曲福來(lái)，陳 祥，于永齊，閆磊源，肖 颯

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045)

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生銹蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土漲裂，保護(hù)層失去作用，從而引起鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力下降，使得構(gòu)件的耐久性降低，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全性［1－4］.要準(zhǔn)確評(píng)估構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載力下降程度，需要充分認(rèn)識(shí)銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能變化規(guī)律.目前，國(guó)內(nèi)外研究人員主要采用外加電流和模擬人工氣候環(huán)境2 種方法使混凝土中的鋼筋產(chǎn)生銹蝕.后者得到的鋼筋銹蝕形態(tài)更接近于自然銹蝕的情況，但該方法試驗(yàn)條件復(fù)雜、試驗(yàn)周期長(zhǎng);采用通電加速銹蝕試驗(yàn)方法在較短的時(shí)間內(nèi)讓鋼筋產(chǎn)生銹蝕，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，常為大多數(shù)試驗(yàn)研究采用，但鋼筋銹蝕形態(tài)與實(shí)際存在差別［5－7］. 關(guān)于銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能，有學(xué)者認(rèn)為鋼筋銹蝕后強(qiáng)度變化不顯著［8－9］，也有研究認(rèn)為銹蝕后鋼筋的強(qiáng)度降低，延性減弱［10－12］.有研究人員在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和極限延伸率的退化模型［5－6，13］，為銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù).以上的研究，主要針對(duì)銹蝕比較均勻的鋼筋，而對(duì)沿鋼筋截面及長(zhǎng)度方向銹蝕程度差異較大的鋼筋研究較少.

本文的研究是根據(jù)混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理［14－15］，通過(guò)控制鋼筋周?chē)炷恋拿軐?shí)度及氯離子含量的不同，采用通電加速銹蝕方法得到沿鋼筋截面和長(zhǎng)度方向不均勻銹蝕的鋼筋.然后，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)得到鋼筋荷載－位移曲線，分析銹蝕率對(duì)不均勻銹蝕鋼筋力學(xué)性能的影響規(guī)律.最后，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了不均勻銹蝕鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)模型，并給出相關(guān)特征參數(shù)的取值.

1 通電加速銹蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)中考慮了4 種類(lèi)型的鋼筋:直徑8 mm 和12 mm 光圓鋼筋、直徑12 mm 和16mm 帶肋鋼筋.每種類(lèi)型的鋼筋預(yù)定銹蝕率從1%變化到15%. 為得到不均勻銹蝕鋼筋，澆筑混凝土板試件，每塊板中放置4 根鋼筋，鋼筋總長(zhǎng)度為1 600 mm，兩端各彎起100 mm，澆筑時(shí)露出板表面，以方便通電銹蝕時(shí)連接電源.

設(shè)計(jì)并澆筑6 塊鋼筋混凝土板，板的尺寸為1 500 mm×250 mm×150 mm. 澆筑時(shí)，先在板底鋪50 mm 厚的不同粒徑(0 ～20 mm)的石子，上面安放鋼筋;然后在鋪好的石子上面澆筑50 mm 厚的混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C50(水泥∶砂∶石∶水=530∶530∶1 100∶180);最后在混凝土表面拍壓入50 mm 厚石子.澆筑完成后進(jìn)行混凝土板的養(yǎng)護(hù)，成型后的混凝土鋼筋板如圖1所示.

圖1 澆筑成型的板

由于混凝土中的鋼筋在自然狀態(tài)下銹蝕需要的時(shí)間很長(zhǎng)，試驗(yàn)中采用通電加速銹蝕方法，圖2為試驗(yàn)裝置的示意圖.將同一類(lèi)型的鋼筋串聯(lián)，與穩(wěn)定直流電源正極連接，不銹鋼棒作為陰極與電源負(fù)極連接，鋼筋混凝土板大部分浸入濃度為5%的NaCl 溶液中，浸泡10 d，使Cl－充分進(jìn)入鋼筋表面. 然后連接穩(wěn)流電源，開(kāi)始通電. 施加電流過(guò)程中，鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，質(zhì)量減小，以達(dá)到鋼筋快速銹蝕的目的.為了得到與實(shí)際情況接近的銹蝕鋼筋，試驗(yàn)控制外加電流表面密度為300 uA/mm2.

圖2 混凝土板通電銹蝕裝置

混凝土板在通電2 d 后，溶液中開(kāi)始出現(xiàn)紅銹，溶液逐漸變紅.6 d 后，大部分混凝土板的表面出現(xiàn)銹跡，并逐漸出現(xiàn)黑色鐵銹.板的底面同樣出現(xiàn)大量黑銹.隨著銹蝕量的逐漸增大，沿板的側(cè)面出現(xiàn)了不連續(xù)的外溢銹蝕點(diǎn)，并不斷增加，最后逐漸形成一條裂縫，鐵銹中夾雜著綠色物質(zhì)，此物質(zhì)放空氣中逐漸變?yōu)榧t色.混凝土中鋼筋與空氣接觸的部位銹蝕極為嚴(yán)重，出現(xiàn)了環(huán)狀銹坑，銹蝕過(guò)程中從該部位流出大量銹蝕產(chǎn)物.

2 鋼筋銹蝕特征分析

將達(dá)到預(yù)定銹蝕時(shí)間的鋼筋混凝土板從溶液中取出破型，得到銹蝕鋼筋.用鋼刷子將鋼筋表面的鐵銹清除，并用稀釋后濃度為12%的鹽酸清洗，清洗完畢后用Ca(OH)2溶液進(jìn)行中和，再用清水洗凈，放到烘箱中烘干.觀察銹蝕后的鋼筋，靠近保護(hù)層的一側(cè)銹蝕較為嚴(yán)重，表面粗糙，個(gè)別鋼筋表面出現(xiàn)密集分布的小坑，而鋼筋另一側(cè)銹蝕較輕或未銹蝕，表面相對(duì)光滑，如圖3所示.

圖3 光圓鋼筋銹蝕表面特征比較

為了研究鋼筋沿長(zhǎng)度方向銹蝕率的變化進(jìn)行了鋼筋拉伸試驗(yàn)，將整根鋼筋截成長(zhǎng)度約為400 mm左右的單根鋼筋.為了測(cè)定不同位置鋼筋的銹蝕率，首先測(cè)量整根鋼筋的銹蝕率，然后沿鋼筋長(zhǎng)度方向截取50 mm 左右的微段，測(cè)量微段的質(zhì)量銹蝕率.得到了銹蝕后不同位置的鋼筋銹蝕率變化情況，任選2 根鋼筋，銹蝕結(jié)果如圖4所示.

對(duì)于銹蝕程度不同的不同類(lèi)型鋼筋，在不同位置銹蝕率有所差異，最大銹蝕率出現(xiàn)的部位隨機(jī)分布.由此可見(jiàn)，通過(guò)控制外加電流密度大小、鋼筋周?chē)炷恋拿軐?shí)度及試件浸泡方式，可以得到沿鋼筋截面和長(zhǎng)度方向變化的不均勻銹蝕鋼筋.

3 鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)

按照金屬材料拉伸試驗(yàn)方法規(guī)定，使用液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗(yàn). 試驗(yàn)前，用細(xì)小刻痕在鋼筋表面做標(biāo)記，以便測(cè)量鋼筋伸長(zhǎng)率，伸長(zhǎng)率計(jì)算時(shí)選用的標(biāo)距為10d(d 為鋼筋公稱(chēng)直徑).拉伸試驗(yàn)結(jié)束后，截取標(biāo)距長(zhǎng)度范圍的鋼筋，并將刻痕以外多余的鋼筋磨掉，測(cè)定標(biāo)距范圍內(nèi)鋼筋的質(zhì)量銹蝕率. 由于鋼筋銹蝕嚴(yán)重的部位隨機(jī)分布，而鋼筋一般在銹蝕嚴(yán)重的地方拉斷，鋼筋出現(xiàn)頸縮的位置也不固定，結(jié)果如圖5所示.

圖4 鋼筋微段銹蝕率沿長(zhǎng)度分布圖

通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到不同種類(lèi)的鋼筋在不同銹蝕率情況下的荷載－變形曲線，如圖6所示. 分析發(fā)現(xiàn)，隨著銹蝕率的增加，鋼筋的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有下降的趨勢(shì)，破壞時(shí)極限位移也有逐漸減小趨勢(shì).

圖5 拉伸試驗(yàn)鋼筋頸縮

圖6 鋼筋荷載－變形曲線

4 銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

考慮光圓鋼筋一般作為構(gòu)造鋼筋或箍筋使用，屈服段較短，選取雙折線(硬化彈塑性)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系.帶肋鋼筋屈服段相對(duì)明顯，且影響結(jié)構(gòu)的后期受力性能，用三段式模型(彈性－理想塑性－硬化塑性)表示，如圖7所示.

圖7 銹蝕鋼筋本構(gòu)模型

已有研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕后彈性模量未見(jiàn)明顯變化［5］.如果未銹鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系已知，則銹蝕率為ηs的銹蝕光圓鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為:

銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變分別為:

式中:acy=1－βyηs，acu=1－βuηs，αcδ=1－βδηs，分別為銹蝕鋼筋名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變相對(duì)值;βy，βu，βδ分別為鋼筋銹蝕率對(duì)名義屈服強(qiáng)度、名義極限相對(duì)值和極限應(yīng)變的影響系數(shù)，ηs為整根鋼筋銹蝕率.

同理得到銹蝕帶肋鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的表達(dá)式為:

式中:εch為銹蝕鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變，與未銹鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變關(guān)系可用公式表示;為相對(duì)值系數(shù).

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到各特征參數(shù)的取值，見(jiàn)表1.由本構(gòu)模型發(fā)現(xiàn):由于銹蝕鋼筋的應(yīng)力采用名義值，即荷載與鋼筋初始面積的比值，銹蝕鋼筋應(yīng)力隨銹蝕率增加下降.但實(shí)際上，如果鋼筋銹蝕后材質(zhì)強(qiáng)度不變，其實(shí)際應(yīng)力不會(huì)發(fā)生變化，這就需要對(duì)鋼筋沿長(zhǎng)度方向的銹蝕情況開(kāi)展進(jìn)一步研究.

表1 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型特征參數(shù)的取值

5 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)控制外加電流大小、鋼筋周?chē)炷撩軐?shí)度及試件浸泡方式，采用通電加速銹蝕試驗(yàn)可以得到沿鋼筋截面與長(zhǎng)度方向的不均勻銹蝕，這與實(shí)際鋼筋銹蝕形態(tài)比較相近. 不均勻銹蝕鋼筋銹蝕嚴(yán)重的部位隨機(jī)分布，微段最大銹蝕率會(huì)影響鋼筋的受力性能.

2)鋼筋銹蝕程度不同對(duì)其荷載－變形關(guān)系會(huì)產(chǎn)生影響，隨著銹蝕率的增加，鋼筋屈服荷載、極限荷載和極限伸長(zhǎng)率有所下降. 直徑8 mm 的光圓鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變曲線上無(wú)屈服平臺(tái)，而其它3 種鋼筋的屈服平臺(tái)隨鋼筋銹蝕率的增加縮短，直至消失.

3)基于不均勻銹蝕鋼筋拉伸試驗(yàn)結(jié)果，建立了銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型，對(duì)于光圓鋼筋可采用雙折線(硬化彈塑性)模型，對(duì)帶肋鋼筋可采用三段式(彈性－理想塑性－硬化塑性)模型.

［1］金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］Robert Capozucca.Damage to reinforced concrete due to reinforcement corrosion［J］.Construction and Building Materials，1995，9(5):295－303.

［3］吳香國(guó).基于耐久性的超高性能纖維改性混凝土疊合墩柱設(shè)計(jì)概念［J］. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(6):73－77.

［4］徐港，衛(wèi)軍，劉紅慶.鋼筋非均勻銹蝕試驗(yàn)研究［J］. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34(5):111－114.

［5］張偉平，商登峰，顧祥林. 銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34(5):586－592.

［6］吳慶，袁迎曙. 銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(12):42－47.

［7］Yuan Yingshu，Ji Yongsheng. Comparison of two accelerated corrosion techniques for concrete structures［J］. ACI Structural Journal，2007，104(3):344－347.

［8］孫維章，梁宋湘，羅建群. 銹蝕鋼筋剩余承載力的研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，1993，15(2):169－179.

［9］安琳，歐陽(yáng)平，鄭亞明. 銹坑應(yīng)力集中對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，35(6):940－944.

［10］張平生，盧梅，李曉燕.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能［J］.工業(yè)建筑，1995，25(9):41－44.

［11］惠云嶺，林志伸，李榮. 銹蝕鋼筋性能試驗(yàn)研究分析［J］.工業(yè)建筑，1997，27(6):10－13.

［12］范穎芳，周晶. 考慮蝕坑影響的銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2003，6(3):248－252.

［13］李彬，袁群，孫覓博.長(zhǎng)齡期水工結(jié)構(gòu)中銹蝕鋼筋的力學(xué)性質(zhì)研究［J］.人民黃河，2005，27(2):25－26.

［14］曾嚴(yán)紅，顧祥林，張偉平，等. 混凝土中鋼筋加速銹蝕方法探討［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2009，25(1):101－105.

［15］仲偉秋，貢金鑫. 鋼筋電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn)控制方法［J］.建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2002，29(4):28－29，67.