鋼筋銹蝕對其力學性能退化規律的影響研究

陳嘉帥等

摘 要：文章采用外加直流電法對四種常用直徑的HRB400帶肋鋼筋進行加速銹蝕，對銹蝕后鋼筋采用除銹劑進行除銹，鋼筋除銹后進行拉伸試驗，最后對試驗數據進行統計擬合分析。研究發現：鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度隨著鋼筋質量銹蝕率的增大呈線性退化規律；同一直徑鋼筋的名義極限強度退化速率要明顯快于名義屈服強度退化速率；大直徑鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度退化速率比小直徑鋼筋要快，名義屈服強度退化速率隨鋼筋直徑變化較為敏感，名義極限強度退化速率隨鋼筋直徑變化不敏感。從而為混凝土結構的承載力、耐久性評估提供理論依據，為今后項目建設提供一定的參考與建議。

關鍵詞：鋼筋銹蝕；力學性能；質量銹蝕率；名義屈服強度；名義極限強度

引言

隨著我國經濟的飛速發展，鋼筋混凝土的消耗量與日俱增，我國的鋼筋混凝土的消耗量在全世界消耗量中占有較大的比例，鋼筋混凝土結構已成為我國建筑物與構筑物的主要結構體，數量巨大。鋼筋混凝土長耐久性是結構構筑追求的目標之一，鋼筋不僅是鋼筋混凝土的重要組成，也是影響混凝土耐久性的重要因素。由于包裹鋼筋的混凝土出現不密實，混凝土內的鋼筋易發生銹蝕。鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性失效的主要原因之一[1-2]。銹蝕鋼筋的力學性能是混凝土結構耐久性評估、壽命預測的基礎[2]。鋼筋混凝土內的鋼筋由于多種原因而發生銹蝕，鋼筋銹蝕產物體積發生膨脹，造成包裹鋼筋的混凝土開裂、剝落，結構構件的承載能力下降。因此，只要充分認識銹蝕鋼筋力學性能退化的規律，就能對結構構件的承載能力下降程度進行進一步的評估，也能夠對結構構件的耐久性衰退程度進行進一步的評價。

1 國內外研究現狀

近期國內研究中，徐港[3]等研究了坑蝕與鋼筋強度、伸長率之間的規律。研究表明，影響鋼筋伸長率主要因素是坑蝕深度，鋼筋塑性隨銹蝕率增加而逐漸下降，強度反而提高。陳露[4]等通過5種人工模擬環境獲取多組銹蝕鋼材，研究了銹坑對鋼材力學性能的影響規律。研究表明，分形維數和伸長率隨著銹蝕率的增大呈冪關系下降，屈服強度、極限強度呈線性下降。閃勇[5]等運用有限元法模擬分析了蝕坑形狀、深度和間距對鋼筋屈服強度的影響規律。研究發現，鋼筋屈服強度與蝕坑深度有明顯關系，與蝕坑形狀以及間距無關。宋嘉文[6]等通過分析不同銹坑形態對鋼筋銹蝕后力學性能的影響。研究發現，銹坑的深度和銹坑的寬度對鋼筋力學性能的影響很大。

馬良 [7]等，初少鳳[8]通過人工快速銹蝕的方法獲得試驗試件。研究發現，小直徑鋼筋銹蝕后其名義力學性能退化受質量損失率影響更加敏感。

袁迎曙[9]等通過三種方法制作銹蝕鋼筋，并對銹蝕鋼筋進行有限元分析，提出了銹蝕鋼筋的應力與應變關系。蔣連接[10]等通過對比研究，發現在鋼筋的銹蝕程度低的情況下，通電加速銹蝕比人工氣候環境下的銹蝕均勻，其力學性能略好，且隨著鋼筋銹蝕率的增大兩者之間的差別會增大。

近期國外研究中，Maslehuddin[11]等認為銹蝕對鋼筋屈服強度和極限強度的影響很小。Almusallam[12]研究認為銹后鋼筋的強度、塑性均隨鋼筋銹蝕率的增大而發生退化。

2 試驗研究

2.1 試件的制作

本試驗采用的鋼筋為HRB400，直徑分別為12mm、14mm、16mm和18mm四種帶肋鋼筋。鋼筋試樣長度為500mm，共72根。每種直徑鋼筋的設計銹蝕率分別為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%和16%。每種直徑鋼筋共設置9組。本試驗中，將銹蝕前鋼筋、銹蝕鋼筋除銹后的長度和質量進行測量。銹蝕鋼筋的除銹采用鋼筋除銹劑。除銹的方法是：將銹蝕鋼筋浸泡在除銹劑稀釋溶液里30分鐘后，經清水洗凈后用布擦干，在烘箱中干燥1小時，再等鋼筋試件冷卻后用鋼絲刷除去表面的銹蝕物，最后對試件進行編號，稱量銹蝕鋼筋除銹后的質量，計算鋼筋試件的質量銹蝕率ρ，計算公式如下：

2.2 試驗方法

本試驗采用外加直流電的方法人工加速鋼筋的銹蝕，以便在較短的時間內獲得銹蝕鋼筋試件。在本試驗中，把2根鋼筋試件用導線并聯接入直流電源的正極，再將另1根鋼筋用導線接入直流電源的負極，然后把三根鋼筋浸泡于3%的NaCl溶液中，調整好直流電源電流，通電加速鋼筋銹蝕。

銹蝕鋼筋除銹后，將試件的兩端分別夾緊在微機控制電液伺服萬能試驗機的夾具上，在拉伸試驗時，加載速率按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1-2010）中規定的應力速率6～60MPa·s-1執行，在試驗過程中記錄每根鋼筋試件的屈服荷載和極限荷載。

3 試驗結果與分析

結合國內外眾多學者的研究，本試驗為更好地進行比較分析，銹蝕鋼筋的強度分別用名義屈服強度、名義極限強度表示。名義屈服強度R'CL為鋼筋的實際屈服荷載與鋼筋未銹蝕時的截面面積之比；名義極限強度R'm為鋼筋的實際極限荷載與鋼筋未銹蝕時的截面面積之比。

本試驗中，所有鋼筋試件的銹蝕程度均達到了試驗設計的要求。鋼筋試件拉斷后，所有的鋼筋試件在拉斷前均出現了明顯的頸縮現象，且在力-位移圖中均出現了明顯的屈服臺階。其中，16mm鋼筋的銹蝕形態、銹蝕鋼筋破壞形態分別如圖3、圖4所示。

對試驗取得的大量數據進行分析，并用統計擬合方程表示不同直徑鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度與質量銹蝕率的數學模型，4種銹蝕鋼筋的力學性能的數學模型如表1所示。

由表1和圖5可知，12mm、14mm、16mm和18mm鋼筋的力學性能隨著銹蝕程度的增大都發生了明顯的退化。鋼筋的屈服強度、極限強度表現出有規律的線性退化；同一直徑鋼筋的名義極限強度退化速率要明顯快于名義屈服強度退化速率；大直徑鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度退化速率比小直徑鋼筋要快，名義屈服強度退化速率隨鋼筋直徑變化較為顯著，名義極限強度退化速率隨鋼筋直徑變化不顯著。

4 結束語

采用外加直流電人工加速銹蝕的方法可以在較短時間內獲得銹蝕試件，能夠較好的反映鋼筋銹蝕對其力學性能的影響規律。試驗結果表明，隨著鋼筋銹蝕程度的增大，鋼筋的強度出現顯著的線性退化規律；同種直徑鋼筋的名義極限強度退化顯著，對銹蝕程度更加敏感；不同直徑的鋼筋，大直徑鋼筋的力學性能退化速率比小直徑鋼筋的顯著，其中名義屈服強度退化速率相差較大，鋼筋的名義極限強度相差較小，這是因為鋼筋的截面積是影響鋼筋強度的主要因素，表面積越大，鋼筋強度退化速率越快，直徑大的鋼筋的名義屈服強度與名義極限強度退化的速率較快。

本試驗對鋼筋銹蝕后的力學性能退化規律進行研究，總結出鋼筋強度與銹蝕程度的規律，能夠為混凝土結構物的承載力、耐久性評估提供很好的理論基礎，也能為今后的項目建設工作提供有效的參考與建議。

參考文獻

[1]MEHTA P K. Concrete durability-fifty year's progress[C]// Proceeding of the 2nd International Conference on Concrete Durability （SP126-1）.[s.l.]：ACI， 1991： 1-31.

[2]陳輝，張偉平，顧祥林.高應變率下銹蝕鋼筋力學性能試驗研究[J].建筑材料學報，2013，16（5）：869-875.

[3]徐港，張懂，梁桂林，等.坑蝕鋼筋力學性能退化的試驗研究[J].水電能源科學，2012，30（2）：86-88+135.

[4]陳露，李寧，徐善華，等.銹蝕鋼材力學性能退化規律試驗研究[J].工業建筑，2011，41（增刊）：652-654.

[5]閃勇，郭院成，曾力.銹蝕鋼筋力學性能的數值分析[J].工業建筑，2007，37（增刊）：944-946.

[6]宋嘉文，詹元，金慧珍，等.銹蝕鋼筋力學性能研究[J].低溫建筑技術，2011，（6）：8-10.

[7]馬良 ，陳慧娟，白常舉.鋼筋銹蝕后力學性能的試驗研究[J].施工技術，2000，29（12）：43-44.

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[9]袁迎曙，賈福萍，蔡躍.銹蝕鋼筋的力學性能退化研究[J].工業建筑，2000，30（1）：43-46.

[10]蔣連接，常明豐，文兆全.銹蝕鋼筋力學性能的試驗研究[J].低溫建筑技術，2011（3）：62-64.

[11]Maslehuddin et al. Effect of rusting of reinforcing steel on its mechanical properties and bond with concrete[J].ACI Materials Journal，1990，87（5）：496-502.

[12]Abdullah A Almusallam. Effect of degree of corrosion the proper ties of reinforcing steel bars [J].Construction and building Materials， 2001：361-368.

作者簡介：陳嘉帥（1995-），男，江西高安人，土木工程專業本科生。