楊光,胡軒浙,譚俊,王云洋,李明

(湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,湖南 常德,415000)

鋼筋長(zhǎng)時(shí)間裸露在自然環(huán)境下其有效直徑、重量等物理參數(shù)以及伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等力學(xué)性能均會(huì)因銹蝕產(chǎn)生劣化,造成重量尺寸等物理性狀偏差過(guò)大,力學(xué)性能下降,若直接使用則會(huì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性帶來(lái)安全隱患[1]。

鋼筋銹蝕現(xiàn)象主要是由局部的點(diǎn)蝕開(kāi)始再逐步擴(kuò)展至鋼筋的全部表面,銹蝕現(xiàn)象并不是均勻分布的,形態(tài)各異的部分點(diǎn)蝕或蝕坑缺陷會(huì)對(duì)鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響[2],針對(duì)銹蝕后鋼筋的物理力學(xué)性質(zhì)的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究。鋼筋銹蝕后會(huì)減小鋼筋的有效截面積和質(zhì)量,進(jìn)而影響鋼筋的力學(xué)性質(zhì),隨著鋼筋銹蝕程度的增大鋼筋的力學(xué)性質(zhì)呈減小趨勢(shì)[3-4]。部分學(xué)者對(duì)鋼筋不均勻銹蝕后的力學(xué)特性進(jìn)行分析,建立了線(xiàn)性的[5]和非線(xiàn)性[6]的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型。鋼筋銹蝕后表面的生銹物質(zhì)會(huì)引起體積發(fā)生膨脹、剝離等現(xiàn)象,在鋼筋自身性能劣化的同時(shí)對(duì)周?chē)幕炷廉a(chǎn)生膨脹應(yīng)力并減小鋼筋混凝土材料間的粘結(jié)力[7],進(jìn)而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命,不少學(xué)者研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)因鋼筋銹蝕出現(xiàn)材料組合性能劣化下降的情況[8],并根據(jù)鋼筋的銹蝕劣化規(guī)律對(duì)其使用壽命進(jìn)行了探索分析和預(yù)測(cè)[9]。

目前,國(guó)內(nèi)外研究人員主要采用外加電流和模擬氣候環(huán)境這2種人工干預(yù)的方法來(lái)加速鋼筋銹蝕以獲得不同銹蝕程度及銹蝕缺陷的試驗(yàn)材料[4],對(duì)在長(zhǎng)時(shí)間裸露在自然狀態(tài)下銹蝕鋼筋的物理力學(xué)性能研究鮮有報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)在室內(nèi)外2種不同環(huán)境中裸露在自然狀態(tài)下長(zhǎng)達(dá)4年時(shí)間的銹蝕鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比及統(tǒng)計(jì)分析,探索其物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律,以期為評(píng)估鋼筋銹損及物理力學(xué)性能變化情況提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

在停工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4年的某建筑工地上選取室內(nèi)潮濕環(huán)境和室外露天環(huán)境下自然銹蝕的2種不同直徑規(guī)格的HRB335鋼筋:室內(nèi)潮濕環(huán)境下銹蝕均勻的公稱(chēng)直徑為12 mm的鋼筋和公稱(chēng)直徑為22 mm的鋼筋各10根;室外露天環(huán)境下銹蝕均勻的公稱(chēng)直徑為12 mm的鋼筋和公稱(chēng)直徑為22 mm的鋼筋各10根。用切割機(jī)將選取的銹蝕鋼筋切割成長(zhǎng)度不小于500 mm的試樣,并對(duì)試件端頭進(jìn)行平整化處理。對(duì)不同環(huán)境和公稱(chēng)直徑的鋼筋試樣進(jìn)行編組編號(hào),編組分別為:(1)室內(nèi)潮濕環(huán)境φ12鋼筋A(yù)組;(2)室外露天環(huán)境φ12鋼筋B組;(3)室內(nèi)潮濕環(huán)境φ22鋼筋A(yù)組;(4)室外露天環(huán)境φ22鋼筋B組,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)鋼筋試件及分組

對(duì)鋼筋試件先后進(jìn)行除銹→稱(chēng)重測(cè)量→長(zhǎng)度、直徑測(cè)量→拉伸試驗(yàn)→伸長(zhǎng)率測(cè)量。具體測(cè)試方法為:(1)先用鋼絲球刷洗銹蝕鋼筋試件表面銹蝕物,浸泡在除銹液中30 min后用蒸餾水沖洗干凈并用吸水濾紙吸干,然后在電烘箱中烘干,最后用電子天平依次稱(chēng)量鋼筋除銹后的試件質(zhì)量,重量讀數(shù)精確至0.01 g;(2)使用鋼直尺測(cè)量各鋼筋試件的長(zhǎng)度,長(zhǎng)度讀數(shù)精確至1 mm,使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量各鋼筋試件的直徑,直徑讀數(shù)精確至0.01 mm,鋼筋試件的長(zhǎng)度和直徑分別測(cè)量3次后取平均值;(3)采用50 mm定值作為原始標(biāo)距,并用打點(diǎn)機(jī)在試件上打點(diǎn)標(biāo)記,以便試驗(yàn)完成后測(cè)量其伸長(zhǎng)率。使用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)時(shí),加載過(guò)程按鋼筋拉伸試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[10]控制。試件拉斷后,用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件斷后伸長(zhǎng)量,最后計(jì)算鋼筋試件的斷后伸長(zhǎng)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼筋銹蝕率測(cè)量

稱(chēng)重法是目前最常用的測(cè)量銹蝕鋼筋銹蝕率的方法,通過(guò)直接比較鋼筋銹蝕前和鋼筋銹蝕后的質(zhì)量差來(lái)獲取銹蝕鋼筋銹蝕程度的大小。與人工加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)不一樣的是在施工現(xiàn)場(chǎng)截取的鋼筋試樣在未銹蝕前的質(zhì)量和強(qiáng)度信息是未知的,只能通過(guò)鋼筋銘牌上的出廠(chǎng)信息獲取。根據(jù)鋼筋的銘牌得出鋼筋φ12鋼筋的公稱(chēng)橫截面積為113.1 mm2,理論質(zhì)量為0.888 kg/m;φ22鋼筋的公稱(chēng)橫截面積為380.1 mm2,理論質(zhì)量為2.980 kg/m。

鋼筋銹蝕率也可用名義質(zhì)量銹蝕率δ來(lái)表示[2],其計(jì)算公式為

式中:m0為試件的理論質(zhì)量;mc為試件除銹后的質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì),各試件的銹蝕率δ分布和各組試件的平均銹蝕率情況如圖2所示。

圖2 各組銹蝕鋼筋試件銹蝕率統(tǒng)計(jì)分析圖

由圖2可知:(1)經(jīng)過(guò)4年時(shí)間的銹蝕,鋼筋試件在室外露天環(huán)境下除銹后的質(zhì)量與理論質(zhì)量的偏差超出規(guī)范允許值,不能當(dāng)成正常狀態(tài)的鋼筋繼續(xù)使用[12],即φ12鋼筋B組超出-6%的規(guī)范允許偏差值,φ22鋼筋B組超出-4%的規(guī)范允許偏差值;(2)相同直徑大小的鋼筋試件的平均銹蝕在室外露天環(huán)境要比在室內(nèi)潮濕環(huán)境的平均銹蝕高,反映出室外露天環(huán)境下鋼筋的平均銹蝕率比室內(nèi)潮濕環(huán)境下的銹蝕率增加顯著,φ12鋼筋組的平均銹蝕率提高223.05%,φ22鋼筋組的平均銹蝕率提高185.27%,說(shuō)明直徑小的鋼筋在室外露天環(huán)境下較直徑大的鋼筋質(zhì)量損失更大。

2.2 伸長(zhǎng)率試驗(yàn)

利用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)各銹蝕鋼筋試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),鋼筋的斷后伸長(zhǎng)率A的計(jì)算式為[10]

式中:L0為鋼筋拉斷前的原始標(biāo)距;Lu為鋼筋的斷后標(biāo)距。

不同環(huán)境下銹蝕鋼筋的伸長(zhǎng)率離散情況較大,試件出現(xiàn)斷裂的位置也不盡一致,試件除了部分夾具附近斷裂外,也有試件出現(xiàn)在銹蝕情況相對(duì)嚴(yán)重的地方斷裂,鋼筋試件拉伸斷裂情況如圖3所示。

圖3 銹蝕鋼筋試件拉伸試驗(yàn)斷裂后情況

通過(guò)測(cè)量和計(jì)算得到各試件的斷后伸長(zhǎng)率A和各組試件的平均斷后伸長(zhǎng)率,統(tǒng)計(jì)分析情況如圖4所示。

圖4 各組銹蝕鋼筋試件伸長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)分析圖

由圖4可知:(1)相同直徑大小的鋼筋試件,銹蝕率低的鋼筋試件的平均伸長(zhǎng)率比銹蝕率高的鋼筋試件的平均伸長(zhǎng)率大,即鋼筋在室內(nèi)潮濕環(huán)境下鋼筋的伸長(zhǎng)率比室外露天環(huán)境鋼筋的伸長(zhǎng)率大,反映了銹蝕率大的鋼筋塑性變形能力會(huì)降低;(2)室外露天環(huán)境與室內(nèi)潮濕環(huán)境對(duì)比下,φ12鋼筋組的平均伸長(zhǎng)率劣化值為16.69%,大于φ22鋼筋組的平均伸長(zhǎng)率劣化值7.94%,同樣說(shuō)明直徑小的鋼筋在室外露天環(huán)境下受銹蝕影響較大,進(jìn)而伸長(zhǎng)率的劣化值相對(duì)較大。

2.3 鋼筋強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

銹蝕鋼筋的拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度分別用名義屈服強(qiáng)度ReL′、名義極限強(qiáng)度Rm′表示[2],計(jì)算公式分別為

式中:Fyc為銹蝕鋼筋的屈服荷載;S0為鋼筋銹蝕前理論截面面積;Fm為銹蝕鋼筋拉斷后的極限荷載。

通過(guò)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下每根鋼筋試件的屈服荷載大小和極限荷載大小,再利用式(3)、(4)得到各試件的名義屈服強(qiáng)度ReL′和名義極限強(qiáng)度Rm′以及各組試件的平均名義屈服強(qiáng)度和平均名義極限強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析情況如圖5所示。

圖5 各組銹蝕鋼筋試件名義屈服強(qiáng)度和名義極限強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析圖

由圖5可知:對(duì)比室內(nèi)潮濕環(huán)境與室外露天環(huán)境,隨著鋼筋試件的銹蝕率提高,各組銹蝕鋼筋試件的名義屈服強(qiáng)度和名義極限強(qiáng)度都有不同程度的劣化減小。

3 銹蝕率與強(qiáng)度指標(biāo)間相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析不同自然環(huán)境下鋼筋的銹蝕率與拉伸力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)間的聯(lián)系,根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果采用最小二乘法的原理確定不同直徑大小的鋼筋在不同環(huán)境下銹蝕率與名義屈服強(qiáng)度及名義極限強(qiáng)度之間的線(xiàn)性回歸方程,并得到指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù),如圖6所示。

圖6 各組銹蝕鋼筋試件鋼筋銹蝕率與強(qiáng)度擬合關(guān)系圖

由圖6可知:(1)不同自然環(huán)境下鋼筋的銹蝕率與拉伸強(qiáng)度值的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為負(fù)值,表明隨著鋼筋的銹蝕率增加,鋼筋的名義屈服強(qiáng)度和名義極限強(qiáng)度值是逐漸劣化減小的;(2)鋼筋銹蝕率與拉伸強(qiáng)度相關(guān)性系數(shù)值在0.5～1.0之間,表明鋼筋銹蝕率與拉伸強(qiáng)度值之間關(guān)系為強(qiáng)相關(guān)性[12];(3)同種直徑大小的鋼筋在室外露天環(huán)境下比在室內(nèi)潮濕環(huán)境銹蝕率與拉伸強(qiáng)度的線(xiàn)性相關(guān)性絕對(duì)值大,表明隨著環(huán)境因素對(duì)鋼筋銹蝕率的影響增大,銹蝕率大的鋼筋對(duì)其拉伸強(qiáng)度影響更顯著。

4 物理力學(xué)指標(biāo)的概率統(tǒng)計(jì)分析

為了探索環(huán)境因素對(duì)鋼筋銹蝕的影響形態(tài),檢驗(yàn)分析相同自然環(huán)境條件下對(duì)不同直徑大小鋼筋銹蝕后的物理力學(xué)參數(shù)值影響的概率分布,采用文獻(xiàn)[13]推薦的偏斜度、峰度檢驗(yàn)法檢驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)是否服從正態(tài)分布。

偏斜度的計(jì)算公式為[13]

峰度的計(jì)算公式為[13]

設(shè)

拒絕域?yàn)閇13]

當(dāng)偏度系數(shù)u1和峰度系數(shù)u2的絕對(duì)值均小于1.96時(shí),則認(rèn)為分析的數(shù)據(jù)在概率分布統(tǒng)計(jì)上服從正態(tài)分布。

通過(guò)利用公式(5)、(10)對(duì)不同直徑大小的鋼筋在相同自然環(huán)境下銹蝕后的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行概率分布檢驗(yàn),結(jié)果如表1所示。由表1可知,在同種環(huán)境下,不同直徑鋼筋銹蝕后的銹蝕率、伸長(zhǎng)率、名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度數(shù)值雖然具有離散性,但在概率統(tǒng)計(jì)上均服從正態(tài)分布。

表1 銹蝕鋼筋物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律

5 結(jié)論

(1)隨著鋼筋銹蝕率的增加,鋼筋的物理力學(xué)性質(zhì)均出現(xiàn)不同程度的劣化,公稱(chēng)直徑較小的銹蝕鋼筋試件在室外露天環(huán)境下質(zhì)量損失和伸長(zhǎng)率劣化速率更大。

(2)對(duì)鋼筋銹蝕率和拉伸強(qiáng)度之間相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性擬合,表明鋼筋銹蝕率與其名義屈服強(qiáng)度和名義極限強(qiáng)度值之間關(guān)系呈負(fù)的強(qiáng)相關(guān)性。

(3)不同直徑大小的鋼筋在相同環(huán)境下銹蝕后的物理力學(xué)指標(biāo)在概率統(tǒng)計(jì)上服從正態(tài)分布。

由于鋼筋在自然環(huán)境中的銹蝕與外部環(huán)境、自身抗銹蝕能力、時(shí)間等復(fù)雜因素有關(guān),本文所取鋼筋試件的試驗(yàn)工況較單一,鋼筋銹蝕率與銹蝕時(shí)間及鋼筋自身特性等的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。