銹蝕HRB500 鋼筋混凝土板抗彎性能試驗研究

方亮，周云，易督航

（1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南農(nóng)業(yè)大學 工學院，湖南 長沙 410128；3.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中運用強度高、性能好的鋼筋，既能提高構(gòu)件受力性能、改善其使用功能，又方便拓展結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，還可以節(jié)省材料，具有十分明顯的經(jīng)濟效益.20 世紀80 年代起國外普遍采用設(shè)計強度400 MPa 以上的高強鋼筋；歐美國家、日本等20 世紀90 年代以來對設(shè)計強度達500 MPa 的鋼筋進行了大面積的推廣應(yīng)用[1].Apostolopoulos 等[2-3]研究了銹蝕對S500 級鋼筋疲勞性能的影響.Sumpter 等[4-5]通過對比試驗研究了配置高強鋼筋和普通鋼筋的混凝土梁，認為使用高強鋼筋可提高抗剪承載力.我國對高強度鋼筋的研發(fā)和應(yīng)用起步稍晚，但隨著我國建筑用鋼筋體系不斷完善，HRB500 級系列高強鋼筋已進入規(guī)范，并制定了“加快淘汰335 MPa、優(yōu)先使用400 MPa，積極推廣500 MPa 螺紋鋼筋”的技術(shù)路線[6]，因此全國各研究機構(gòu)和高校進行了大量試驗研究.沈宇[7]、徐風波[8]、李瓊[9]分別通過試驗對配置HRB500 級鋼筋的混凝土梁的抗彎承載力、正常使用開裂和撓度問題進行了研究.張艇[10]對HRB500級鋼筋混凝土簡支梁和連續(xù)梁的受彎及受剪性能進行了試驗研究.江濤[11]對配置HRB500 級鋼筋的混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了靜力試驗研究.于秋波[12]通過試驗研究了配置HRB500 級鋼筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力特點和破壞形態(tài).王鐵成等[13-14]研究了高強鋼筋混凝土構(gòu)件在靜力荷載作用下的抗彎、抗剪性能和低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能.豐見政[15]對比研究了配置HRB500 級鋼筋混凝土梁常溫下和高溫后的力學性能.金偉良等[16]對銹蝕HRB500 級鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能進行了試驗研究.總結(jié)來看，因鋼筋銹蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題研究周期長、試驗離散性較大，因此目前針對配置HRB500 級鋼筋的混凝土構(gòu)件耐久性問題研究較少[17].另外，結(jié)合市場調(diào)查和工程實際情況發(fā)現(xiàn)，HRB500級系列鋼筋僅在沿海較發(fā)達地區(qū)使用較多，中部地區(qū)普及程度仍然較低.本次試驗通過對加速銹蝕后的鋼筋混凝土足尺板進行靜力抗彎試驗，結(jié)合同等條件下混凝土內(nèi)銹蝕鋼筋的黏結(jié)強度和抗拉強度，對比分析銹蝕對配置HRB500 級鋼筋混凝土板抗彎性能的影響，為高強鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性設(shè)計以及高強鋼筋在工程中進一步推廣應(yīng)用提供更多數(shù)據(jù)支持和研究依據(jù).

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計制作

為了研究銹蝕鋼筋混凝土板的受彎性能，設(shè)計制作了16 塊鋼筋混凝土足尺板.板長2 300 mm，計算跨度2 100 mm，截面b×h=700 mm×100 mm.足尺板試件根據(jù)混凝土和鋼筋強度等級不同分為4 組，配置詳見表1.板內(nèi)分布筋均采用HRB400 級鋼筋，直徑6 mm.試件縱筋伸出板端便于通電銹蝕時鋼筋串聯(lián).另外設(shè)計16 塊材料、配筋與足尺板一一對應(yīng)的小板（如圖1 所示），與足尺板同期制作完成.試件混凝土拌和采用標號42.5 的普通硅酸鹽水泥，粗骨料為最大粒徑30 mm 的卵石，細骨料為普通河砂.設(shè)計強度為C40 的混凝土，配合比為：m水泥∶m砂∶m石∶m水=1 ∶1.49 ∶2.68 ∶0.47；設(shè)計強度為C50 的混凝土，配合比為：m水泥∶m砂∶m石∶m水=1 ∶1.49 ∶2.23 ∶0.326，使用萘系減水劑.足尺板與小板試件均在室內(nèi)自然養(yǎng)護成型.試件混凝土與鋼筋強度標準值詳見表2、表3.

1.2 試件通電銹蝕

鋼筋混凝土板加速銹蝕試驗方案如圖2 所示.為使足尺板和小板銹蝕環(huán)境和程度一致，每塊足尺板和對應(yīng)小板的縱筋串聯(lián)，接入直流電源正極（足尺板橫向分布鋼筋做絕緣和防銹處理）；不銹鋼棒接入直流電源負極.試件表面覆蓋吸水海綿，通過噴灑淡鹽水保證電化學反應(yīng)持續(xù)進行.本次試驗采用24 V外接直流電源，通過調(diào)節(jié)回路中可變電阻，改變回路電流大小，保持腐蝕電流密度基本恒定在（0.1±0.02）mA/cm2.銹蝕過程中，定時記錄銹蝕回路的電流值，累計試件總通電量，推算鋼筋的銹蝕程度，并根據(jù)量測結(jié)果確定銹蝕時長，確保達到預(yù)計銹蝕率.試驗設(shè)計鋼筋銹蝕程度分為4 個等級：0%、5%、10%和15%.足尺板S1-1H 和小板X1-1H 因通電時長超出預(yù)計，鋼筋銹蝕程度以實際測量值為準.

表1 足尺板和小板試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

表2 混凝土力學性能Tab.2 Mechanical properties of concrete

表3 鋼筋力學性能Tab.3 Mechanical properties of steel bar

圖2 通電加速銹蝕試驗Fig.2 Accelerated corrosion test

1.3 試驗方案

足尺板靜力抗彎試驗、鋼筋混凝土拉拔試驗和鋼筋拉伸試驗均在湖南農(nóng)業(yè)大學土木工程實驗室進行.

足尺板靜力抗彎承載力試驗采用四點加載方式（如圖3 所示）.加載制度依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗標準方法》（GB 50152—2012）分級加載.試件測點布置情況如圖3 所示：板底跨中和1/3 跨段處貼混凝土應(yīng)變片（S1～S6），板側(cè)貼混凝土應(yīng)變片（S7～S9）測應(yīng)變；板底跨中和兩個1/3 跨段邊緣處設(shè)置位移計（D2～D4和D6～D8），支座中點處板頂設(shè)千分表（D1，D5）測位移.為盡量避免足尺板在加載過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，用2對長度800 mm 的條形鋼支座作為四點加載時的支撐，板與支座蓋板間的縫隙用水泥凈漿填滿.小板完成銹蝕后，按圖1（b）所示切割線，將小板切割成5 個試塊.1 號、2 號塊破型取出銹蝕鋼筋用于單向拉伸試驗；3～5 號塊用于鋼筋混凝土的黏結(jié)性能測試.

鋼筋單向拉伸試驗使用WAW-600D 電液伺服萬能試驗機加載，依據(jù)《鋼筋混凝土用鋼材試驗方法》（GB/T 28900—2012）進行.

銹蝕鋼筋混凝土的黏結(jié)性能測試采用半梁式拉拔試驗方法進行.加載方案及試驗情況詳見圖4，通過在拉拔裝置中加設(shè)鋼輥支，模擬實際受彎構(gòu)件中縱筋偏心受拉的情況.為防止鋼輥支與試件接觸位置過早出現(xiàn)局壓破壞，加墊硬質(zhì)橡膠條.使用WAW-600D 電液伺服萬能試驗機加載，加載方案采用位移控制，加載速率0.5 mm/min，在試件自由端架設(shè)位移計.試驗過程中記錄鋼筋受到的拉力N，以及試件自由端鋼筋與混凝土的位移.

圖3 四點加載抗彎試驗（單位：mm）Fig.3 Four-point bending tes（tunit：mm）

圖4 鋼筋拉拔試驗（單位：mm）Fig.4 Steel pull out tes（tunit：mm）

2 銹蝕鋼筋受力性能

2.1 鋼筋銹蝕情況

鋼筋的銹蝕程度均用銹蝕率衡量.將試件破型取出銹蝕鋼筋并進行酸洗和打磨除銹，測量鋼筋長度和質(zhì)量，根據(jù)式（1）計算銹蝕率.

式中：η 為鋼筋的銹蝕率，%；m0為鋼筋銹蝕前質(zhì)量，g，按鋼筋長度乘以標準線密度計算獲得；m 為銹蝕鋼筋除銹后質(zhì)量，g.

混凝土內(nèi)的鋼筋往往出現(xiàn)不均勻銹蝕，同一根鋼筋遠離保護層一側(cè)銹蝕情況較輕，靠近保護層的一側(cè)銹蝕較嚴重（如圖5 所示）.

圖5 混凝土內(nèi)鋼筋不均勻銹蝕Fig.5 Non-uniform corrosion of bar in concrete

2.2 鋼筋拉伸試驗結(jié)果

銹蝕鋼筋拉伸斷裂往往在截面削弱嚴重的坑蝕位置，且鋼筋銹蝕越嚴重，破壞時越突然，頸縮現(xiàn)象越不明顯（如圖6 所示）.對比不同銹蝕率鋼筋的荷載-位移曲線（如圖7 所示），可發(fā)現(xiàn)屈服平臺隨銹蝕率增大而逐漸縮短.

圖6 銹蝕鋼筋拉伸斷裂Fig.6 Tensile failure of corroded bars

圖7 HRB500 鋼筋拉伸荷載-位移曲線Fig.7 Load-deflection curves of HRB500 bars

鋼筋拉伸試驗結(jié)果詳見表4.對比試驗結(jié)果可知HRB500E 級鋼筋銹蝕后強度及變形性能的變化規(guī)律與HRB400 級鋼筋的基本一致.鋼筋屈服強度、極限強度和伸長率都隨銹蝕率增加而明顯下降（如圖8～圖10 所示），銹蝕后鋼筋強度可按回歸公式（2）（3）計算.

式中：fy，C、fy，N分別為未銹蝕和銹蝕后鋼筋屈服強度，MPa；fu，C、fu，N分別為未銹蝕和銹蝕后鋼筋極限強度，MPa；δy、δu分別為銹蝕鋼筋屈服強度和極限強度的回歸系數(shù).

表4 鋼筋拉伸試驗結(jié)果Tab.4 Results of tensile test

圖8 鋼筋屈服強度與銹蝕率關(guān)系Fig.8 Yield strength variation with the corrosion ratio

圖9 鋼筋極限強度與銹蝕率關(guān)系Fig.9 Ultimate strength variation with the corrosion ratio

圖10 鋼筋伸長率與銹蝕率關(guān)系Fig.10 Elongation variation with the corrosion ratio

2.3 拉拔試驗結(jié)果

銹損拉拔試件的銹脹裂縫主要在底部保護層處沿縱筋方向開展（如圖11 所示）.試驗結(jié)果詳見表5.破壞形式主要有：彎剪破壞、劈裂破壞、局壓破壞和鋼筋拉斷（如圖12 所示）.銹蝕率較低、銹脹裂縫較小時，試件出現(xiàn)類似受彎構(gòu)件的彎剪裂縫.在自由端附近的鋼輥支處先出現(xiàn)沿正截面的豎向裂縫，向上發(fā)展后與縱向劈裂裂縫連通（如圖12（a）所示）.銹蝕率較高、銹脹裂縫較寬時，試件出現(xiàn)劈裂破壞，劈裂面混凝土保留較清晰的鋼筋肋痕跡，肋間有少量擠壓破碎的混凝土粉末（如圖12（b）所示）.混凝土強度等級C40 的試件B1-2L5 劈裂破壞時輥支附近混凝土局部壓碎（如圖12（c）所示）.鋼筋強度等級HRB400 的試件B2-1L3 鋼筋拉斷（如圖12（d）所示）.可知，當銹蝕率較小時，試件可能出現(xiàn)混凝土受壓或鋼筋受拉破壞.試件B1-1H4、B1-1H5 因銹脹裂縫過寬而損壞.

表5 拉拔試驗結(jié)果Tab.5 Results of pull out test

圖11 拉拔試件照片F(xiàn)ig.11 Photo of pull out specimens

圖12 拉拔試驗破壞形態(tài)Fig.12 Failure model of pull out test

鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度τ 按式（4）計算.

式中：N 為鋼筋所受拉力，N；d 為鋼筋的直徑，mm；l為黏結(jié)長度，mm，本次取250 mm.

相對黏結(jié)強度kτ為同系列試件中銹蝕試件與未銹蝕試件的黏結(jié)強度之比（如圖13 所示）.為簡化計算，不考慮銹蝕率較低時黏結(jié)力的提高.通過回歸分析得到kτ與銹蝕率之間的關(guān)系如式（5）.銹蝕率較低時kτ取1.0，使計算結(jié)果偏于安全.

圖13 鋼筋黏結(jié)強度與銹蝕率關(guān)系Fig.13 Bonding strength variation with the corrosion ratio

3 抗彎承載力試驗結(jié)果

3.1 試件銹蝕情況

足尺板試件裂縫多出現(xiàn)在板底部對應(yīng)縱筋的位置，并沿縱向從試件跨中向兩端開展（如圖14 所示）.足尺板側(cè)向保護層厚度較大，但也有部分板側(cè)面對應(yīng)縱向鋼筋位置處出現(xiàn)縱向裂縫（S1-1M、S1-2H、S2-2M、S2-2H）.銹脹裂縫情況詳見圖15（縱向）.鋼筋銹蝕情況詳見表6.

圖14 銹蝕板照片F(xiàn)ig.14 Photos of corroded slabs

圖15 試件銹脹裂縫及受彎破壞情況Fig.15 Crack pattern of tested specimens

表6 板抗彎試驗結(jié)果Tab.6 Results of bending test

3.2 抗彎破壞形態(tài)

銹蝕鋼筋混凝土板受彎的破壞模式以受壓區(qū)混凝土壓碎破壞為主，破壞過程仍分為3 個階段：整體工作階段（彈性）、帶裂縫工作階段（塑性發(fā)展）、破壞階段.對比圖15 中不同試件受力裂縫（橫向）情況，未銹蝕鋼筋混凝土板受彎破壞時，板底和板側(cè)產(chǎn)生豐富的受彎裂縫；鋼筋銹蝕構(gòu)件破壞時，受彎裂縫數(shù)量減少.同系列試件，銹蝕率越高，試件破壞時產(chǎn)生的受力裂縫減少越明顯.加載過程中，受彎裂縫開展會因既有銹脹裂縫而改變方向.隨銹蝕率增大，板底受力裂縫開展趨于集中，或產(chǎn)生一條主裂縫.此情況在鋼筋強度較低的S1-1 和S2-1 系列試件中更為明顯.當銹蝕率過高時，由于板底出現(xiàn)橫向發(fā)展的銹脹裂縫，如試件S1-1M 和S1-1H 受力裂縫與橫向銹脹裂縫重合，其中試件S1-1H 因銹蝕率過大，且板底橫向銹脹裂縫開展充分，試件在加載初期就沿橫向銹脹裂縫發(fā)生斷裂.

3.3 試件荷載-撓度曲線

圖16 所示為試件S、N 兩側(cè)跨中荷載-撓度曲線（D3，D7）.同系列試件在加載初期的整體工作階段，未銹蝕試件的荷載-撓度曲線斜率最大，試件曲線斜率隨銹蝕率增大出現(xiàn)不同程度的減小；同系列試件中，未銹蝕試件的屈服階段最明顯，銹蝕試件的屈服過程明顯變短.配置普通HRB400 級鋼筋的試件，當銹蝕率達到15%左右時，基本無明顯的屈服階段；配置HRB500E 級高強鋼筋的試件，屈服階段隨銹蝕率增大而變短的幅度較小.試件S1-1M 和S2-1H 板側(cè)的銹脹裂縫，在加載后期不斷發(fā)展，且與受力裂縫相互影響，使板出現(xiàn)了輕微的扭轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為試件D3 和D7 處位移差略大.分析試驗結(jié)果（表6）可知，銹蝕率對試件的開裂荷載影響較小.試件抗彎承載力和跨中撓度值都隨鋼筋銹蝕率增大而減小.

圖16 荷載-撓度曲線Fig.16 Load-midspan deflection curves

3.4 銹蝕率對抗彎性能的影響

定義相對抗彎承載力kM為同系列試件中銹蝕試件抗彎承載力與未銹蝕試件抗彎承載力之比（見表6）.通過回歸分析可知，試件抗彎承載力隨銹蝕率增大而呈線性減?。ㄈ鐖D17 所示）.對比配置HRB400 和HRB500E 級鋼筋試件的kM曲線，前者的斜率較后者的大44%.說明配置HRB500E 級鋼筋的試件，抗彎承載力隨銹蝕率增大下降較緩慢，銹蝕后的剩余抗彎承載能力較強.

圖17 抗彎承載力與銹蝕率的關(guān)系Fig.17 Flexural capacity variation with the corrosion ratio

鋼筋混凝土足尺板剛度隨銹蝕率增加而減小，表現(xiàn)為試件峰值荷載時的跨中撓度隨鋼筋銹蝕率增加而減小.定義相對跨中撓度kD為同一系列試件中，銹蝕后試件的跨中撓度與未銹蝕試件的跨中撓度之比（見表6）.試件跨中撓度值隨銹蝕率增大的變化較為離散，但通過對撓度數(shù)據(jù)進行分析可知，銹蝕后抗彎試件的撓度變化基本符合線性減小的變化規(guī)律（如圖18 所示）.對比配置HRB400 和HRB500E 級鋼筋試件的kD曲線，跨中撓度下曲線斜率分別為4.34%和2.6%，即隨銹蝕率增大，前者跨中撓度下降率較后者快66.9% （如圖18 所示）.配置HRB500E 級鋼筋的試件，跨中撓度隨銹蝕率增大下降較為緩慢，銹蝕后的變形性能更好.

圖18 跨中撓度與銹蝕率的關(guān)系Fig.18 Mid-span deflection variation with the corrosion ratio

3.5 混凝土應(yīng)變

圖19、圖20 分別是試件S2-2H 混凝土的荷載-應(yīng)變圖和跨中截面混凝土的應(yīng)變沿截面高度變化的情況.隨銹蝕率增大，鋼筋可能發(fā)生黏結(jié)滑移，但通過比較分析發(fā)現(xiàn)，鋼筋屈服或發(fā)生黏結(jié)滑移破壞前，試件發(fā)生彎曲變形基本符合平截面假定.

圖19 S2-2H 板混凝土應(yīng)變Fig.19 Strain of concrete in S2-2H

圖20 不同荷載下應(yīng)變沿截面高度的分布Fig.20 Strain distribution along height of cross sections under different loads

4 抗彎承載力計算

4.1 試件破壞模式

隨著銹蝕增加，鋼筋的（名義）屈服強度和鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能都會下降，試件受彎時可能出現(xiàn)鋼筋受拉屈服或黏結(jié)滑移2 種破壞情況：

式中：Fy，C為鋼筋的屈服拉力，N；Fτ，C為鋼筋與混凝土的黏結(jié)力，N；fy，C為受拉鋼筋的屈服強度，MPa，按式（2）計算；d 為受拉鋼筋的直徑，mm，取鋼筋的公稱直徑；τC為受拉鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強度，MPa，按式（5）計算；lb為受拉鋼筋的計算黏結(jié)長度，mm.

4.2 承載力計算

經(jīng)過試驗驗證，銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件仍基本符合平截面假定.考慮試件中受拉鋼筋銹蝕不均勻，抗彎承載力計算公式可寫為：

式中：Mu，C為試件的抗彎承載力，N·mm；α1為等效系數(shù)，混凝土強度等級不高于C50 時取1.0；fc為混凝土軸心抗壓強度，MPa；b 為試件截面寬度，mm；h0為試件截面有效高度，mm；Ft，i為每根受拉鋼筋提供的抗拉承載力，N，取Fy，C和Fτ，C中的較小值；n 為受拉鋼筋根數(shù).

足尺板抗彎試驗采用四點加載方式，因此計算黏結(jié)長度lb=700 mm.試件承載力試驗值與計算值的統(tǒng)計分析詳見表6，所有試件抗彎承載力的計算值與試驗值之比的平均值為1.067，標準差為0.113.其中銹蝕板抗彎承載力的計算值與試驗值之比的平均值為1.019，標準差為0.081，說明計算值與試驗結(jié)果吻合較好.

5 結(jié)論

采用通電方式對配置高強鋼筋和普通鋼筋的混凝土板進行加速銹蝕；通過銹蝕鋼筋抗拉試驗、銹蝕鋼筋混凝土拉拔試驗以及銹蝕鋼筋混凝土板抗彎試驗，對比研究銹蝕對高強鋼筋混凝土板抗彎性能的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果對銹蝕板抗彎承載力進行了計算.

1）通過銹蝕鋼筋單向拉伸試驗測得HRB500E級和HRB400 級銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度和伸長率均隨銹蝕率增加呈線性減小.

2）銹蝕HRB500E 級和HRB400 級鋼筋半梁式拉拔試驗結(jié)果表明：當銹蝕率<2.6%時，可不考慮銹蝕對鋼筋與混凝土黏結(jié)強度的增大影響；銹蝕率>2.6%時，鋼筋與混凝土黏結(jié)強度隨銹蝕率增大而線性減小.

3）配置HRB500E 級和HRB400 級鋼筋的混凝土板，銹蝕后抗彎性能變化規(guī)律基本一致，即鋼筋銹蝕率增大，試件抗彎承載力和變形性能退化明顯.其中，試件抗彎承載力和跨中撓度都隨銹蝕率增大而線性減小.且隨銹蝕率增大，配置HRB400 級鋼筋的試件，承載力下降較快，跨中撓度減小更顯著；而配置HRB500E 級鋼筋的試件，鋼筋銹蝕后的剩余抗彎承載能力和變形性能都較強.

4）考慮板內(nèi)縱筋銹蝕程度不統(tǒng)一，建立銹蝕鋼筋混凝土板受彎破壞模式的判別方法，再利用平衡關(guān)系，計算銹蝕鋼筋混凝土板抗彎承載力.計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好.