呼倫貝爾地區持續高寒氣候條件下HRB400級鋼筋的力學性能試驗研究

方明偉 王重陽 王 丹 王祖玉

(呼倫貝爾學院 內蒙古 海拉爾 021008)

引言

呼倫貝爾地區位于我國的高緯度高寒地帶，冬季最低氣溫達到-53.3℃(最北部的漠河市)[1]，施工期短。因為鋼筋加工長度過長不適合室內存儲，鋼筋多處在室外裸露存放的環境[2]，在本地區氣候條件下設計和施工，僅參考常溫氣候條件下的HRB400鋼筋力學性是不科學的，長期存放于-35℃～-45℃條件下的HRB400級鋼筋，在短時間內被用于現場施工而引發鋼筋本身溫度驟變(從-40℃驟變到20℃以上)，其力學性能變化不能被忽略[3]，因為建筑材料的力學性能決定著各結構構件的力學性能，各結構構件的力學性能又是整個建筑物質量和安全的關鍵因素。因此在呼倫貝爾地區對持續高寒氣候條件下的HRB400級鋼筋力學性能的研究將會為本地區建筑結構質量和安全等課題提供著重要的科學依據。

國內領域學者的研究重點是低溫條件下鋼材結構的脆性破壞[4]，王元清[5]等人對比三種常用鋼材在20℃～-60℃溫度條件下進行了力學試驗研究，試驗結果表明：鋼材的強度隨溫度的降低而增高，伸長率、斷面收縮率隨溫度的降低而減?。粍⑺琜6]等人對三種不同鋼材(HRB335、HRB400和熱軋HRB400)在-180℃～-80℃溫度條件下進行了力學試驗研究，試驗結果表明：鋼材的應力-應變曲線隨著溫度的降低基本不變；A Filiatrault和M Holleran為研究低溫對鋼筋力學性能的影響，在20℃～-40℃溫度條件下進行了力學試驗研究，試驗結果表明：隨著溫度的降低，鋼筋的強度有適度提高[7]；李金玲等[8]對鋼筋混凝土在低溫條件下的力學性能進行試驗探究，得出了力學性能指標隨溫度的降低而升高；謝劍等[9]在20℃～-165℃溫度下進行兩種鋼筋的力學試驗，所得屈服強度和抗拉強度均增大，伸長率δ和斷后收縮率ψ均減少。

1 試驗設計

1.1試件制作

圖1 斷裂后試件

1.2 試驗加載裝置

加載裝置采用WDW-500E微機控制萬能試驗機，如圖2所示。試驗系統根據《靜力單軸試驗機檢測》[10]。萬能試驗機根據《靜力單軸試驗機采集系統的評定》[11]。

圖2 拉伸試驗加載儀器圖

1.3 降溫設備

降溫設備主要由壓縮機、膨脹閥等組成，能夠在低溫下進行性能試驗和科學研究試驗，如超低溫冰箱、冷庫等。市場上能購買到的超低溫冰箱，降溫范圍有限(最低到-60℃左右)，滿足試驗中對溫度控制的要求，圖3為HRB400鋼筋降溫采用的低溫試驗箱。

圖3 低溫試驗箱圖

2 鋼筋力學特性

分別在20℃、-40℃(從-40℃驟變到20℃以上)兩個溫度點，進行鋼筋溫度驟變試驗，HRB400鋼筋的應力應變關系曲線如圖4所示：

(a) 12組20℃

(b) 12組-40℃

(c) 14組20℃

(d) 14組-40℃

(f) 16組-40℃

分別在20℃、-40℃(從-40℃驟變到20℃以上)兩個溫度點，進行鋼筋溫度驟變試驗，HRB400鋼筋的拉伸試驗數據結果如表1所示：

表1 12、14、16組試件拉伸試驗數據結果

3 試驗結果分析

3.1 HRB400鋼筋力學性能分析

試驗過程中測量拉伸試件的主要力學指標在20℃、-40℃(從-40℃驟變到20℃以上溫度條件)兩個溫度點，進行鋼筋溫度驟變試驗，得出鋼筋主要力學參數。然后總結溫度驟變狀態與常溫狀態鋼筋強塑性指標的變化規律。

圖5 抗拉強度σu、屈服強度σy對比

圖6 斷后伸長率δ、斷后收縮率ψ對比

由圖5可知，試件的抗拉強度隨著溫度的驟變而提高，與20℃的抗拉強度相比，在-40℃發生溫度驟變后的抗拉強度分別提高了6.6%；試件的屈服強度隨著溫度的驟變有不同程度的提高，與20℃的屈服強度相比，在-40℃發生溫度驟變后的屈服強度分別提高了10.1%。

由圖6可知，試件斷后伸長率δ隨著溫度的驟變而減小，與20℃的斷后伸長率相比，在-40℃發生溫度的驟變后的斷后伸長率降低了12.8%，說明隨著溫度的驟變，試件的斷后收縮率ψ不斷減小，與20℃的斷后收縮率相比，在-40℃發生溫度驟變后的斷后收縮率降低了6.23%，說明隨著溫度的驟變，試件的塑性降低。

3.2 HRB400鋼筋試驗現象分析

由試驗得到的18根鋼筋試件的各項力學數據均比較接近，且均符合我國現規范要求。試件加載過程一直持續到試件斷裂，試件的斷面程凹凸陷狀，圖7為鋼筋斷裂后橫截面。

圖7 鋼筋斷裂后橫截面圖

結語

溫度驟變使鋼筋的屈服強度σy和抗拉強度σu均有所提高，斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ均有所減?。粚︿摻畹膹椥阅Ａ縀影響不是很明顯，且應力-應變曲線的形狀基本類似。