錨桿材料腐蝕前后的力學(xué)性能變化

付平平

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

錨桿材料一般在密閉潮濕、永久浸泡、干濕交替等多種環(huán)境中工作。這些因素都可能會造成錨桿的腐蝕。腐蝕破壞了錨桿材料的表面，導(dǎo)致錨筋體斷裂或錨頭降低承載能力。如果不重視腐蝕后錨桿材料的力學(xué)性能，錨桿很有可能成為工程中的“定時炸彈”。盡管國內(nèi)外也對此進(jìn)行過相關(guān)研究，但始終未能證明材料腐蝕后力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化的。

1 錨桿腐蝕原理及條件

錨桿銹蝕是電化學(xué)腐蝕，即在一定的環(huán)境條件下（如氧和水的存在），鋼表面不同部位出現(xiàn)較大的電位差，形成陽極和陰極后，導(dǎo)致鋼錨桿開始腐蝕。

鋼錨桿的腐蝕條件為［1］錨桿表面呈現(xiàn)活化狀態(tài)；反應(yīng)需要水和氧。

2 力學(xué)性能變化評價方法或指標(biāo)

截面積損失率表示腐蝕后鋼筋平均截面積（或平均直徑）的削弱，表達(dá)式見式（1）：

式中：δ——截面積損失率；S0——銹蝕前的截面積；St——銹蝕后的截面積；

實際強度（屈服強度和抗拉強度）由式（2）計算得：

式中：σs——實際強度；P——相應(yīng)荷載（屈服載荷和抗拉載荷）；Ss——實際銹蝕后的截面積；

名義強度（屈服強度和抗拉強度）由式（3）計算得：

式中：σm——名義強度（屈服強度和抗拉強度）；P——相應(yīng)荷載（屈服載荷和抗拉載荷）；S0——初始截面積；

相對名義強度（屈服強度和抗拉強度）為腐蝕后鋼筋的名義強度與腐蝕前鋼筋名義強度的比值，相對均勻伸長率為腐蝕后鋼筋的均勻伸長率與腐蝕前鋼筋均勻伸長率的比值。

銹蝕率由式（4）計算得：

式中：ω——銹蝕率，%；m0——初始質(zhì)量，g；mt——試驗后的質(zhì)量，g；

2.1 以錨桿材料初始截面積取得的能腐蝕前后的力學(xué)性

蔣連接等［2］研究了人工氣候環(huán)境中加速銹蝕的鋼筋力學(xué)性能的退化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著試驗時間的延長，截面損失率增大，名義屈服強度和名義抗拉強度均明顯下降。袁迎曙等［3］對從現(xiàn)場采樣、實驗室加速模擬腐蝕及模擬制作三個途徑獲取試件進(jìn)行了拉伸試驗。結(jié)果表明，隨著鋼筋銹蝕率的增加，鋼筋的強度、延伸率下降，應(yīng)力集中現(xiàn)象越趨明顯。根據(jù)現(xiàn)場大量銹蝕鋼筋表面特征的觀測與鋼筋銹蝕的電化學(xué)理論，鋼筋銹蝕均由大量坑狀銹斑組成，均勻銹蝕與坑狀銹蝕之間無明顯的界限。銹蝕量較小時，坑狀銹斑的深度很淺，可視為均勻銹蝕；銹蝕量較大時，坑狀銹斑的深度發(fā)生較大差異，部分坑狀銹斑演變?yōu)殇P坑，可視為坑狀銹蝕。在鋼筋拉伸過程中，坑狀銹蝕的銹坑附近會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，引起鋼筋局部提前屈服，這是銹蝕鋼筋屈服強度與延伸率減少的主要原因。袁迎曙［3］提出的銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，一定程度上能反映出銹蝕率與名義屈服強度、延伸率退化的規(guī)律。但由于試驗數(shù)量有限，銹蝕鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的確定尚需做進(jìn)一步數(shù)據(jù)積累工作。

通過對比試驗前后力學(xué)數(shù)值變化來評論材料力學(xué)性能是否發(fā)生改變，是不真實的。截面積的選取人為將之放大，得到的屈服載荷、斷裂載荷是真實的，兩者的比值——強度值，就明顯降低了。因此，不能說明材料的力學(xué)性能在腐蝕后就發(fā)生了改變。

2.2 考慮了錨桿材料截面積損失而取得腐蝕后的力學(xué)性能

鋼筋類型相同時，在相同腐蝕條件下，鋼筋直徑越小，腐蝕速率越快，對腐蝕的敏感程度越大，耐腐蝕性也越差。而隨著直徑的增大，腐蝕速率減慢，鋼筋對腐蝕的敏感程度減小，耐腐蝕性增強［4］。

惠云玲等［5］通過大量的試驗研究分析了鋼筋銹蝕前后各項力學(xué)性能的變化規(guī)律與截面損傷的統(tǒng)計關(guān)系。得到如下結(jié)論：①對于表面僅有浮銹的鋼筋，當(dāng)其截面損失率小于1%時，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及鋼筋的抗拉強度、屈服強度與母材相同。這種鋼筋對結(jié)構(gòu)性能沒有影響；②對于截面損失率小于5%且均勻銹蝕的弱腐蝕鋼筋，熱軋鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍具有明顯的屈服點，鋼筋的伸長率基本上大于規(guī)定的最小允許值，鋼筋的抗拉強度和屈服強度可以與母材相同來考慮，承受荷載的計算則需考慮截面的折減，對結(jié)構(gòu)計算影響不大；③對于鋼筋截面損失率已大于10%的結(jié)構(gòu)，建議進(jìn)行更換處理，可進(jìn)行徹底的加固和耐久性處理。王軍強［4］從現(xiàn)場的鋼筋混凝土構(gòu)件中取出銹損程度不一的133根鋼筋作為試件，對其進(jìn)行了除銹處理和力學(xué)性能試驗，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，初步找出了銹損鋼筋的力學(xué)性能隨著鋼筋銹蝕率的增大而下降的規(guī)律。這一規(guī)律對于今后進(jìn)行銹損鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及可靠性鑒定等研究提供了依據(jù)。大氣環(huán)境條件下的鋼筋銹蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為坑蝕，銹坑分布不均勻，這也是影響鋼筋力學(xué)性能的主要因素。銹蝕鋼筋的延展性隨著鋼筋銹蝕率的增大而下降，脆性隨著鋼筋銹蝕率的增大而增大。徐港等［6］針對鋼筋坑蝕程度直接影響構(gòu)件抗力性能的問題，基于電化學(xué)腐蝕原理，提出使鋼筋在較短時間內(nèi)形成典型坑蝕的一種新試驗方法，初步研究了坑蝕對鋼筋強度與伸長率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，坑蝕深度是影響鋼筋伸長率減小的主要因素，隨著坑蝕程度的增加鋼筋塑性逐漸下降，強度并不降低甚至有所提高。

C.A.Apostolopoulos等［7］在腐蝕對于鋼筋延展性影響的研究中提到，暴露在鹽環(huán)境中的鋼筋，其力學(xué)性能下降，降到低于現(xiàn)有的鋼筋混凝土使用規(guī)范中限制的值。由加速試驗得出的鋼筋腐蝕結(jié)果與長久使用的鋼筋混凝土中的鋼筋的實際力學(xué)性能相吻合。

腐蝕后鋼筋會發(fā)生強度降低和延展性減弱的現(xiàn)象。從微觀上看，是因為發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。從宏觀看，主要受以下三個因素的作用［4］：①平均截面積的削弱；②有腐蝕坑，發(fā)生應(yīng)力腐蝕；③材料內(nèi)晶格發(fā)生變化，材質(zhì)改變。腐蝕后力學(xué)性能很容易受之前兩個因素的干擾，認(rèn)為腐蝕后力學(xué)性能發(fā)生改變了。

2.3 腐蝕后實際力學(xué)強度與名義力學(xué)強度之間的比較

A.Almusallam Abdullah［8］研究發(fā)現(xiàn)名義屈服強度隨著面積損失率的增加而下降，實際屈服強度的下降幅度不大，非常平穩(wěn)，基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

可見腐蝕試驗后，材料的名義強度發(fā)生了變化，且變化的規(guī)律是隨著截面積損失率增加而降低；但材料的實際強度的變化則不明顯，波動基本維持在試驗前材料力學(xué)強度的周邊。假設(shè)鋼筋材料在某種特定的環(huán)境中腐蝕后，實際強度與理論強度偏差不大，通過材料的截面積隨時間的變化規(guī)律，就可知在何時還有多少剩余截面積，轉(zhuǎn)換出剩余的載荷值，則材料在工程中的使用耐久性可以初步得到預(yù)測。

2.4 試驗前后力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析

通過之前的分析可知，用名義強度來表征材料力學(xué)性能的變化是不全面的。將試驗后的鋼筋材料酸洗除銹、超聲波清洗后，可得到失重率以及拉伸載荷等數(shù)據(jù)。此外實際載荷數(shù)值可直接測得，理論載荷數(shù)值可由力學(xué)公式推出。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖1圖3。

由圖1可見，理論屈服載荷數(shù)值大小隨截面積損失率的增加而線性下降；而在圖2中，實際屈服載荷基本在理論屈服載荷周邊小范圍波動。

圖3為直徑分別為6mm，12mm的鋼筋試樣，在腐蝕前，后的抗拉強度值隨腐蝕率的增加而變化的曲線圖。直徑為6mm，12mm的試樣其實際抗拉強度值的變化波動不大；名義抗拉強度值隨腐蝕率的變化明顯，腐蝕率越大，下降的幅度越大。

由結(jié)果可見，腐蝕后得到的材料名義強度均隨材料銹蝕率的增加而降低。結(jié)果與實際測得的載荷隨銹蝕量或者截面損失率增加而下降，這與理論推導(dǎo)結(jié)果相吻合；但材料的實際力學(xué)強度基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)，與材料初始強度相差不大。數(shù)據(jù)結(jié)果與之前的理論猜測相一致，即：在評定銹蝕后的鋼筋材料力學(xué)性能時，不能簡單的以名義強度值作為參考，應(yīng)綜合多個變量為工程材料安全使用做好預(yù)防預(yù)測。

3 結(jié)束語

（1）通過分析腐蝕前后始終以錨桿材料初始截面積取得的力學(xué)性能結(jié)果，發(fā)現(xiàn)腐蝕后得到的材料名義強度均隨材料銹蝕率的增加而降低，但材料的實際力學(xué)性能降低與否不能僅以此下定論，名義強度不能表征材料的實際力學(xué)情況。

（2）腐蝕后的鋼筋材料，實際測得的載荷隨銹蝕量或者截面損失率增加而下降，這與理論推導(dǎo)結(jié)果較為吻合；但材料的實際力學(xué)強度基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)，與材料初始強度相差不大，這在文中數(shù)據(jù)分析中都已經(jīng)得到驗證。

（3）目前，材料經(jīng)過腐蝕后，材料力學(xué)性能發(fā)生改變這一觀點是值得懷疑的。但是假定材料力學(xué)性能在腐蝕前后真的沒有發(fā)生改變，有關(guān)詳盡的資料還不全面，還有待繼續(xù)驗證。這對于工程材料的使用安全性及耐久性都是非常重要的。

［1］李永和，葛修潤.錨噴結(jié)構(gòu)中鋼錨桿銹蝕量的估計分析［J］.煤炭學(xué)報，1998，23（1）：48-52.

［2］蔣連接，常明豐，文兆全.蝕鋼筋力學(xué)性能的試驗研究［J］.低溫建筑技術(shù).2011（3）：26-28.

［3］袁迎曙，賈福萍，蔡躍.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化研究［J］.工業(yè)建筑2000，30（3）：125-128.

［4］楊淑慧.腐蝕對鋼筋力學(xué)性能影響的研究［J］.鄭州：鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［5］惠云玲.銹蝕鋼筋性能試驗研究分析［J］.工業(yè)建筑，1997，27（6）：10-13.

［6］徐港，張懂，梁桂林，等.坑蝕鋼筋力學(xué)性能退化的試驗研究［J］.水電能源科學(xué).2012，30（12）：37-40.

［7］Apostolopoulos C A，Papadakis V G.Consequences of steel corrosion on the ductility properties of reinforcement bar［J］.Construction and Building Materials，2008（22）：2316-2324.

［8］Abdullah A Almusallam.Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars［J］.Construction and Building Materials，2001（15）：361-368.