考慮局部銹蝕特征的鋼筋性能退化試驗研究

孫曉燕，朱建科，王海龍，張治成

（1.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310027；2.紹興公路管理處，浙江 紹興 312300）

鋼筋銹蝕縮短了結構的使用壽命，增加了失效風險，惡化了失效后果.對于鋼筋銹蝕后的性能退化規律研究目前尚存在分歧.部分學者認為鋼筋屈服強度和極限強度隨銹蝕率增加而下降［1－3］，但銹蝕鋼筋的金相組織分析［4］指出，自然腐蝕只會使鋼筋截面積減小，不會改變材料的物理性能.近年開展的研究表明［5］，認為鋼筋的屈服強度隨著銹蝕率下降的觀點忽略了鋼筋局部銹蝕特征，采用銹蝕前鋼筋截面積來分析銹蝕后鋼筋的承載能力，會存在較大誤差.Almusallam［6］明確指出，根據鋼筋原截面積估算的鋼筋強度會隨著銹蝕率增大而降低，但實際銹后截面積對應的鋼筋強度并不會因銹蝕率而改變.Melchers等［7］認為鋼筋銹蝕嚴重時，傳統的銹蝕率指標不能用于衡量鋼筋的剩余強度.

為了準確評估服役結構性能和剩余使用壽命，國內外學者開始關注鋼筋局部銹蝕特征.Stewart等［8－9］發現當鋼筋銹蝕率達到16%時構件基本失效，局部坑蝕大大增加了構件的失效概率.Darmawan等［10］通過對預應力鋼絞線的坑蝕研究指出，高應力水平下坑蝕會導致預應力筋突然斷裂，從而引發嚴重的工程事故.因此正確評估鋼筋局部坑蝕作用下的力學性能，對鋼筋混凝土構件剩余承載能力估算和失效風險分析至關重要.盡管現階段范穎芳等［11］開展了蝕坑對鋼筋強度影響的數值模擬分析，但銹蝕鋼筋的局部銹蝕特征及其性能退化機理亟待基于針對性試驗開展的系統分析.本文通過混凝土構件加速退化試驗和鋼筋力學性能測試，開展了蝕坑的形狀參數及其分布特征的統計分析，并結合銹蝕鋼筋力學性能開展局部銹蝕特征的影響效果分析，研究銹蝕鋼筋力學性能的影響機制和退化規律.

1 試驗設計

銹蝕鋼筋試件采用人工環境模擬干濕循環作用下電化學加速銹蝕法獲取.該法具有試驗周期短、銹蝕形態接近工程實際、樣本離散度低以及序列齊備的優點.試驗梁混凝土標號為C30，梁尺寸為150mm×200mm×1 500mm；縱筋型號為HRB335，公稱直徑為16mm.恒電流加速銹蝕利用電化學腐蝕原理，混凝土內的銹蝕鋼筋作為陽極，不銹鋼網作為陰極，用質量分數為5%的NaCl溶液浸潤混凝土作為腐蝕介質；同時采用干濕循環模擬氯離子侵蝕環境，對試驗梁進行NaCl溶液干濕浸潤循環.

混凝土性能退化后用人工砸取鋼筋，在整根縱筋上截取銹蝕段，每段長50cm，共截取44 根銹蝕鋼筋和3根未銹蝕參考筋.用精度為0.02mm 的游標卡尺測量每段鋼筋所有點蝕坑參數（蝕坑深度、長度和寬度）.采用WAW－2000D 電液伺服萬能試驗機對銹蝕鋼筋進行拉伸，斷后測量原始標距為80mm內長度的變化以計算伸長率δ.

2 鋼筋銹蝕評價理論

2.1 鋼筋銹蝕機理

鋼筋銹蝕形態按陰陽極空間位置的分布可分為微觀腐蝕電池和宏觀腐蝕電池［12］.微觀腐蝕電池是由于鋼筋表面有許多空間位置上不可分的微小陰陽極，宏觀上則表現為均勻銹蝕.宏觀腐蝕電池是在鋼筋表面的腐蝕區和鈍化區分別發生金屬的陽極溶解反應和溶解氧的陰極還原反應，導致鋼筋局部產生明顯的坑蝕.研究表明［13］，兩種銹蝕形態往往同時存在，先發生均勻銹蝕，然后在鋼筋局部逐漸出現優勢蝕坑，發展成以局部坑蝕為主.均勻銹蝕和坑狀銹蝕在銹蝕率上無嚴格分界，一般銹蝕率小于5%時，以均勻銹蝕為主，當銹蝕率大于5%時，坑狀銹蝕占主導.

2.2 銹蝕評價指標

目前評價鋼筋銹蝕率主要采用2種指標：一種忽略局部銹蝕，以銹蝕前后質量減少來評價銹蝕程度，稱為質量損失率ηρ；另一種以蝕坑處截面積的減小量來衡量銹蝕程度，稱為截面積損失率ηs.由于工程實踐中最小截面難以測量，一般采用質量損失率來評價銹蝕程度.但質量損失率僅適用于精確預測銹蝕形態為均勻銹蝕的鋼筋，且預測帶肋紋的鋼筋銹蝕率時誤差很大.坑蝕為主的帶肋鋼筋其銹蝕沿鋼筋軸向不均勻，采用截面積損失率對結構性能評估更具有指導意義.因此，本文提出了基于銹蝕鋼筋最小截面積損失率的鋼筋銹蝕評估方法.

本文假定蝕坑面是半徑為r的球面，根據實際測量的蝕坑形狀參數，采用式（1）～（4）可求得某鋼筋樣本所有蝕坑處截面積損失率，從中取最小值作為該鋼筋樣本的最小截面積損失率，計算圖示見圖1.

對于淺蝕坑和洞蝕，定義最小截面積損失率計算公式［14］為：

圖1 蝕坑形態及截面積計算圖式Fig.1 Shape of pits and calculation schemes of cross－sectional area

式中：φ為鋼筋直徑，受均勻銹蝕影響而隨時間變化，mm；r 為蝕坑球面半徑，mm；d 為蝕坑深度，mm；b為蝕坑橫向寬度，mm；α1，α2為蝕坑處上下圓弧線對應弧度的1／2，rad.

對于層狀脫落銹蝕，考慮到蝕坑銹蝕面極不規則，引入損失率修正系數k進行計算：

式中：k＝0.85～1.00.

3 實測鋼筋局部銹蝕特征

3.1 鋼筋試件分組

室內加速銹蝕試驗中質量損失率ηρ的范圍為2%～20%.根據ηρ將鋼筋分為3 級［4］：A 級無銹蝕、B級輕微銹蝕和C級中等銹蝕.由于銹蝕率大于5%的鋼筋，銹蝕形態以坑蝕為主［2］，且不同銹蝕率下蝕坑的形態特征各異，將C 級鋼筋根據蝕坑特征和截面積損失率又分為Ca級淺蝕坑銹蝕、Cb級洞蝕銹蝕和Cc級層狀脫落銹蝕3個等級.銹蝕鋼筋試樣分組見表1.

表1 銹蝕鋼筋試件分組Table 1 Grouping of corroded rebar samples

3.2 鋼筋力學性能退化規律

銹蝕鋼筋的力學性能退化由多種因素共同作用：（1）均勻銹蝕引起鋼筋截面積減小；（2）局部銹蝕造成蝕坑處截面積減小；（3）蝕坑形狀不規則造成應力集中.本文通過對44根鋼筋試樣的拉伸試驗，來比較不同等級鋼筋的荷載－位移（P－S）曲線（見圖2）.

由圖2可見，鋼筋屈服荷載和極限荷載均隨著銹蝕程度的增加而下降，伸長率明顯下降；A 級和B級鋼筋具有明顯的屈服臺階，而C 級帶蝕坑鋼筋屈服臺階消失.

3.3 鋼筋力學性能退化模型

圖2 不同銹蝕等級鋼筋的荷載－位移曲線Fig.2 P－Scurves of corroded rebars in different grades

現階段銹蝕鋼筋強度有3種評估指標：（1）銹蝕鋼筋測試荷載與未銹蝕時的截面積A0之比，即名義強度；（2）銹蝕鋼筋測試荷載與銹后鋼筋稱重平均截面積Au之比，即均勻強度；（3）銹蝕鋼筋測試荷載與銹后鋼筋最小截面面積As之比，即坑蝕強度.由于不同學者采用的鋼筋銹蝕率評價指標和銹蝕鋼筋強度指標不同，所以研究截面積損失率和質量損失率的關系以及以上3種強度的轉化關系可以將其他學者的試驗數據加以利用，從而建立大樣本空間，得出可靠的鋼筋力學性能退化的統計公式.3 種強度的轉化關系為均勻強度＝名義強度／（1－ηρ）；坑蝕強度＝名義強度／（1－ηs）.

圖3為截面積損失率與質量損失率的對應關系，其線性擬合公式為：

圖3 截面積損失率與質量損失率的對應關系Fig.3 Corresponding relation of cross－section area loss rate and mass loss rate

式中：ζ為2種銹蝕率的轉化參數，基于44根銹蝕鋼筋測試數據建立的擬合得到ζ＝1.43.由圖3 發現，蝕坑處最小截面積比平均稱重截面積下降快，隨著銹蝕的發展，鋼筋縱向不均勻性增加，蝕坑處截面積損失率的離散度也逐漸增加.

根據本文44根銹蝕鋼筋測試數據獲得的強度和伸長率與截面積損失率的關系，如圖4所示.

由圖4可見，鋼筋名義強度、均勻強度和坑蝕強度均隨銹蝕率增大而降低.名義強度比均勻強度下降快，是因為隨著鋼筋銹蝕率的增加，銹后鋼筋稱重截面積減小；均勻強度比坑蝕強度下降快，是因為坑蝕強度對應實際最小截面積，均勻強度對應稱重截面積.

圖4 銹蝕鋼筋力學性能退化規律Fig.4 Degradation law of mechanical performance of corroded rebars

銹蝕鋼筋金相組織的研究表明［4］，采用實際截面積計算的坑蝕強度應不隨銹蝕率發生變化.測試發現，坑蝕屈服強度不隨銹蝕率發生變化，但坑蝕極限強度隨銹蝕率增大而顯著下降，導致坑蝕極限強度下降的原因是蝕坑處應力集中.

國內已有大量學者在試驗基礎上提出了名義屈服強度、名義極限強度、伸長率與最小截面積損失率的經驗公式，各公式具體見表2.其中，惠云玲等［1］的試驗鋼筋從實際構件中獲得，截面積損失率從0.5%到75.6%，但混雜了不同等級鋼筋，數據離散；袁迎曙等［2］采用現場拆換、實驗室加速銹蝕和人工坑蝕3種方式獲取鋼筋試樣，銹蝕方式不同且未區分鋼筋的等級；馬良喆等［15］首次將不同等級不同直徑鋼筋分開考慮并展開專門試驗研究；張平生等［3］所用鋼筋是截面積損失率從0%到60%的Ⅰ級和Ⅱ級鋼筋；張偉平等［16］研究了現場拆換、自然裸露和實驗室加速銹蝕3 種鋼筋性能，且鋼筋銹蝕率范圍較廣.

表2 銹蝕鋼筋力學性能退化公式Table 2 Formulas for mechanical performance of corroded rebars degradation

為進一步比較上述公式的實用性，本文除了針對φ16Ⅱ級鋼筋的44根銹蝕鋼筋進行試驗，還借鑒了張平生等［3］、張偉平等［16］和Du等［17］的試驗數據共450個數據點進行數值擬合得到預測模型，并將該模型與現有模型進行對比，如圖5所示.

圖5 銹蝕鋼筋力學性能退化公式對比Fig.5 Comparison among formulas for mechanical performance of corroded rebars

由圖5可見，不同退化模型差別很大，這是因為獲取鋼筋試樣的途徑、試樣尺寸、銹蝕程度以及試驗方法均對模型預測精度有一定影響.本文模型與張偉平模型接近，說明人工環境模擬和電化學加速銹蝕與工程實際的鋼筋銹蝕形態具有一致性.由于針對局部蝕坑參數進行了測算，本文針對Ⅱ級鋼筋的強度預測模型將更為準確.

3.4 蝕坑參數與力學性能退化的關系

本文展開了蝕坑參數與力學性能的關系研究，鋼筋名義屈服強度、名義伸長率與蝕坑參數的關系如圖6，7所示.

圖6 鋼筋名義屈服強度與蝕坑參數的關系Fig.6 Relationship between yield strength and pits'parameters

圖7 鋼筋名義伸長率與蝕坑參數的關系Fig.7 Relationship between elongation and pits'parameters

由圖6，7可以看出，銹蝕鋼筋的強度和伸長率均隨著蝕坑長度、寬度和深度的增加而降低.銹蝕鋼筋的力學性能受蝕坑深度的影響最大，寬度次之，受長度影響最小.但由于實際銹蝕過程中這3項系數之間是相互影響的，無法分離各個參數，因此有必要針對蝕坑參數采用數值模擬手段開展進一步的分析.

4 結論

（1）對于坑蝕為主的鋼筋，采用最小截面積損失率來評價鋼筋銹蝕程度具有更高的預測精度.隨著鋼筋截面積損失率的增加，其強度和延性顯著下降.

（2）基于試驗研究比較了鋼筋蝕坑深度、寬度和長度3種蝕坑參數與其力學性能的關系，發現蝕坑深度對鋼筋力學性能的影響最大.

針對工程中最常用的Ⅱ級鋼筋，建立了銹蝕鋼筋的強度和變形模型，并與工程實際銹蝕鋼筋數據和以往模型進行了對比分析.但是由于蝕坑參數之間相互關聯，無法單獨分析蝕坑深度對鋼筋力學性能的影響，因此有必要通過有限元法分析蝕坑參數與力學性能的對應關系.

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