徐亦冬 錢春香 孫家瑛

(1 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

(2 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院綠色建材與廢棄物資源化研究中心，寧波315100)

(3 東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211189)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的重大科技問題，其中鋼筋銹蝕是影響其耐久性的最重要的一個(gè)因素.就銹蝕鋼筋自身的力學(xué)性能而言，蝕坑是最顯著的影響因素.安琳等［1］針對鋼筋蝕坑幾何參數(shù)對力學(xué)性能的影響進(jìn)行了探索，通過試驗(yàn)與有限元分析研究了蝕坑應(yīng)力集中對鋼筋力學(xué)性能的影響.金偉良等［2］則從構(gòu)件研究的角度出發(fā)，比較了均勻銹蝕和坑蝕對銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響，定義了描述鋼筋均勻銹蝕和坑蝕的參數(shù).蝕坑的演化及其分布是判斷腐蝕類型、評價(jià)腐蝕程度和研究腐蝕規(guī)律的重要依據(jù)，而目前針對混凝土內(nèi)鋼筋蝕坑演化及分布研究的文獻(xiàn)相對較少，且尚無定論.李富民等［3］針對預(yù)應(yīng)力鋼絞線的銹蝕特性開展了試驗(yàn)研究，并從化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)及表面幾何形態(tài)方面進(jìn)行了分析.馬亞麗等［4-5］利用實(shí)測數(shù)據(jù)，對氯離子環(huán)境下鋼筋最大腐蝕深度與平均腐蝕深度比值的概率分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鋼筋最大腐蝕深度與平均腐蝕深度的比值在0.05 顯著性水平下不拒絕正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布，其中和后者的擬合更好，但其利用國外文獻(xiàn)資料的數(shù)據(jù)也得到了蝕坑深度不拒絕服從極值Ⅰ型分布的假設(shè)的結(jié)論.王波等［6］對氯鹽環(huán)境下混凝土內(nèi)鋼筋蝕坑形狀及分布特征進(jìn)行了描述，分析得到了蝕坑生長演變的規(guī)律.但上述研究均未就化學(xué)-力學(xué)耦合作用下混凝土內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋蝕坑的演化及分布規(guī)律進(jìn)行探討.

本文以普通混凝土作為鋼筋的載體，分別考慮外滲型與內(nèi)摻型氯鹽2 種化學(xué)因素及其與拉應(yīng)力耦合對混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕作用，以準(zhǔn)確反映鋼筋的銹蝕特性.通過對不同銹蝕程度鋼筋的蝕坑深度進(jìn)行采集，分析獲得蝕坑的生長演化規(guī)律;結(jié)合概率與統(tǒng)計(jì)知識得到不同銹蝕條件下蝕坑深度分布規(guī)律，為進(jìn)一步完善鋼筋力學(xué)性能退化模型奠定基礎(chǔ).

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

混凝土強(qiáng)度等級為C30，一組配合比用于外滲型氯鹽腐蝕，另一組配合比用于內(nèi)摻型氯鹽腐蝕，如表1所示.鋼筋等級為HPB235，直徑12 mm.鋼筋混凝土試件尺寸為150 mm ×150 mm ×550 mm，保護(hù)層厚度15 mm.分別考慮不同化學(xué)因素及其與力學(xué)因素耦合對混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕性質(zhì)的影響，試件編號如下:RC 表示混凝土在外滲型氯鹽環(huán)境下發(fā)生腐蝕，RS 表示混凝土在內(nèi)摻型氯鹽環(huán)境下發(fā)生腐蝕，RCL 表示混凝土在外滲型氯鹽-拉應(yīng)力耦合條件下發(fā)生腐蝕，RSL 表示混凝土在內(nèi)摻型氯鹽-拉應(yīng)力耦合條件下發(fā)生腐蝕.

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 鋼筋加速銹蝕試驗(yàn)

鋼筋混凝土試件在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后，分別在5%的氯化鈉溶液和清水中浸泡12 h，然后置于烘箱中(溫度(50 ±1)℃)烘12 h，使混凝土內(nèi)鋼筋在單一化學(xué)因素(氯鹽)作用下發(fā)生銹蝕.

鋼筋混凝土試件在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后，利用千斤頂與反力架對其進(jìn)行加載，加載示意圖見圖1.為使試件在加載過程中不產(chǎn)生裂紋，荷載P為計(jì)算開裂荷載的90%.將加載好的試件分別置于用5%氯化鈉溶液和清水浸濕的砂中，浸沒高度為試件高度的50%，然后利用太陽燈進(jìn)行干燥，使混凝土內(nèi)鋼筋在化學(xué)(氯鹽)-力學(xué)(拉應(yīng)力)耦合作用下發(fā)生銹蝕.

圖1 加載示意圖(單位:mm)

1.3 蝕坑深度的采集

將鋼筋從混凝土內(nèi)取出后立即放入除銹液中，除銹液的組分為鹽酸溶液+3%六次甲基四胺.除銹后稱重，按下式計(jì)算銹蝕質(zhì)量損失率:

式中，S 為銹蝕質(zhì)量損失率;m0為鋼筋銹蝕前的質(zhì)量，g;m1為鋼筋銹蝕后的質(zhì)量，g.

參照《金屬和合金的腐蝕 點(diǎn)蝕評定方法》(GB/T 18590—2001)［7］，采用數(shù)顯深度規(guī)對銹蝕鋼筋表面輪廓進(jìn)行測量，測量精度為0.01 mm.

2 韋伯分布原理

韋伯統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)是鏈的最弱鏈接理論，其累計(jì)分布函數(shù)如下［8］:

式中，x 為蝕坑深度;σu為位置參數(shù);γ 為尺度參數(shù);m 為形狀參數(shù).

在實(shí)際應(yīng)用中，通常取位置參數(shù)σu=0，則式(2)簡化為二參數(shù)韋伯累計(jì)分布函數(shù)，求一階導(dǎo)數(shù)后可得二參數(shù)韋伯分布的概率密度函數(shù)為

形狀參數(shù)m 決定了分布曲線的形態(tài)特征.當(dāng)m ＜1 時(shí)，f(x)以直線x =0 為漸近線;m =1 時(shí)，f(x)成為指數(shù)函數(shù);當(dāng)m ＞1 時(shí)，曲線則呈鐘形，且當(dāng)m 較小時(shí)曲線呈正偏態(tài)(即曲線右側(cè)拖尾)，較大時(shí)曲線則呈負(fù)偏態(tài)(即曲線左側(cè)拖尾).尺度參數(shù)γ 起放大或縮小曲線的作用，但不影響分布曲線的類型.

3 結(jié)果與討論

3.1 銹蝕鋼筋表面輪廓的演化

對氯鹽及其與拉應(yīng)力耦合條件下測得的銹蝕鋼筋輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻數(shù)分析.由圖2可知，在銹蝕初期，深度在0.1 mm 以下的細(xì)小蝕坑以及尚未形成蝕坑的比例較大;隨著銹蝕率的增加，該部分?jǐn)?shù)據(jù)所占比例迅速減小，表明大量細(xì)觀尺寸蝕坑迅速發(fā)展成為宏觀蝕坑.氯鹽侵蝕下鋼筋蝕坑的演化通?？煞譃? 個(gè)階段:

圖2 不同銹蝕條件下混凝土內(nèi)鋼筋蝕坑深度分布

1)微觀非穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕形核 在鋼筋表面總是存在化學(xué)/物理性質(zhì)的不均勻，較易吸附侵蝕性離子，從而穿透氧化膜侵蝕鋼筋基體，但是該形核過程大多數(shù)由于腐蝕電流的波動而消亡，因而是非穩(wěn)態(tài)的，所形成的微觀蝕坑將成為后期蝕坑發(fā)展的基礎(chǔ).

2)細(xì)觀亞穩(wěn)態(tài)蝕坑 此階段將產(chǎn)生大量深度小于0.1 mm 的蝕坑，肉眼可見，但是隨著銹蝕程度的增加，數(shù)量迅速減少，因而是亞穩(wěn)態(tài)的.

3)宏觀穩(wěn)態(tài)蝕坑 當(dāng)多數(shù)細(xì)觀亞穩(wěn)態(tài)蝕坑生長到一定程度后，蝕坑由于再鈍化而停止生長，此時(shí)形成宏觀穩(wěn)態(tài)蝕坑［9］.

對于RC 與RS 系列化學(xué)單因素腐蝕的試件而言，在銹蝕初始階段(S ＜1%)其亞穩(wěn)態(tài)蝕坑約占蝕坑總數(shù)的40%～55%，最終形成的穩(wěn)態(tài)蝕坑深度相對較小(本例小于1 mm).而對于RCL 與RSL 系列化學(xué)-力學(xué)耦合因素腐蝕的試件而言，由于拉應(yīng)力作用將加劇鋼筋表面化學(xué)/物理性質(zhì)的不均勻，亞穩(wěn)態(tài)蝕坑占蝕坑總數(shù)的70%以上，最終形成的穩(wěn)態(tài)蝕坑深度也較大(本例達(dá)到1.7 mm)，表明化學(xué)-力學(xué)耦合條件下鋼筋蝕坑的分布更不均勻.其原因可能是由于鋼筋內(nèi)部的缺陷處發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致該處的缺陷擴(kuò)展速度較其他部位要快，從而使得蝕坑的發(fā)展具有擇優(yōu)選擇性.應(yīng)力腐蝕的破壞作用集中在有限的一些晶界處，并且總是向垂直于外加應(yīng)力的方向擴(kuò)展，在應(yīng)力腐蝕中起陽極作用，是容易腐蝕的區(qū)域;應(yīng)力自由區(qū)起陰極作用，一般不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕［10］.鋼筋表面未銹蝕前原有的缺陷和銹蝕后的蝕坑都將會在外加應(yīng)力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且蝕坑深度越深，應(yīng)力集中現(xiàn)象越顯著［11］.因此，在外加應(yīng)力作用下鋼筋蝕坑的分布將更不均勻.

3.2 蝕坑深度分布

以往的研究表明，蝕坑的分布形式主要有以下3 種［6，12-14］:①正態(tài)分布;②韋伯分布;③極值分布.本節(jié)通過對不同銹蝕條件下鋼筋蝕坑深度的分布進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，并基于秩回歸法與極大似然估計(jì)法，采用Weibull ++軟件對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，以判定樣本總體與某種理論分布模型的相符程度.該方法根據(jù)擬合度、圖形擬合及似然率3 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，指標(biāo)值越小表明樣本與該分布函數(shù)擬合程度越高.由表2中擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的結(jié)果可知，氯鹽環(huán)境下銹蝕鋼筋蝕坑深度分布均優(yōu)先滿足韋伯分布.

表2 氯鹽侵蝕環(huán)境下蝕坑分布擬合優(yōu)度檢驗(yàn)值

此處可結(jié)合蝕坑觀測樣本的P-P 圖進(jìn)行驗(yàn)證.P-P 圖是根據(jù)變量的累積概率對應(yīng)于所指定理論分布累積概率繪制的散點(diǎn)圖，用于直觀地檢測樣本數(shù)據(jù)是否符合某一概率分布.散點(diǎn)向平滑曲線的聚集程度越高，期望分布的適用性就越好.如果被檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)符合所指定的分布，則代表樣本數(shù)據(jù)的散點(diǎn)應(yīng)當(dāng)基本在代表理論分布的對角線上.在本文4種不同侵蝕條件下，4 組試件RC-P1，RS-P1，RCLP2，RSL-P2 的蝕坑深度在進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)時(shí)，所得的秩相對較為接近，因此分別繪出其蝕坑深度的正態(tài)分布P-P 圖與韋伯分布P-P 圖.由圖3可知，當(dāng)擬合優(yōu)度的秩接近時(shí)，2 種不同分布的P-P 圖存在顯著差異，相比較而言韋伯分布P-P 圖的散點(diǎn)向理想分布曲線的聚集程度更高，進(jìn)一步驗(yàn)證了擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果的正確性.

圖3 氯鹽侵蝕條件下蝕坑分布P-P 圖

另外由圖4可知，在一定的銹蝕環(huán)境下，尺度參數(shù)γ 與銹蝕率S 之間呈良好的線性關(guān)系，但形狀參數(shù)m 則與銹蝕率基本無關(guān).在單一氯鹽腐蝕條件下，形狀參數(shù)m 的均值為1.413 5，而在氯鹽-拉應(yīng)力耦合作用下，該參數(shù)顯著減小.

圖4 氯鹽侵蝕條件下蝕坑深度韋伯分布參數(shù)與銹蝕率之間的關(guān)系

將蝕坑深度韋伯分布參數(shù)與銹蝕率之間的關(guān)系代入式(2)，可得氯鹽及其與應(yīng)力耦合作用下混凝土內(nèi)鋼筋蝕坑深度的累計(jì)概率分布模型，即

利用該模型預(yù)測了氯鹽腐蝕條件下鋼筋蝕坑的深度.由圖5可知，理論值與實(shí)測數(shù)據(jù)符合較好.

圖5 氯鹽腐蝕條件下鋼筋蝕坑分布模型理論值與實(shí)驗(yàn)值對比

4 結(jié)論

1)氯鹽侵蝕下鋼筋蝕坑的演化可分為3 個(gè)階段:微觀非穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕形核、細(xì)觀亞穩(wěn)態(tài)蝕坑、宏觀穩(wěn)態(tài)蝕坑.在銹蝕初期，深度在0.1 mm 以下的細(xì)小蝕坑以及尚未形成蝕坑的比例較大，隨后迅速發(fā)展成為宏觀蝕坑.

2)單一化學(xué)因素作用下形成的穩(wěn)態(tài)蝕坑深度相對較小，而拉應(yīng)力的引入將使鋼筋內(nèi)部的缺陷處發(fā)生應(yīng)力集中，加劇鋼筋表面化學(xué)/物理性質(zhì)的不均勻，導(dǎo)致該處的缺陷擴(kuò)展速度較其他部位要快，從而導(dǎo)致宏觀蝕坑深度較大，分布更不均勻.

3)無論是單一氯鹽因素，還是氯鹽-拉應(yīng)力耦合腐蝕因素作用下，鋼筋蝕坑分布均優(yōu)先滿足韋伯分布.在一定的銹蝕環(huán)境下，尺度參數(shù)γ 與銹蝕率S 之間呈良好的線性關(guān)系，但形狀參數(shù)m 則與銹蝕率S 基本無關(guān).據(jù)此建立了基于韋伯分布的蝕坑預(yù)測模型，預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)符合較好.

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