鋼筋銹蝕對(duì)其力學(xué)性能退化規(guī)律的影響研究

陳嘉帥等

摘 要：文章采用外加直流電法對(duì)四種常用直徑的HRB400帶肋鋼筋進(jìn)行加速銹蝕，對(duì)銹蝕后鋼筋采用除銹劑進(jìn)行除銹，鋼筋除銹后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)擬合分析。研究發(fā)現(xiàn)：鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度隨著鋼筋質(zhì)量銹蝕率的增大呈線性退化規(guī)律；同一直徑鋼筋的名義極限強(qiáng)度退化速率要明顯快于名義屈服強(qiáng)度退化速率；大直徑鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度退化速率比小直徑鋼筋要快，名義屈服強(qiáng)度退化速率隨鋼筋直徑變化較為敏感，名義極限強(qiáng)度退化速率隨鋼筋直徑變化不敏感。從而為混凝土結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性評(píng)估提供理論依據(jù)，為今后項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考與建議。

關(guān)鍵詞：鋼筋銹蝕；力學(xué)性能；質(zhì)量銹蝕率；名義屈服強(qiáng)度；名義極限強(qiáng)度

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土的消耗量與日俱增，我國(guó)的鋼筋混凝土的消耗量在全世界消耗量中占有較大的比例，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)建筑物與構(gòu)筑物的主要結(jié)構(gòu)體，數(shù)量巨大。鋼筋混凝土長(zhǎng)耐久性是結(jié)構(gòu)構(gòu)筑追求的目標(biāo)之一，鋼筋不僅是鋼筋混凝土的重要組成，也是影響混凝土耐久性的重要因素。由于包裹鋼筋的混凝土出現(xiàn)不密實(shí)，混凝土內(nèi)的鋼筋易發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要原因之一[1-2]。銹蝕鋼筋的力學(xué)性能是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)[2]。鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋由于多種原因而發(fā)生銹蝕，鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積發(fā)生膨脹，造成包裹鋼筋的混凝土開(kāi)裂、剝落，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力下降。因此，只要充分認(rèn)識(shí)銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化的規(guī)律，就能對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力下降程度進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估，也能夠?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性衰退程度進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)價(jià)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近期國(guó)內(nèi)研究中，徐港[3]等研究了坑蝕與鋼筋強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率之間的規(guī)律。研究表明，影響鋼筋伸長(zhǎng)率主要因素是坑蝕深度，鋼筋塑性隨銹蝕率增加而逐漸下降，強(qiáng)度反而提高。陳露[4]等通過(guò)5種人工模擬環(huán)境獲取多組銹蝕鋼材，研究了銹坑對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究表明，分形維數(shù)和伸長(zhǎng)率隨著銹蝕率的增大呈冪關(guān)系下降，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度呈線性下降。閃勇[5]等運(yùn)用有限元法模擬分析了蝕坑形狀、深度和間距對(duì)鋼筋屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋屈服強(qiáng)度與蝕坑深度有明顯關(guān)系，與蝕坑形狀以及間距無(wú)關(guān)。宋嘉文[6]等通過(guò)分析不同銹坑形態(tài)對(duì)鋼筋銹蝕后力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，銹坑的深度和銹坑的寬度對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響很大。

馬良 [7]等，初少鳳[8]通過(guò)人工快速銹蝕的方法獲得試驗(yàn)試件。研究發(fā)現(xiàn)，小直徑鋼筋銹蝕后其名義力學(xué)性能退化受質(zhì)量損失率影響更加敏感。

袁迎曙[9]等通過(guò)三種方法制作銹蝕鋼筋，并對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行有限元分析，提出了銹蝕鋼筋的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。蔣連接[10]等通過(guò)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在鋼筋的銹蝕程度低的情況下，通電加速銹蝕比人工氣候環(huán)境下的銹蝕均勻，其力學(xué)性能略好，且隨著鋼筋銹蝕率的增大兩者之間的差別會(huì)增大。

近期國(guó)外研究中，Maslehuddin[11]等認(rèn)為銹蝕對(duì)鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的影響很小。Almusallam[12]研究認(rèn)為銹后鋼筋的強(qiáng)度、塑性均隨鋼筋銹蝕率的增大而發(fā)生退化。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試件的制作

本試驗(yàn)采用的鋼筋為HRB400，直徑分別為12mm、14mm、16mm和18mm四種帶肋鋼筋。鋼筋試樣長(zhǎng)度為500mm，共72根。每種直徑鋼筋的設(shè)計(jì)銹蝕率分別為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%和16%。每種直徑鋼筋共設(shè)置9組。本試驗(yàn)中，將銹蝕前鋼筋、銹蝕鋼筋除銹后的長(zhǎng)度和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。銹蝕鋼筋的除銹采用鋼筋除銹劑。除銹的方法是：將銹蝕鋼筋浸泡在除銹劑稀釋溶液里30分鐘后，經(jīng)清水洗凈后用布擦干，在烘箱中干燥1小時(shí)，再等鋼筋試件冷卻后用鋼絲刷除去表面的銹蝕物，最后對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，稱(chēng)量銹蝕鋼筋除銹后的質(zhì)量，計(jì)算鋼筋試件的質(zhì)量銹蝕率ρ，計(jì)算公式如下：

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用外加直流電的方法人工加速鋼筋的銹蝕，以便在較短的時(shí)間內(nèi)獲得銹蝕鋼筋試件。在本試驗(yàn)中，把2根鋼筋試件用導(dǎo)線并聯(lián)接入直流電源的正極，再將另1根鋼筋用導(dǎo)線接入直流電源的負(fù)極，然后把三根鋼筋浸泡于3%的NaCl溶液中，調(diào)整好直流電源電流，通電加速鋼筋銹蝕。

銹蝕鋼筋除銹后，將試件的兩端分別夾緊在微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，在拉伸試驗(yàn)時(shí)，加載速率按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1-2010）中規(guī)定的應(yīng)力速率6～60MPa·s-1執(zhí)行，在試驗(yàn)過(guò)程中記錄每根鋼筋試件的屈服荷載和極限荷載。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究，本試驗(yàn)為更好地進(jìn)行比較分析，銹蝕鋼筋的強(qiáng)度分別用名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度表示。名義屈服強(qiáng)度R'CL為鋼筋的實(shí)際屈服荷載與鋼筋未銹蝕時(shí)的截面面積之比；名義極限強(qiáng)度R'm為鋼筋的實(shí)際極限荷載與鋼筋未銹蝕時(shí)的截面面積之比。

本試驗(yàn)中，所有鋼筋試件的銹蝕程度均達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。鋼筋試件拉斷后，所有的鋼筋試件在拉斷前均出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象，且在力-位移圖中均出現(xiàn)了明顯的屈服臺(tái)階。其中，16mm鋼筋的銹蝕形態(tài)、銹蝕鋼筋破壞形態(tài)分別如圖3、圖4所示。

對(duì)試驗(yàn)取得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并用統(tǒng)計(jì)擬合方程表示不同直徑鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度與質(zhì)量銹蝕率的數(shù)學(xué)模型，4種銹蝕鋼筋的力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型如表1所示。

由表1和圖5可知，12mm、14mm、16mm和18mm鋼筋的力學(xué)性能隨著銹蝕程度的增大都發(fā)生了明顯的退化。鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度表現(xiàn)出有規(guī)律的線性退化；同一直徑鋼筋的名義極限強(qiáng)度退化速率要明顯快于名義屈服強(qiáng)度退化速率；大直徑鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度退化速率比小直徑鋼筋要快，名義屈服強(qiáng)度退化速率隨鋼筋直徑變化較為顯著，名義極限強(qiáng)度退化速率隨鋼筋直徑變化不顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用外加直流電人工加速銹蝕的方法可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得銹蝕試件，能夠較好的反映鋼筋銹蝕對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋼筋銹蝕程度的增大，鋼筋的強(qiáng)度出現(xiàn)顯著的線性退化規(guī)律；同種直徑鋼筋的名義極限強(qiáng)度退化顯著，對(duì)銹蝕程度更加敏感；不同直徑的鋼筋，大直徑鋼筋的力學(xué)性能退化速率比小直徑鋼筋的顯著，其中名義屈服強(qiáng)度退化速率相差較大，鋼筋的名義極限強(qiáng)度相差較小，這是因?yàn)殇摻畹慕孛娣e是影響鋼筋強(qiáng)度的主要因素，表面積越大，鋼筋強(qiáng)度退化速率越快，直徑大的鋼筋的名義屈服強(qiáng)度與名義極限強(qiáng)度退化的速率較快。

本試驗(yàn)對(duì)鋼筋銹蝕后的力學(xué)性能退化規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)出鋼筋強(qiáng)度與銹蝕程度的規(guī)律，能夠?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)物的承載力、耐久性評(píng)估提供很好的理論基礎(chǔ)，也能為今后的項(xiàng)目建設(shè)工作提供有效的參考與建議。

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作者簡(jiǎn)介：陳嘉帥（1995-），男，江西高安人，土木工程專(zhuān)業(yè)本科生。