室內(nèi)外2種環(huán)境下銹蝕鋼筋的物理力學(xué)試驗分析

楊光,胡軒浙,譚俊,王云洋,李明

(湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,湖南 常德,415000)

鋼筋長時間裸露在自然環(huán)境下其有效直徑、重量等物理參數(shù)以及伸長率、屈服強度、極限強度等力學(xué)性能均會因銹蝕產(chǎn)生劣化,造成重量尺寸等物理性狀偏差過大,力學(xué)性能下降,若直接使用則會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性帶來安全隱患[1]。

鋼筋銹蝕現(xiàn)象主要是由局部的點蝕開始再逐步擴展至鋼筋的全部表面,銹蝕現(xiàn)象并不是均勻分布的,形態(tài)各異的部分點蝕或蝕坑缺陷會對鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響[2],針對銹蝕后鋼筋的物理力學(xué)性質(zhì)的影響,國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量試驗研究。鋼筋銹蝕后會減小鋼筋的有效截面積和質(zhì)量,進而影響鋼筋的力學(xué)性質(zhì),隨著鋼筋銹蝕程度的增大鋼筋的力學(xué)性質(zhì)呈減小趨勢[3-4]。部分學(xué)者對鋼筋不均勻銹蝕后的力學(xué)特性進行分析,建立了線性的[5]和非線性[6]的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型。鋼筋銹蝕后表面的生銹物質(zhì)會引起體積發(fā)生膨脹、剝離等現(xiàn)象,在鋼筋自身性能劣化的同時對周圍包裹的混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力并減小鋼筋混凝土材料間的粘結(jié)力[7],進而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命,不少學(xué)者研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)因鋼筋銹蝕出現(xiàn)材料組合性能劣化下降的情況[8],并根據(jù)鋼筋的銹蝕劣化規(guī)律對其使用壽命進行了探索分析和預(yù)測[9]。

目前,國內(nèi)外研究人員主要采用外加電流和模擬氣候環(huán)境這2種人工干預(yù)的方法來加速鋼筋銹蝕以獲得不同銹蝕程度及銹蝕缺陷的試驗材料[4],對在長時間裸露在自然狀態(tài)下銹蝕鋼筋的物理力學(xué)性能研究鮮有報道。本文通過對在室內(nèi)外2種不同環(huán)境中裸露在自然狀態(tài)下長達4年時間的銹蝕鋼筋進行試驗對比及統(tǒng)計分析,探索其物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律,以期為評估鋼筋銹損及物理力學(xué)性能變化情況提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

在停工時間長達4年的某建筑工地上選取室內(nèi)潮濕環(huán)境和室外露天環(huán)境下自然銹蝕的2種不同直徑規(guī)格的HRB335鋼筋:室內(nèi)潮濕環(huán)境下銹蝕均勻的公稱直徑為12 mm的鋼筋和公稱直徑為22 mm的鋼筋各10根;室外露天環(huán)境下銹蝕均勻的公稱直徑為12 mm的鋼筋和公稱直徑為22 mm的鋼筋各10根。用切割機將選取的銹蝕鋼筋切割成長度不小于500 mm的試樣,并對試件端頭進行平整化處理。對不同環(huán)境和公稱直徑的鋼筋試樣進行編組編號,編組分別為:(1)室內(nèi)潮濕環(huán)境φ12鋼筋A(yù)組;(2)室外露天環(huán)境φ12鋼筋B組;(3)室內(nèi)潮濕環(huán)境φ22鋼筋A(yù)組;(4)室外露天環(huán)境φ22鋼筋B組,如圖1所示。

圖1 試驗鋼筋試件及分組

對鋼筋試件先后進行除銹→稱重測量→長度、直徑測量→拉伸試驗→伸長率測量。具體測試方法為:(1)先用鋼絲球刷洗銹蝕鋼筋試件表面銹蝕物,浸泡在除銹液中30 min后用蒸餾水沖洗干凈并用吸水濾紙吸干,然后在電烘箱中烘干,最后用電子天平依次稱量鋼筋除銹后的試件質(zhì)量,重量讀數(shù)精確至0.01 g;(2)使用鋼直尺測量各鋼筋試件的長度,長度讀數(shù)精確至1 mm,使用數(shù)顯游標卡尺測量各鋼筋試件的直徑,直徑讀數(shù)精確至0.01 mm,鋼筋試件的長度和直徑分別測量3次后取平均值;(3)采用50 mm定值作為原始標距,并用打點機在試件上打點標記,以便試驗完成后測量其伸長率。使用液壓萬能試驗機拉伸試驗時,加載過程按鋼筋拉伸試驗執(zhí)行標準[10]控制。試件拉斷后,用游標卡尺測量試件斷后伸長量,最后計算鋼筋試件的斷后伸長率。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼筋銹蝕率測量

稱重法是目前最常用的測量銹蝕鋼筋銹蝕率的方法,通過直接比較鋼筋銹蝕前和鋼筋銹蝕后的質(zhì)量差來獲取銹蝕鋼筋銹蝕程度的大小。與人工加速鋼筋銹蝕試驗不一樣的是在施工現(xiàn)場截取的鋼筋試樣在未銹蝕前的質(zhì)量和強度信息是未知的,只能通過鋼筋銘牌上的出廠信息獲取。根據(jù)鋼筋的銘牌得出鋼筋φ12鋼筋的公稱橫截面積為113.1 mm2,理論質(zhì)量為0.888 kg/m;φ22鋼筋的公稱橫截面積為380.1 mm2,理論質(zhì)量為2.980 kg/m。

鋼筋銹蝕率也可用名義質(zhì)量銹蝕率δ來表示[2],其計算公式為

式中:m0為試件的理論質(zhì)量;mc為試件除銹后的質(zhì)量。

經(jīng)過計算統(tǒng)計,各試件的銹蝕率δ分布和各組試件的平均銹蝕率情況如圖2所示。

圖2 各組銹蝕鋼筋試件銹蝕率統(tǒng)計分析圖

由圖2可知:(1)經(jīng)過4年時間的銹蝕,鋼筋試件在室外露天環(huán)境下除銹后的質(zhì)量與理論質(zhì)量的偏差超出規(guī)范允許值,不能當成正常狀態(tài)的鋼筋繼續(xù)使用[12],即φ12鋼筋B組超出-6%的規(guī)范允許偏差值,φ22鋼筋B組超出-4%的規(guī)范允許偏差值;(2)相同直徑大小的鋼筋試件的平均銹蝕在室外露天環(huán)境要比在室內(nèi)潮濕環(huán)境的平均銹蝕高,反映出室外露天環(huán)境下鋼筋的平均銹蝕率比室內(nèi)潮濕環(huán)境下的銹蝕率增加顯著,φ12鋼筋組的平均銹蝕率提高223.05%,φ22鋼筋組的平均銹蝕率提高185.27%,說明直徑小的鋼筋在室外露天環(huán)境下較直徑大的鋼筋質(zhì)量損失更大。

2.2 伸長率試驗

利用液壓萬能試驗機對各銹蝕鋼筋試件進行拉伸試驗,鋼筋的斷后伸長率A的計算式為[10]

式中:L0為鋼筋拉斷前的原始標距;Lu為鋼筋的斷后標距。

不同環(huán)境下銹蝕鋼筋的伸長率離散情況較大,試件出現(xiàn)斷裂的位置也不盡一致,試件除了部分夾具附近斷裂外,也有試件出現(xiàn)在銹蝕情況相對嚴重的地方斷裂,鋼筋試件拉伸斷裂情況如圖3所示。

圖3 銹蝕鋼筋試件拉伸試驗斷裂后情況

通過測量和計算得到各試件的斷后伸長率A和各組試件的平均斷后伸長率,統(tǒng)計分析情況如圖4所示。

圖4 各組銹蝕鋼筋試件伸長率統(tǒng)計分析圖

由圖4可知:(1)相同直徑大小的鋼筋試件,銹蝕率低的鋼筋試件的平均伸長率比銹蝕率高的鋼筋試件的平均伸長率大,即鋼筋在室內(nèi)潮濕環(huán)境下鋼筋的伸長率比室外露天環(huán)境鋼筋的伸長率大,反映了銹蝕率大的鋼筋塑性變形能力會降低;(2)室外露天環(huán)境與室內(nèi)潮濕環(huán)境對比下,φ12鋼筋組的平均伸長率劣化值為16.69%,大于φ22鋼筋組的平均伸長率劣化值7.94%,同樣說明直徑小的鋼筋在室外露天環(huán)境下受銹蝕影響較大,進而伸長率的劣化值相對較大。

2.3 鋼筋強度數(shù)據(jù)分析

銹蝕鋼筋的拉伸試驗強度分別用名義屈服強度ReL′、名義極限強度Rm′表示[2],計算公式分別為

式中:Fyc為銹蝕鋼筋的屈服荷載;S0為鋼筋銹蝕前理論截面面積;Fm為銹蝕鋼筋拉斷后的極限荷載。

通過液壓萬能試驗機自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下每根鋼筋試件的屈服荷載大小和極限荷載大小,再利用式(3)、(4)得到各試件的名義屈服強度ReL′和名義極限強度Rm′以及各組試件的平均名義屈服強度和平均名義極限強度統(tǒng)計分析情況如圖5所示。

圖5 各組銹蝕鋼筋試件名義屈服強度和名義極限強度統(tǒng)計分析圖

由圖5可知:對比室內(nèi)潮濕環(huán)境與室外露天環(huán)境,隨著鋼筋試件的銹蝕率提高,各組銹蝕鋼筋試件的名義屈服強度和名義極限強度都有不同程度的劣化減小。

3 銹蝕率與強度指標間相關(guān)性分析

為進一步分析不同自然環(huán)境下鋼筋的銹蝕率與拉伸力學(xué)強度指標間的聯(lián)系,根據(jù)試驗的結(jié)果采用最小二乘法的原理確定不同直徑大小的鋼筋在不同環(huán)境下銹蝕率與名義屈服強度及名義極限強度之間的線性回歸方程,并得到指標間的相關(guān)性系數(shù),如圖6所示。

圖6 各組銹蝕鋼筋試件鋼筋銹蝕率與強度擬合關(guān)系圖

由圖6可知:(1)不同自然環(huán)境下鋼筋的銹蝕率與拉伸強度值的線性相關(guān)系數(shù)為負值,表明隨著鋼筋的銹蝕率增加,鋼筋的名義屈服強度和名義極限強度值是逐漸劣化減小的;(2)鋼筋銹蝕率與拉伸強度相關(guān)性系數(shù)值在0.5～1.0之間,表明鋼筋銹蝕率與拉伸強度值之間關(guān)系為強相關(guān)性[12];(3)同種直徑大小的鋼筋在室外露天環(huán)境下比在室內(nèi)潮濕環(huán)境銹蝕率與拉伸強度的線性相關(guān)性絕對值大,表明隨著環(huán)境因素對鋼筋銹蝕率的影響增大,銹蝕率大的鋼筋對其拉伸強度影響更顯著。

4 物理力學(xué)指標的概率統(tǒng)計分析

為了探索環(huán)境因素對鋼筋銹蝕的影響形態(tài),檢驗分析相同自然環(huán)境條件下對不同直徑大小鋼筋銹蝕后的物理力學(xué)參數(shù)值影響的概率分布,采用文獻[13]推薦的偏斜度、峰度檢驗法檢驗指標參數(shù)是否服從正態(tài)分布。

偏斜度的計算公式為[13]

峰度的計算公式為[13]

設(shè)

拒絕域為[13]

當偏度系數(shù)u1和峰度系數(shù)u2的絕對值均小于1.96時,則認為分析的數(shù)據(jù)在概率分布統(tǒng)計上服從正態(tài)分布。

通過利用公式(5)、(10)對不同直徑大小的鋼筋在相同自然環(huán)境下銹蝕后的物理力學(xué)指標進行概率分布檢驗,結(jié)果如表1所示。由表1可知,在同種環(huán)境下,不同直徑鋼筋銹蝕后的銹蝕率、伸長率、名義屈服強度、名義極限強度數(shù)值雖然具有離散性,但在概率統(tǒng)計上均服從正態(tài)分布。

表1 銹蝕鋼筋物理力學(xué)指標統(tǒng)計分布規(guī)律

5 結(jié)論

(1)隨著鋼筋銹蝕率的增加,鋼筋的物理力學(xué)性質(zhì)均出現(xiàn)不同程度的劣化,公稱直徑較小的銹蝕鋼筋試件在室外露天環(huán)境下質(zhì)量損失和伸長率劣化速率更大。

(2)對鋼筋銹蝕率和拉伸強度之間相關(guān)性關(guān)系進行線性擬合,表明鋼筋銹蝕率與其名義屈服強度和名義極限強度值之間關(guān)系呈負的強相關(guān)性。

(3)不同直徑大小的鋼筋在相同環(huán)境下銹蝕后的物理力學(xué)指標在概率統(tǒng)計上服從正態(tài)分布。

由于鋼筋在自然環(huán)境中的銹蝕與外部環(huán)境、自身抗銹蝕能力、時間等復(fù)雜因素有關(guān),本文所取鋼筋試件的試驗工況較單一,鋼筋銹蝕率與銹蝕時間及鋼筋自身特性等的關(guān)系有待進一步研究。