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(yáng)，陳正

(廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院；b.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

混凝土中鋼筋時(shí)常發(fā)生銹蝕，不僅會(huì)減小鋼筋的有效承載面積，而且還會(huì)對(duì)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(duì)于在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析和安全性評(píng)估具有重要意義。

圍繞銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能已開(kāi)展了大量試驗(yàn)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(tái)長(zhǎng)度等力學(xué)和變形性能參數(shù)之間的關(guān)系；Kashani等[7]分析了質(zhì)量銹蝕率對(duì)受拉鋼筋延性的影響；張偉平等[8-9]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[10-11]。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(duì)此，羅小勇等[12]、Lu等[13]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(lái)等[14]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(zhǎng)率之間的關(guān)系；孫曉燕等[15]建立了最小剩余截面積相對(duì)值與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值和伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系；Zhu等[16]分析了最大截面銹蝕率對(duì)銹蝕鋼筋延性的影響；Sheng等[17]研究了銹坑形狀、深度和分布對(duì)鋼筋的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響；Tang等[18]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[19]、Imperatore等[20]分析了面積點(diǎn)蝕因子對(duì)銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響；Balestra等[21]分析了最小直徑對(duì)銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響。由此可見(jiàn)，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(duì)力學(xué)和變形性能的影響。因此，有必要進(jìn)一步開(kāi)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。

1 鋼筋的加速銹蝕與拉伸試驗(yàn)

本文試驗(yàn)與余波等[22]試驗(yàn)基于同一批試件開(kāi)展，但二者的試驗(yàn)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(cè)試裝置和空間銹蝕特征參數(shù)分析方法，而本文重點(diǎn)開(kāi)展銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗(yàn)。

1.1 混凝土中鋼筋的加速銹蝕試驗(yàn)

如圖1所示，共制作45個(gè)長(zhǎng)、寬和高分別為500、d+30和150 mm的混凝土試件[22]。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12 mm的HPB300級(jí)光圓鋼筋各18根，直徑為12 mm的HRB400E級(jí)帶肋鋼筋18根，以及直徑為16 mm的HRB400E級(jí)帶肋鋼筋81根。每個(gè)試件沿高度方向等間距放置3根鋼筋。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土配合比和鋼筋的性能參數(shù)信息見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。待銹蝕鋼筋的長(zhǎng)度為450 mm，鋼筋在加工完后經(jīng)過(guò)酸洗、烘干、稱重獲取鋼筋銹蝕前的質(zhì)量M0。在混凝土試件的兩端表面涂3層環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂凝固后，將試件放入溫度為20±2 ℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7 d。試驗(yàn)采用外加直流電的方法加速混凝土中的鋼筋銹蝕，通過(guò)控制通電時(shí)間可以得到不同銹蝕程度的鋼筋[22]。通電結(jié)束后，對(duì)混凝土試件進(jìn)行破型，取出銹蝕鋼筋，經(jīng)過(guò)酸洗、干燥、稱重等步驟，獲取鋼筋銹蝕后的質(zhì)量M1。

圖1 混凝土試件的鋼筋設(shè)置示意圖Fig.1 Illustration of reinforcement arrangement

(1)

(2)

1.2 銹蝕鋼筋的拉伸試驗(yàn)

圖2 銹蝕鋼筋的荷載位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of corrosion steel

1.3 銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)

(3)

(4)

式中：fy0和fu0分別為未銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度與名義極限強(qiáng)度；αyc和αuc分別為銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值和名義極限強(qiáng)度相對(duì)值；Fy0和Fu0分別為未銹蝕鋼筋的屈服荷載和極限荷載；A0為未銹蝕鋼筋的公稱截面積。

圖3 鋼筋銹蝕前后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意圖Fig.3 Illustration of stress-strain relationship of steel bars

式(3)中εyc、εuc、εhc和Δεc分別為銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變、強(qiáng)化應(yīng)變和屈服平臺(tái)長(zhǎng)度應(yīng)變，可以分別描述為

εyc=εy0×αεy；εuc=εu0×αεu

(5)

Δεc=Δε0×Δε；εhc=Δεc+εyc

(6)

式中：αεy、αεu和Δε分別為銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變相對(duì)值、極限應(yīng)變相對(duì)值和屈服平臺(tái)長(zhǎng)度相對(duì)值；εy0、εu0和Δε0分別為未銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變和屈服平臺(tái)長(zhǎng)度應(yīng)變。

2 銹蝕鋼筋的力學(xué)性能分析

分析了鋼筋的均勻銹蝕特征參數(shù)ηm,a和非均勻銹蝕特征參數(shù)(包括ηs,max、Ps、最大銹蝕深度相對(duì)值αd,max=Dmax/d、最小剩余截面積相對(duì)值αs,min=Smin/S0)與銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值αyc和名義極限強(qiáng)度相對(duì)值αuc之間的相關(guān)性。分析結(jié)果表明，是否對(duì)光圓鋼筋和帶肋鋼筋進(jìn)行分類分析對(duì)結(jié)果影響不明顯，但分類后需要針對(duì)兩類鋼筋分別建立不同的預(yù)測(cè)模型，不便于工程應(yīng)用。綜合考慮計(jì)算精度和簡(jiǎn)便性，本文暫不區(qū)分鋼筋類別的影響。如圖4和圖5所示，隨著ηm,a、ηs,max和αd,max的增加，αyc和αuc呈線性減小趨勢(shì)。其中，αyc和αuc與ηm,a之間預(yù)測(cè)方程的斜率絕對(duì)值相對(duì)較大，說(shuō)明隨著ηm,a的增加，αyc和αuc下降趨勢(shì)較為明顯。同時(shí)，隨著αs,min和Ps的增加，αyc和αuc呈線性增加趨勢(shì)。其中，與αs,min相比，αyc和αuc與Ps之間預(yù)測(cè)方程的斜率相對(duì)較大，說(shuō)明隨著Ps的增加，αyc和αuc增大趨勢(shì)更為明顯。

圖4 銹蝕特征參數(shù)與名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值的相關(guān)性Fig.4 Correlation between corrosion characteristic parametersand relative nominal yield

圖5 銹蝕特征參數(shù)與名義極限強(qiáng)度相對(duì)值的相關(guān)性Fig.5 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative nominal ultimate

此外，由于鋼筋銹蝕特征參數(shù)與αyc和αuc之間的預(yù)測(cè)方程非常接近，為了便于使用，可以建立鋼筋銹蝕特征參數(shù)與αyc和αuc之間的統(tǒng)一預(yù)測(cè)方程，如圖6所示。圖6中，k為名義屈服強(qiáng)度和名義極限強(qiáng)度在鋼筋銹蝕前后的相對(duì)值(統(tǒng)稱為名義強(qiáng)度相對(duì)值)。

圖6 銹蝕特征參數(shù)與名義強(qiáng)度相對(duì)值的相關(guān)性Fig.6 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative nominal

3 銹蝕鋼筋的變形性能分析

3.1 屈服應(yīng)變和極限應(yīng)變

與力學(xué)性能分析類似，暫不考慮鋼筋類別的影響，均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)(包括ηm,a、ηs,max、αd,max、αs,min和Ps)與銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變相對(duì)值αεy和極限應(yīng)變相對(duì)值αεu之間的相關(guān)性分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，隨著ηm,a、ηs,max和αd,max的增加，αεy和αεu呈線性減小趨勢(shì)；隨著αs,min和Ps的增加，αεy和αεu呈線性增加趨勢(shì)。其中，αεy和αεu與ηm,a預(yù)測(cè)方程的斜率絕對(duì)值相對(duì)較大，說(shuō)明隨著ηm,a的增加，αεy和αεu的變化趨勢(shì)更為明顯。此外，與αεy相比，銹蝕特征參數(shù)(包括ηm,a、ηs,max、αd,max、αs,min和Ps)與αεu之間預(yù)測(cè)方程的斜率絕對(duì)值相對(duì)更大，說(shuō)明銹蝕特征參數(shù)對(duì)αεu的影響更為顯著。

圖7 銹蝕特征參數(shù)與屈服應(yīng)變相對(duì)值之間的相關(guān)性Fig.7 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative yield

圖8 銹蝕特征參數(shù)與極限應(yīng)變相對(duì)值之間的相關(guān)性Fig.8 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative ultimate

3.2 屈服平臺(tái)長(zhǎng)度

鋼筋的均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)(包括ηm,a、ηs,max、αd,max、αs,min和Ps)與銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)長(zhǎng)度相對(duì)值Δε之間的相關(guān)性如圖9所示。由圖9可知，Δε隨著ηm,a、ηs,max和αd,max的增加而逐漸降低，隨著αs,min和Ps的增加而逐漸增大。銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)長(zhǎng)度相對(duì)值Δε與銹蝕特征參數(shù)之間的定量關(guān)系，可以確定當(dāng)屈服平臺(tái)基本消失(即Δε=0)時(shí)各銹蝕特征參數(shù)的臨界值，即當(dāng)ηm,a、ηs,max、αd,max分別大于20%、60%和40%左右或αs,min和Ps分別小于40%和60%左右時(shí)，銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)基本消失。由此可見(jiàn)，隨著鋼筋銹蝕程度的增加，銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，對(duì)于銹蝕嚴(yán)重的鋼筋，其屈服平臺(tái)可能完全消失。

圖9 銹蝕特征參數(shù)與屈服平臺(tái)長(zhǎng)度相對(duì)值之間的相關(guān)性Fig.9 Correlation betweencorrosion characteristic parameters andrelativeyield plateau

3.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 銹蝕特征參數(shù)與鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)之間的定量關(guān)系Table 1 Quantitative relationship between corrosion characteristic parameters and mechanical/deformation parameters of steel bar

圖10 銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線的試驗(yàn)值與模型計(jì)算值的對(duì)比分析Fig.10 Comparison between tested and calculated stress-strain curves of corroded steel

圖11 銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線模型的驗(yàn)證Fig.11 Validation of stress-strain curves of corroded steel

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(duì)值的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，而隨著最小剩余截面積相對(duì)值和面積點(diǎn)蝕因子的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)。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(duì)更大。

2)隨著鋼筋銹蝕程度的增加，銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象。當(dāng)質(zhì)量銹蝕率ηm,a、最大截面銹蝕率ηs,max、最大銹蝕深度相對(duì)值αd,max分別大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面積相對(duì)值αs,min和面積點(diǎn)蝕因子Ps分別小于40%和60%左右時(shí)，銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)基本消失。