銹蝕栓釘力學性能試驗研究

余志武，石衛華, ，匡亞川

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭，410021)

鋼?混凝土組合結構普遍采用栓釘作為抗剪連接件[1?2]。組合結構運營過程中，常出現下述破損現象[3]：混凝土橋面板局部破損、負彎矩區混凝土板橫向裂縫和結合面部位混凝土板縱向剪切裂縫；另外，在車輛等反復荷載作用下，鋼板與混凝土間的結合面會產生滑移，甚至形成界面縫隙。侵蝕性介質從破損部位侵入后，引起栓釘銹蝕。由此導致栓釘力學性能退化以及栓釘與混凝土間黏結性能退化，直接降低栓釘連接件的抗剪連接作用，弱化鋼梁與混凝土的組合效應，最終導致鋼?混凝土組合結構性能劣化，如承載能力和剛度降低，從而影響到鋼?混凝土組合結構的使用安全[3?4]。正確認識栓釘銹蝕后力學性能的變化規律，建立相應的本構模型，是栓釘連接件和鋼?混凝土組合結構耐久性評估、壽命預測及數值仿真分析的基礎。國內外學者對栓釘力學性能進行了試驗研究[5?7]，提出了栓釘的2折線本構模型[8]和3折線本構模型[9]，但銹蝕栓釘的力學性能退化規律和本構模型尚未建立。本文作者采用人工氣候環境和恒電流加速銹蝕方法，通過銹蝕栓釘的拉伸試驗，研究不同加速銹蝕方法對銹蝕栓釘力學性能的影響，分析比較不同銹蝕程度下栓釘的力學性能指標變化規律，如屈服強度、極限強度、伸長率及彈性模量等，在此基礎上建立銹蝕栓釘本鉤關系模型，為銹蝕栓釘連接件性能退化研究提供必要基礎。

1 試驗設計

為研究銹蝕栓釘力學性能變化規律，最終建立銹蝕栓釘本構模型，通過對加速銹蝕方法獲得的銹蝕栓釘進行拉伸試驗。

1.1 試件來源

試驗采用栓釘均來自浙江杭州華凌公司，栓釘材料為SWRCH15A。栓釘型號為M16×175，實測直徑為15.92 mm。未銹蝕栓釘屈服強度為337.08 MPa，極限強度為 482.5 MPa。為方便拉伸試驗時試驗機夾頭夾住栓釘，銹蝕前切除栓釘頭部，然后制作成試件進行加速銹蝕。

1.2 加速銹蝕方法

人工氣候環境銹蝕方法是指在人工氣候試驗室中進行栓釘加速銹蝕試驗，通過高溫、高濕、鹽水噴淋、紅外燈照等人工方法模擬自然氣候環境對結構的侵蝕作用。試驗采用干濕循環方法進行加速銹蝕，“干”為高溫干燥，溫度為60 ℃，相對濕度為50%；“濕”為5%的NaCl溶液噴淋。循環制度為濕4 h，干44 h。

恒電流加速銹蝕方法是將試件中需銹蝕栓釘接直流電源的正極，以浸泡在 NaCl溶液中的不銹鋼為負極，通過 NaCl溶液形成電解池。通電加速銹蝕裝置如圖1所示。該方法又被稱為溶液模擬法[10]。銹蝕通過控制銹蝕電流密度和通電時間，可得到預定的銹蝕率的栓釘。通電時間可通過法拉第定律計算得出。

1.3 銹蝕率

銹蝕結束后取出栓釘，采用12%的鹽酸溶液對栓釘進行酸洗除銹，用鋼絲刷清除表面銹蝕產物后清水沖洗，采用 3%的碳酸鈉溶液中進行中和，最后用清水沖洗干凈，擦干放入干燥器中存放4 h。用電子天平稱取除銹后栓釘的質量。采用質量損失衡量各銹蝕栓釘的質量銹蝕率。每組試件栓釘數量為3個，銹蝕率取每組3個測量值的平均值。質量銹蝕率ρ計算公式為：

其中：m0為未銹蝕前栓釘的質量；mρ為銹蝕后栓釘實測的質量。

1.4 拉伸試驗

采用電子萬能試驗機進行栓釘拉伸試驗。引伸計夾在栓釘中間部位，標距為50 mm。加載速率按GB 228—87(《金屬拉伸方法》)中規定速率執行。加載過程中數據采集系統自動采集引伸計數據以及荷載?位移曲線。試件拉斷后，采用游標卡尺測量5d標距范圍內伸長量，計算伸長率δ5。

和鋼筋的力學性能類似，栓釘的強度分實際強度和名義強度。實際強度為實際荷載與實際截面面積的比值；名義強度為實際荷載與公稱截面面積的比值。本文屈服強度、極限強度和彈性模量均采用名義值表示。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

栓釘破壞形態均表現為塑形破壞，圖2所示為人工氣候環境部分栓釘破壞形態對比。由圖2可以看出：銹蝕率較小時，銹蝕栓釘存在明顯斷面頸縮現象；隨著銹蝕率的增大，斷面頸縮現象逐漸趨于不明顯。

圖2 銹蝕栓釘破壞現象(人工氣候)Fig. 2 Failure phenomenon of corroded studs

2.2 試驗結果

試驗試件共16組，每組3個栓釘，同組栓釘銹蝕環境、銹蝕方法和銹蝕時間相同。力學性能特征值取每組試驗值的平均值。表1給出了2種銹蝕方法下銹蝕栓釘的力學性能試驗結果。其中，0組表示無銹蝕栓釘，1～7組為人工氣候環境銹蝕栓釘，8～15組表示恒電流加速銹蝕栓釘。由于栓釘材質為連續屈服材料，不具有明顯的屈服點和屈服臺階，因此，其屈服強度以卸載后殘余應變為0.2%予以確定[11]。

從表1可看出：同一種銹蝕方式下，隨著銹蝕率增大，銹蝕栓釘的屈服荷載和極限荷載逐步下降，名義屈服強度和極限強度隨之不斷降低。銹蝕使栓釘桿身有效截面面積減小和銹坑周圍的應力集中是引起屈服強度和極限強度降低的主要原因。

名義屈服強度和極限強度與銹蝕率的關系如圖 3和圖4所示。人工氣候環境銹蝕栓釘的相對屈服強度和極限強度的退化速率約為栓釘平均質量減小速率的2.177倍和2.066倍，而恒電流加速銹蝕栓釘的相對屈服強度和極限強度的退化速率約為 1.871倍和 1.688倍。同一種銹蝕方式下，名義屈服強度和極限強度與銹蝕率呈線性下降關系，屈服強度下降速率略高于極限強度下降速率。人工氣候環境銹蝕下屈服強度和極限強度的下降速率要高于恒電流加速銹蝕條件下。這主要是由于人工氣候環境加速銹蝕條件下不均勻銹蝕現象更突出，栓釘銹蝕形態更接近自然環境銹蝕。這一點與鋼筋銹蝕形態一致[12]。

表1 銹蝕栓釘力學性能試驗結果Table 1 Mechanical property experimental results of corroded studs

圖3 名義強度相對值與銹蝕率關系(人工氣候)Fig. 3 Relative nominal strength versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate

圖4 名義強度相對值與銹蝕率關系(恒電流加速)Fig. 4 Relative nominal strength versus corrosion degree by galvanostatic acceleration

2.3 不同銹蝕程度栓釘應力?應變曲線

圖5 所示為人工氣候環境下不同銹蝕程度栓釘的應力?應變關系曲線。由圖 5可以看出：無論栓釘是否銹蝕，應變?應變曲線均表現出連續屈服的特性，沒有明顯屈服點。

栓釘的應力?應變關系可分為 3個階段，即：彈性階段、彈塑性階段和強化階段。彈性階段，應力從0增加到屈服強度，應力?應變呈線性，斜率即為名義彈性模量；彈塑性階段，應力從屈服強度增加到極限強度，應力隨應變的增加呈非線性增加；塑性階段，應力基本不變，而應變急劇增加。

從試驗獲得的名義應力?應變曲線中可得到不同銹蝕程度栓釘的名義彈性模量[12](直線段斜率)。名義彈性模量相對值隨銹蝕率的變化關系如圖6所示。由圖6可以看出：銹蝕率較小時，名義彈性模量相對值下降速度較快；銹蝕達到一定程度后，下降速度減緩。隨著銹蝕率增加，銹蝕栓釘的名義彈性模量也呈現下降趨勢。

圖5 不同銹蝕程度栓釘應力?應變關系(人工氣候)Fig. 5 Stress?strain curves for studs with different corrosion degrees

圖6 名義彈性模量相對值與銹蝕率關系(人工氣候)Fig. 6 Relative nominal elastic modulus versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate

2.4 塑性性能

屈強比和伸長率是衡量材料塑形性能的主要指標。栓釘銹蝕后，由于銹坑周圍存在產生應力集中，塑形性能會發生退化現象。

從表1可以看出：人工氣候環境加速條件下，當銹蝕率小于 13.8%時，屈強比基本不變化；而當銹蝕率大于13.8%時，屈強比隨銹蝕率的增大呈下降趨勢，但下降幅度較低。恒電流加速銹蝕條件下，銹蝕率小于8.5%時，屈強比基本無變化，而當銹蝕率大于8.5%時，屈強比呈下降趨勢，下降幅度較大。2種銹蝕條件下屈強比的變化規律基本一致。

圖7 伸長率相對值與銹蝕率關系(人工氣候)Fig. 7 Relative elongation versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate

圖7 所示為人工氣候環境銹蝕條件下銹蝕栓釘伸長率與銹蝕率的變化規律。由圖7可以看出：銹蝕栓釘伸長率隨銹蝕率增大呈線性下降趨勢，表明隨著銹蝕率增大栓釘塑性降低，脆性增加。并且伸長率的降低速率要高于名義強度降低速率。這與銹蝕鋼筋的變化規律一致[12?13]。

上述分析表明：隨著銹蝕程度的增加，栓釘塑性性能不斷下降。

2.5 銹蝕方法適用性分析

人工氣候環境下栓釘銹蝕為不均勻銹蝕，靠近保護層一側銹蝕較背離保護層側嚴重，銹蝕產物為紅褐色。恒電流銹蝕栓釘也為不均勻銹蝕，靠近溶液側銹蝕較遠離溶液側銹蝕嚴重，但銹坑不均勻分布程度低于人工氣候環境。這與已有的2種銹蝕方法下鋼筋銹蝕形態相同[14]。

2種銹蝕方法引起的栓釘力學性能變化規律相似，人工氣候環境法退化速率要大于恒電流銹蝕法，但差別不大。因此，2種方法均可以較好地模擬自然環境銹蝕。

3 銹蝕栓釘力學性能退化模型

人工氣候環境銹蝕和恒電流加速銹蝕方法獲得的銹蝕栓釘，各項力學性能表現出相似的退化規律。銹蝕栓釘的名義屈服強度、名義極限強度可分別按照下式計算：

式中：fy,c和fu,c分別為銹蝕栓釘的名義屈服強度、名義極限強度；fy,0和fu,0分別為未銹蝕栓釘的屈服強度、極限強度；κr,y和κr,u分別為相對屈服強度影響函數和相對極限強度影響函數，其計算公式為：

人工氣候環境：

恒電流加速銹蝕：

式中：ρ表示銹蝕栓釘的銹蝕率。

人工氣候環境銹蝕條件下銹蝕栓釘伸長率和彈性模量的退化規律可分別按照下式計算：式中：δs,c和Eu,c分別為銹蝕栓釘的伸長率和名義彈性模量；δs0和Eu0分別為未銹蝕栓釘的伸長率和彈性模量。

4 銹蝕栓釘本構關系模型

從圖 5可以看出：銹蝕栓釘的應力?應變關系與Nguyen的3折線本構模型[9]較為吻合。因此本文采用Nguyen模型來建立銹蝕栓釘的本構關系模型，如圖8所示。

圖8 銹蝕栓釘本構關系模型Fig. 8 Constitutive model for corroded studs

本構模型如下：

當 0≤ε＜εy時，

當εy≤ε≤εu時，

當ε＞εu時，

式中：σy和σu分別為銹蝕栓釘屈服強度、極限強度；εy和εu分別為銹蝕栓釘屈服強度、極限強度對應的應變，εy=2 000με,εu=10εy；Es為銹蝕栓釘的名義彈性模量。

針對本文建立的銹蝕栓釘本構模型，選用不同銹蝕程度的栓釘，將力學性能特征值代入本構模型函數，即可繪制出銹蝕栓釘鋼筋的應力?應變曲線。人工氣候環境下部分銹蝕栓釘的應力?應變關系的理論曲線與試驗曲線的比較見圖9所示。由圖9可以看出：理論應力?應變曲線與試驗應力?應變曲線吻合良好。

圖9 銹蝕栓釘的應力?應變曲線比較Fig. 9 Comparison of stress?strain curve for corroded studs

5 結論

(1) 人工氣候環境與恒電流加速銹蝕 2種方法均能較好地模擬自然環境下栓釘銹蝕。人工氣候環境銹蝕更接近自然環境銹蝕。

(2) 銹蝕栓釘的屈服強度和極限強度隨銹蝕率的增加不斷下降，下降速率與銹蝕方法有關。人工氣候環境銹蝕栓釘的下降速率高于恒電流銹蝕栓釘。

(3) 隨著銹蝕程度的逐漸增加，銹蝕栓釘的彈性模量和伸長率不斷減小，塑性性能逐漸降低。

(4) 銹蝕栓釘后力學性能不僅與栓釘銹蝕率有關，還與栓釘的銹蝕形態有關。栓釘銹蝕后的力學性能退化主要是由于栓釘有效截面積減小和銹坑周圍的應力集中引起的。

(5) 根據試驗結果，得到銹蝕栓釘名義屈服強度、極限強度、彈性模量及伸長率的退化模型。并在此基礎上，建立銹蝕栓釘的本構關系模型，為栓釘連接件和鋼?混凝土組合結構耐久性研究建立了理論基礎。

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