋的荷載一位移曲線，如圖2所示。編號P和尺分別表示HPB300級鋼筋和HRB400E級鋼筋，后面的數(shù)字代表鋼筋直徑，Mj（i=1，2，3，…9）表示9種混凝土試件的配合比，A、B、C分別表示在每種配合比條件下的3組混凝土試件，-Ai（i=1，2，3）表示每個混凝土試件中不同位置鋼筋的編號，-i（i=1，2，3，…5）表示未銹蝕鋼筋的編號。由圖2可知，隨著質(zhì)量銹蝕率的增加，鋼筋的屈服荷載和極限荷載及其對應(yīng)的位移都逐漸降低，屈服平臺也隨著質(zhì)量銹蝕率的增加而逐漸減小，甚至消失。此外，質(zhì)量銹蝕率對銹蝕鋼筋荷載一位移曲線在彈性階段的斜率影響相對較小。

1.3銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)

根據(jù)圖2中不同銹蝕程度鋼筋的荷載一位移曲線，可以確定鋼筋銹蝕前后的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，如圖3所示?；赑ark-Paulay模型，可以將銹蝕鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線劃分為彈性段、屈服平臺段及強(qiáng)化段，對應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線為

4結(jié)論

1）銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的相關(guān)性較大，且隨著質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對值的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢，而隨著最小剩余截面積相對值和面積點(diǎn)蝕因子的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢。與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)相比，銹蝕鋼筋的變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的離散性相對更大。