銹蝕鋼筋軸向拉伸疲勞試驗(yàn)研究

羅小勇，歐陽祥森，2，周正祥，邴繹文

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104）

鋼筋銹蝕是服役中鋼筋混凝土構(gòu)件最常見的老化現(xiàn)象，它不僅造成鋼筋的截面減小，力學(xué)性能退化，而且由于銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的體積膨脹會引起混凝土沿縱筋疏松開裂以及保護(hù)層剝落，從而使得混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)力下降，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物的疲勞壽命.銹蝕鋼筋的疲勞性能越來越受到研究者的重視.曹建安等［1］進(jìn)行了14根銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)，鋼筋來自實(shí)際橋梁退化下來的老化構(gòu)件，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼筋銹蝕后其疲勞壽命顯著降低，疲勞極限應(yīng)力逐漸消失.Apostolopoulos等［2－3］進(jìn)行了鋼筋的軸向拉壓疲勞試驗(yàn)，研究表明，銹蝕鋼筋的疲勞壽命和延性均顯著降低.張偉平等［4］對28根自然銹蝕鋼筋進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，試件來自老化混凝土構(gòu)件，結(jié)果表明：在雙對數(shù)坐標(biāo)下，銹蝕鋼筋的疲勞壽命值和應(yīng)力幅值仍然表現(xiàn)為線性關(guān)系，銹蝕鋼筋疲勞壽命大幅降低.彭修寧等［5］對32根有局部銹坑的鋼筋疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)鋼筋的銹坑較淺時(shí)，銹蝕損傷與疲勞荷載損傷是兩種獨(dú)立的損傷，它們彼此之間為線性關(guān)系；當(dāng)銹坑較深時(shí)，銹坑損傷與循環(huán)荷載損傷兩者之間會相互影響和促進(jìn).李士彬等［6］對34根加速銹蝕鋼筋試件進(jìn)行了軸向拉伸疲勞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在雙對數(shù)坐標(biāo)下，銹蝕鋼筋的疲勞壽命值和應(yīng)力幅值仍然表現(xiàn)為線性關(guān)系，銹蝕鋼筋疲勞壽命大幅降低；隨銹蝕率的增大，疲勞曲線的衰減系數(shù)表現(xiàn)出“急劇遞增－平緩遞增－陡然遞增”的三階段遞增特征.以上這些研究中考慮的影響因素有限，如曹建安等［1］只考慮了應(yīng)力幅對鋼筋疲勞性能的影響；李士彬等［6］，張偉平等［4］則考慮了銹蝕率、應(yīng)力幅對于鋼筋疲勞性能的影響.總的來說，對于銹蝕鋼筋的疲勞力學(xué)性能研究偏少.基于此，本文設(shè)計(jì)了平均銹蝕率約為0%，3%，6%，9%，12%，15%的6組鋼筋試件，通過軸向拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果來分析鋼筋銹蝕后疲勞性能的退化規(guī)律；同時(shí)與國內(nèi)外已有的研究成果進(jìn)行比較，驗(yàn)證采用人工通電加速銹蝕方法以及所提出的銹蝕鋼筋疲勞壽命退化規(guī)律的可靠性，從而為合理確定既有銹損鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命提供必要依據(jù)，供結(jié)構(gòu)疲勞性能研究的工程技術(shù)人員參考.

1 銹蝕鋼筋疲勞試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

對8塊澆筑好的1 000mm×500mm×100mm鋼筋混凝土板運(yùn)用法拉第定律通電加速銹蝕，以獲取銹蝕程度不同的鋼筋試件.每塊板中沿縱向布置兩層鋼筋，每層布置9根，共計(jì)144根鋼筋.混凝土板中的鋼筋分布見圖1.鋼筋混凝土板的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30；混凝土配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.70∶3.02∶0.43；砂率為36%1）本文所涉及的砂率、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.；水灰比為0.50.鋼筋：HRB335 φ16.試驗(yàn)前測得鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度平均值分別為425.0，557.5MPa，平均極限伸長率為28%；實(shí)測銹蝕前平均單位長度質(zhì)量為1.52g／mm.

圖1 板中鋼筋示意圖Fig.1 Digram of steel bars in reinforced concrete slab（size：mm）

進(jìn)行軸向拉伸疲勞性能試驗(yàn)時(shí)，鋼筋易在端部斷裂.為此，本次銹蝕試驗(yàn)時(shí)對鋼筋端部進(jìn)行了保護(hù)處理.通電銹蝕結(jié)束后檢查鋼筋端部發(fā)現(xiàn)沒有銹蝕，絕緣效果良好，見圖2.

圖2 鋼筋試件電解銹蝕圖Fig.2 Corroded steel bars

鋼筋混凝土板在通電銹蝕之前先在濃度為5%的NaCl溶液中浸泡2個(gè)月（見圖3），待混凝土板的電阻降低后再進(jìn)行鋼筋的通電加速銹蝕試驗(yàn).鋼筋的銹蝕率與電流強(qiáng)度、通電時(shí)間成正比，通過控制電流強(qiáng)度大小和通電時(shí)間長短，可以得到試驗(yàn)所需要的銹蝕量.在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速銹蝕試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的6種平均銹蝕率（0%，3%，6%，9%，12%，15%）來設(shè)定電流強(qiáng)度I，通過計(jì)算即可得到所需的通電時(shí)間t.電流強(qiáng)度根據(jù)銹蝕鋼筋表面積的大小來定，一般取0.01～0.02mA／mm2.試驗(yàn)過程中需要采取絕緣措施來保證電流強(qiáng)度不發(fā)生損失.試驗(yàn)過程中，鋼筋的銹蝕電流密度都沒有超過3mA／cm2.

圖3 鋼筋混凝土板浸泡通電Fig.3 Reinforced concrete slab for electricity

1.2 實(shí)測鋼筋銹蝕率

按照GBJ 82—85《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗(yàn)方法》計(jì)算鋼筋的銹蝕率.先破型取出鋼筋，用刷子清除鋼筋表面的混凝土雜質(zhì)和鐵銹，再將銹蝕鋼筋浸泡于濃度為12%的鹽酸溶液中，待鋼筋表面的銹蝕產(chǎn)物酸解后，用清水洗凈，放入石灰水中進(jìn)行中和反應(yīng)，最后再用清水洗凈；在干燥箱中烘干后，稱取最終的鋼筋質(zhì)量.鋼筋最終銹蝕率按公式計(jì)算，式中的mw，m0分別為鋼筋銹蝕后及銹蝕前的質(zhì)量（g）.

1.3 銹蝕鋼筋疲勞試驗(yàn)加載方案

目前中國還沒有建筑用鋼筋疲勞性能試驗(yàn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).英國混凝土碳素鋼筋標(biāo)準(zhǔn)制定了帶肋鋼筋的疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：循環(huán)次數(shù)為200萬次，應(yīng)力比取0.20，加載頻率小于120Hz，對于φ16的鋼筋應(yīng)力幅取200 MPa.GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求HRB335鋼筋，當(dāng)應(yīng)力比取0.10時(shí)的應(yīng)力幅限值為162MPa；當(dāng)應(yīng)力比取0.20時(shí)的應(yīng)力幅限值為154MPa.TB 1002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定了鋼筋應(yīng)力幅容許值為150 MPa.綜上所述，結(jié)合GB 3075—82《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》，本次鋼筋疲勞性能試驗(yàn)參數(shù)如下：應(yīng)力比為0.10，應(yīng)力幅為200MPa，最大應(yīng)力為220MPa，最小應(yīng)力為20 MPa.試驗(yàn)過程中，當(dāng)加載頻率超過3Hz時(shí)，鋼筋反力架晃動(dòng)很大，最后將加載頻率定為3Hz.試驗(yàn)在PMS－500液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置中制作專門的鋼筋反力架將加載壓力傳遞至由錨具錨固的鋼筋上，保證鋼筋受到軸向疲勞拉伸.

2 銹蝕鋼筋疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋銹蝕程度不同，對鋼筋力學(xué)性能的影響也不相同.按設(shè)計(jì)的6種平均銹蝕率通電銹蝕后，得到144根鋼筋試件，從中選取銹坑外觀相對均勻的17根鋼筋來完成在空氣中不同應(yīng)力幅值下的軸向拉伸疲勞性能試驗(yàn).結(jié)果表明，絕大多數(shù)試件發(fā)生疲勞斷裂部位是在銹坑較深或者鋼筋橫截面銹損嚴(yán)重的位置；試驗(yàn)過程中仍然有一部分鋼筋在夾口處斷裂，對于后者本文未將其試驗(yàn)數(shù)據(jù)列入分析；剩余13根鋼筋的實(shí)測銹蝕率以及對應(yīng)的軸向拉伸應(yīng)力幅值分別為：實(shí)測銹蝕率分別為0%，3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%，17.20%的7 根鋼筋其疲勞荷載應(yīng)力幅取200 MPa；實(shí)測銹蝕率分別為9.23%，12.46%，16.66%的3根鋼筋其疲勞荷載應(yīng)力幅取240 MPa；實(shí)測銹蝕率分別為8.86%，11.54%，14.96%的3根鋼筋其疲勞荷載應(yīng)力幅取280MPa；具體試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見表1.此外，為了確定銹損后的鋼筋在靜力作用下的力學(xué)性能，從完成拉伸試驗(yàn)的17根鋼筋試件中選取疲勞荷載應(yīng)力幅值為200MPa的6根不同銹蝕率的鋼筋再進(jìn)行一定疲勞次數(shù)的荷載－應(yīng)變測試，以分析其彈性模量和殘余應(yīng)變隨銹蝕率及疲勞累積損傷而發(fā)生變化的規(guī)律.

2.1 銹蝕鋼筋疲勞破壞形態(tài)

對疲勞破壞后的鋼筋及其斷裂截面進(jìn)行拍照，列舉部分試件的斷面形態(tài)如圖4 所示.銹蝕鋼筋疲勞斷裂截面大部分較為平整，只有小部分中間有一定的凹陷；鋼筋斷裂面整齊，沒有出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象；斷裂截面方向大部分與鋼筋長度方向垂直，只有小部分表現(xiàn)為斜截面.銹蝕鋼筋的疲勞斷口存在明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū).鋼筋斷裂部位發(fā)生在鋼筋銹蝕最嚴(yán)重區(qū)域以及鋼筋銹蝕與未銹蝕分界面.鋼筋銹蝕最嚴(yán)重區(qū)域的鋼筋應(yīng)力最大，鋼筋容易在此斷裂.在鋼筋銹蝕與未銹蝕分界面上存在著應(yīng)力突變現(xiàn)象，鋼筋容易在此疲勞斷裂.銹蝕鋼筋疲勞破壞前，未出現(xiàn)任何征兆，表現(xiàn)為脆性破壞.

2.2 銹蝕鋼筋疲勞損傷后的荷載－應(yīng)變關(guān)系

為了解疲勞累積損傷對不同銹蝕率鋼筋力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)進(jìn)行了一定疲勞損傷后鋼筋的荷載－應(yīng)變性能測試，研究其變化趨勢及原因.從17根完成軸向拉伸疲勞性能試驗(yàn)的試件中選取疲勞荷載應(yīng)力幅值均為200MPa的6根不同銹蝕率鋼筋進(jìn)行靜力荷載－應(yīng)變性能測試.對要進(jìn)行該測試的鋼筋施加疲勞荷載一定次數(shù)后暫停疲勞荷載，在鋼筋上布置應(yīng)變片，再進(jìn)行靜力荷載－應(yīng)變測試，選用應(yīng)變片是標(biāo)距為1mm 的膠基箔式電阻應(yīng)變片.完成靜力荷載－應(yīng)變測試后繼續(xù)疲勞加載，如此反復(fù)直至試件疲勞斷裂.對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到鋼筋的荷載－應(yīng)變關(guān)系，部分結(jié)果如圖5所示（圖中n為加載次數(shù)）.

表1 不同銹蝕率鋼筋的疲勞性能Table 1 Fatigue characteristic of steel bars with different corrosion rates

圖4 銹蝕鋼筋疲勞斷口宏觀形貌Fig.4 Macro－patterns for fatigue rupture section of corroded steel bars

試驗(yàn)中，不同銹蝕率鋼筋試件暫停疲勞加載的次數(shù)是不同的.低銹蝕率的鋼筋試件可每加載10萬次后再暫停加載，進(jìn)行靜力荷載－應(yīng)變測試；高銹蝕率的鋼筋，考慮到鋼筋銹損嚴(yán)重故減少每一次的加載次數(shù)，防止其在疲勞加載中斷裂而無法進(jìn)行靜力測試.

考慮到疲勞損傷后銹蝕鋼筋的荷載－應(yīng)變性能測試不能對鋼筋的后續(xù)性能試驗(yàn)造成影響，本次試驗(yàn)只對鋼筋彈性階段的荷載－應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究，而對其屈服階段及后續(xù)階段未作研究.對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的分析表明，鋼筋銹蝕率很小時(shí)，其荷載－應(yīng)變曲線表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系；當(dāng)鋼筋銹蝕率達(dá)到約6%時(shí)，其荷載－應(yīng)變曲線的斜率隨著荷載的增加逐漸減小，說明鋼筋剛度開始減小，其彈性模量在銹蝕和疲勞荷載雙重作用下逐步降低；當(dāng)鋼筋銹蝕率增大到約12%時(shí)，其荷載－應(yīng)變曲線變得發(fā)散，曲線斜率則稍有增加，說明鋼筋的彈性模量在銹蝕率增加到一定程度時(shí)又有所回升；之后隨著鋼筋銹蝕率繼續(xù)增加，鋼筋的彈性模量又呈明顯的下降趨勢.

2.3 銹蝕鋼筋的疲勞曲線

銹蝕鋼筋的等幅疲勞強(qiáng)度關(guān)系曲線可以有多種假定，包括拋物線、直線和折線［7］，本次試驗(yàn)采取直線形式.銹蝕鋼筋軸向拉伸疲勞性能試驗(yàn)過程中，考慮銹蝕鋼筋均勻截積損失（假定截面均勻銹蝕，截面積減少相同）的影響，應(yīng)力幅Δσ 被名義應(yīng)力幅Δσc代替（名義應(yīng)力幅按鋼筋均勻銹蝕后的剩余面積計(jì)算）.銹蝕鋼筋的疲勞性能采用雙對數(shù)坐標(biāo)下名義應(yīng)力幅值Δσc和疲勞壽命N 的關(guān)系表示：lg N＝AmlgΔσc，式中的A 和m 為與鋼筋銹蝕率有關(guān)的系數(shù).將表1中應(yīng)力幅分別為200，240，280MPa，平均銹蝕率約為9%，12%，15%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按上述方程進(jìn)行線性回歸，可以獲得不同銹蝕率下銹蝕鋼筋疲勞曲線的系數(shù)A，m 及相關(guān)系數(shù)R，如圖6 及表2所示.

圖5 疲勞損傷后銹蝕鋼筋荷載－應(yīng)變發(fā)展規(guī)律Fig.5 Load－strain law of corroded steel bars after fatigue damage

圖6 銹蝕鋼筋疲勞曲線Fig.6 Fatigue curves of corroded steel bar

表2 銹蝕鋼筋疲勞曲線的系數(shù)A，m 及相關(guān)系數(shù)RTable 2 Coefficient of corroded steel bar fatigue curve

由表2可見，不同銹蝕率鋼筋的疲勞曲線相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，表明銹蝕后鋼筋的疲勞應(yīng)力幅與疲勞壽命之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系；m 值隨著銹蝕率的增大先增大后減小，即應(yīng)力幅對鋼筋疲勞性能的影響大小為：平均銹蝕率為12%的鋼筋＞平均銹蝕率為15%的鋼筋＞平均銹蝕率為9%的鋼筋.這與李士彬等［6］得出的m 值隨著銹蝕率的增大而逐漸增大的結(jié)論出現(xiàn)差異.出現(xiàn)差異的原因很可能是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性和有限性、鋼筋銹蝕的不均勻性以及試驗(yàn)方案和材料儀器的差異性所致.

在不同的應(yīng)力幅值下，鋼筋的疲勞壽命隨平均銹蝕率的發(fā)展按指數(shù)規(guī)律衰減，其疲勞壽命與平均銹蝕率的關(guān)系見圖7.當(dāng)鋼筋銹蝕率相近（如12%左右）時(shí)，應(yīng)力比與疲勞壽命的關(guān)系見表3.

圖7 鋼筋平均銹蝕率對疲勞壽命的影響Fig.7 Influence of average corrosion rate of steel bar on fatigue life

由圖7可見，鋼筋的疲勞壽命隨其銹蝕率的增大而急劇縮短，當(dāng)應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，平均銹蝕率約為3%，6%，9%，12%，15%（實(shí)測銹蝕率為3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%）的鋼筋疲勞壽命較未銹蝕鋼筋分別降低了51.26%，60.84%，65.82%，71.04%，79.22%；由表3 可見，在鋼筋銹蝕率相近（約12%），應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，應(yīng)力比為0.24，0.34的鋼筋疲勞壽命較應(yīng)力比為0.10的鋼筋分別降低了8.6%，13.6%.銹蝕鋼筋的疲勞壽命隨應(yīng)力比增大反而降低這一規(guī)律與鋼筋混凝土梁疲勞壽命隨應(yīng)力比增加而增加的規(guī)律相反.出現(xiàn)差異的原因很可能是由于所選試件偏高的銹蝕率以及鋼筋銹蝕的不均勻性、試驗(yàn)的隨機(jī)性所致.本次試驗(yàn)的結(jié)果只能說明在銹蝕鋼筋的受力過程中可能會出現(xiàn)由于銹蝕率的影響而出現(xiàn)高應(yīng)力比、低疲勞壽命的現(xiàn)象.

表3 應(yīng)力比對鋼筋疲勞性能的影響Table 3 Influence of stress ratios on fatigue characteristic of steel bars

3 銹蝕鋼筋疲勞壽命預(yù)測模型

銹蝕鋼筋疲勞性能試驗(yàn)中每個(gè)試件的截面銹蝕率都不同，所承受的應(yīng)力幅也不盡相同，如果能夠建立充分考慮鋼筋銹蝕率和應(yīng)力幅值的疲勞壽命計(jì)算公式，對預(yù)測銹蝕受損鋼筋的疲勞壽命將會有十分重要的意義.基于對試驗(yàn)結(jié)果的分析，由圖6可以看出銹蝕鋼筋的疲勞曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)下仍為直線.假定圖6中3條疲勞曲線的A，m 值均與平均截面銹蝕率ηs 線性相關(guān)，基于文獻(xiàn)［4，6］以及本文試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)多元線性回歸分析，可建立以下銹蝕鋼筋疲勞曲線方程：

式（1）～（3）可用以下統(tǒng)一計(jì)算公式表示：

上式可用于計(jì)算銹蝕鋼筋在給定應(yīng)力幅條件下的疲勞壽命，也可用于計(jì)算銹蝕鋼筋在給定循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度.

4 結(jié)論

（1）銹蝕鋼筋疲勞斷裂截面較為平整，并未出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.疲勞破壞前，沒有任何征兆，表現(xiàn)為脆性破壞.鋼筋斷裂部位發(fā)生在鋼筋銹蝕最嚴(yán)重區(qū)域和鋼筋銹蝕與未銹蝕分界面.

（2）不同銹蝕率鋼筋隨著疲勞損傷的累積，開始出現(xiàn)殘余應(yīng)變；銹蝕鋼筋的彈性模量隨著荷載的增加開始變小.

（3）隨著銹蝕率的增大，鋼筋的疲勞壽命急劇縮短.應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，實(shí)測銹蝕率為3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%的鋼筋疲勞壽命較未銹蝕鋼筋分別降低了51.26%，60.84%，65.82%，71.04%，79.22%；應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，應(yīng)力比為0.24，0.34鋼筋的疲勞壽命分別較應(yīng)力比為0.10時(shí)降低了8.6%，13.6%.

（4）通過回歸分析，建立了銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，為明確不同銹蝕程度的鋼筋在一定應(yīng)力幅作用下的疲勞壽命或者一定疲勞壽命下所能承受的最大應(yīng)力幅值提供了有效的計(jì)算方法.

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