羅小勇，梁 巖，張艷芳

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕是導(dǎo)致其耐久性失效的主要原因之一.MEHTA P K教授指出：“當(dāng)今世界，混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性損傷引起結(jié)構(gòu)破壞的原因按重要性遞減順序依次是：鋼筋銹蝕、寒冷地區(qū)的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”[1].當(dāng)結(jié)構(gòu)耐久性損傷后首先面臨的問(wèn)題可能是結(jié)構(gòu)抗震能力的不足.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在腐蝕與地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，不僅影響居住者的舒適性，而且影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[2].

由文獻(xiàn)[3-6]可知銹蝕鋼筋的研究對(duì)地震區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)分析很有意義.目前對(duì)銹蝕鋼筋力學(xué)性能的研究主要以單調(diào)荷載試驗(yàn)研究為主[7-15]，也有對(duì)其進(jìn)行有限元分析[16]，通過(guò)對(duì)不同銹蝕程度的鋼筋進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn),分析銹蝕對(duì)其力學(xué)性能的影響[7-11],研究其本構(gòu)關(guān)系[12],少數(shù)文獻(xiàn)研究了銹蝕鋼筋的疲勞性能[13-16]以及鋼筋銹蝕過(guò)程[17]和鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式的影響[18].在地震作用下，剪力和彎矩交替作用在結(jié)構(gòu)上，這種循環(huán)作用逐漸的擠壓和分離保護(hù)層混凝土，最終導(dǎo)致鋼筋成為唯一的承重構(gòu)件[19].地震作用下鋼筋可能承受重復(fù)荷載作用，但目前未見(jiàn)有關(guān)銹蝕鋼筋重復(fù)荷載作用力學(xué)性能研究的報(bào)道，本文則通過(guò)試驗(yàn)研究重復(fù)荷載下銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系的影響.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制作

試驗(yàn)采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑16 mm，共12根，長(zhǎng)度均為500 mm，設(shè)計(jì)銹蝕率分別為：0，3%，6%，…，33%.試驗(yàn)前首先用天平秤取每根鋼筋初重，為使得鋼筋銹蝕與實(shí)際工程混凝土中鋼筋的銹蝕相似，將其澆入混凝土板內(nèi)，利用鋼筋外加直流電源加速鋼筋銹蝕.

混凝土板尺寸為550 mm×500 mm×100 mm，為了防止鋼筋加載端部發(fā)生破壞，對(duì)鋼筋端部采用蠟封方式進(jìn)行絕緣處理.電流密度為100 μA·mm-2，當(dāng)鋼筋混凝土板達(dá)到預(yù)定通電時(shí)間后，關(guān)閉電源，拆除導(dǎo)線，通電完成后混凝土板如圖1所示.將其破型后從板中取出銹蝕鋼筋，如圖2所示，按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)計(jì)算銹蝕率，截面銹蝕率取游標(biāo)卡尺測(cè)得的最大截面銹蝕率，見(jiàn)表1.試驗(yàn)中試件破壞截面往往發(fā)生在截面損失最嚴(yán)重部位，因此本文分析中所采用的銹蝕率指截面銹蝕率.

圖1 銹蝕鋼筋混凝土板

圖2 銹蝕試件

1.2 重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)

試驗(yàn)根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T 228-2002)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀，如圖3所示.

重復(fù)拉伸加載試驗(yàn)所采用加載機(jī)制為力控制加載，即每種鋼筋屈服力之前，荷載增步為一定值，在達(dá)到屈服力以后，減少荷載增量，直至破壞.重復(fù)荷載加載機(jī)制見(jiàn)圖4.通過(guò)對(duì)試件單調(diào)拉伸力學(xué)性能可知，未銹蝕試件的屈服荷載為89.11 kN，極限荷載113.3 kN.考慮鋼筋銹蝕后試件極限荷載降低，試驗(yàn)程序設(shè)定重復(fù)加載機(jī)制為：當(dāng)程序設(shè)定荷載小于60 kN時(shí)，加載步長(zhǎng)設(shè)定為20 kN，每次加載到設(shè)定荷載后卸載到0 kN，繼續(xù)加載；超過(guò)60 kN時(shí)，加載步長(zhǎng)設(shè)定為5 kN，每次加載到設(shè)定荷載后卸載到0 kN，繼續(xù)加載，直至試件拉斷.每級(jí)循環(huán)荷載的最大值和完全卸載處，程序設(shè)置持荷6 s，此時(shí)荷載基本穩(wěn)定，記錄下鋼筋應(yīng)變，并根據(jù)荷載和銹蝕最嚴(yán)重截面面積計(jì)算各試件彈性模量，見(jiàn)表1.試件拉斷后，用游標(biāo)卡尺量取斷裂面左右5 d標(biāo)距范圍內(nèi)的斷后伸長(zhǎng)量，計(jì)算試件的伸長(zhǎng)率，見(jiàn)表1.

圖3 試驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2．1 破壞形態(tài)

試件斷裂后發(fā)現(xiàn)，未銹蝕試件斷裂面有頸縮現(xiàn)象，銹蝕試件隨銹蝕率的增大，頸縮愈不明顯，鋼筋表現(xiàn)為脆性破壞.主要原因是隨著銹蝕程度的提高，混凝土板表面逐漸產(chǎn)生銹脹裂縫，且均勻分布，導(dǎo)致鋼筋銹蝕并不均勻，出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象，使得試件在其加載過(guò)程中應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆斷.

2.2 荷載-變形曲線

各銹蝕試件的荷載變形曲線見(jiàn)圖5.由各試件重復(fù)荷載下的滯回曲線可得各試件荷載-位移曲線骨架線，見(jiàn)圖6.由圖6可知，隨著銹蝕率的增大銹蝕鋼筋變形能力逐漸降低，屈服荷載和極限荷載逐漸減小，銹蝕率在20%左右時(shí)，屈服平臺(tái)逐漸消失，甚至無(wú)明顯屈服現(xiàn)象.

加載次數(shù)

表1 銹蝕鋼筋試驗(yàn)成果

圖5 銹蝕鋼筋荷載-變形滯回曲線

位移/mm

3 銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化分析

對(duì)各試件力學(xué)性能匯總見(jiàn)表1.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)重復(fù)荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化進(jìn)行分析見(jiàn)圖7，銹蝕鋼筋實(shí)際屈服強(qiáng)度f(wàn)yc、極限強(qiáng)度f(wàn)uc、伸長(zhǎng)率δsc以及彈性模量Esc隨截面銹蝕率ρ之間的關(guān)系，見(jiàn)式(1)～(4)，本文中所采用實(shí)際屈服強(qiáng)度和實(shí)際極限強(qiáng)度取屈服荷載和極限荷載與最大銹蝕截面面積比值.

fyc=(1-0.339ρ)fy，

(1)

fuc=(1-0.075ρ)fu，

(2)

δsc=e-4.775ρδs，

(3)

Esc=(1-1.166ρ)Es．

(4)

上式中：fy,fu,δs以及Es分別為未銹蝕鋼筋實(shí)際屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及彈性模量.

銹蝕率/%

銹蝕率/%

銹蝕率/%

銹蝕率/%

由圖7可知：重復(fù)荷載下鋼筋隨著銹蝕程度的增加，其實(shí)際屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及彈性模量逐漸降低；其中，實(shí)際屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度變化較小，但伸長(zhǎng)率及屈服強(qiáng)度退化速度相對(duì)較快，說(shuō)明重復(fù)荷載下銹蝕對(duì)鋼筋延性影響較大.主要原因是由于鋼筋在混凝土中銹蝕不是非均勻分布，部分區(qū)域出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象，坑蝕的不均勻分布及坑蝕深度越大，鋼筋延性退化越明顯；另外，鋼筋銹蝕后，鋼筋內(nèi)部材料晶格發(fā)生一定程度的改變[19]，也可能導(dǎo)致銹蝕鋼筋脆性斷裂破壞.

4 重復(fù)荷載下銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系

4.1 本構(gòu)關(guān)系模型

重復(fù)荷載試驗(yàn)前對(duì)未銹蝕試件進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，將未銹蝕試件重復(fù)荷載骨架曲線與單調(diào)荷載曲線進(jìn)行對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8.

位移/mm

由圖8可看出，彈性階段重復(fù)荷載下的荷載位移曲線與單調(diào)拉伸荷載下曲線一致，重復(fù)荷載下強(qiáng)化段與單調(diào)荷載下強(qiáng)化段斜率接近；另一方面，在重復(fù)荷載作用下，荷載-位移曲線較早進(jìn)入強(qiáng)化段，其屈服臺(tái)階長(zhǎng)度要比單調(diào)荷載作用下短，其破壞位移要比單調(diào)荷載作用下小，重復(fù)荷載下試件延性有所降低.結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下，若使用材料單調(diào)荷載下的本構(gòu)關(guān)系，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算延性偏大，偏于不安全.

根據(jù)銹蝕鋼筋重復(fù)荷載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及力學(xué)性能退化分析可知，銹蝕鋼筋力學(xué)性能發(fā)生退化，隨著銹蝕率的增大鋼筋變形能力降低，屈服平臺(tái)逐漸縮短，當(dāng)銹蝕率達(dá)到20%時(shí)屈服平臺(tái)消失.

基于這一特征，本文采用圖9所示的銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型——三折線模型[12].當(dāng)鋼筋銹蝕率低于20%時(shí)，取模型圖9(a)；當(dāng)銹蝕率超過(guò)20%時(shí)，屈服平臺(tái)消失，取模型圖9(b).

(a)銹蝕率<90%

(b)銹蝕率>20%

4.2 特征參數(shù)的確定

fyc及fuc可由式(1)及式(2)確定，屈服應(yīng)變?chǔ)舮c可由式(5)確定：

(5)

當(dāng)銹蝕率小于20%時(shí)：對(duì)于屈服平臺(tái)長(zhǎng)度變化可近似地假設(shè)屈服平臺(tái)長(zhǎng)度隨鋼筋銹蝕率的增大按線性規(guī)律退化，強(qiáng)化應(yīng)變?chǔ)舎c可以按式(6)確定.其中，ρcr為屈服平臺(tái)消失時(shí)的臨界銹蝕率，取為20%；未銹蝕鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變?nèi)∏?yīng)變的4倍[20]，則屈服平臺(tái)段應(yīng)變可取屈服應(yīng)變的3倍，銹蝕后通過(guò)引入銹蝕率進(jìn)行修正來(lái)考慮銹蝕對(duì)其的影響.

(6)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，加載過(guò)程中鋼筋伸長(zhǎng)率與應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，故極限應(yīng)變?chǔ)舥c取值可參考伸長(zhǎng)率退化模型，見(jiàn)式(7).其中，未銹蝕鋼筋極限應(yīng)變，可取屈服應(yīng)變的25倍[20]，銹蝕后通過(guò)引入銹蝕率進(jìn)行修正來(lái)考慮銹蝕對(duì)其影響，見(jiàn)式(7).

(7)

根據(jù)以上本構(gòu)模型及特征參數(shù)的確定方法，隨著銹蝕率的變化，鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖10，由圖10可知：鋼筋未銹蝕直至銹蝕率達(dá)到20%時(shí)，隨著銹蝕率的增大鋼筋變形性能逐漸減小，屈服平臺(tái)逐漸縮短直至消失，這與試驗(yàn)結(jié)果一致；另外，隨著銹蝕程度的增大，屈服點(diǎn)變得愈加不明顯當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼筋突然斷裂.

應(yīng)變/(10-5)

5 結(jié) 論

基于銹蝕鋼筋重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)，分析了銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能影響以及本構(gòu)關(guān)系的變化，得出的主要結(jié)論如下：

1)由于鋼筋在混凝土中的銹蝕不是均勻分布，部分區(qū)域發(fā)生坑蝕現(xiàn)象，坑蝕的不均勻分布及坑蝕深度越大，鋼筋延性退化越明顯；鋼筋銹蝕后，鋼筋內(nèi)部材料晶格發(fā)生一定程度的改變，導(dǎo)致了銹蝕鋼筋脆性斷裂破壞.

2)銹蝕使得鋼筋變形能力降低，屈服平臺(tái)逐漸縮短，破壞時(shí)頸縮愈不明顯；隨著銹蝕率的增大，鋼筋力學(xué)性能逐漸降低，其中彈性模量降低更為迅速，銹蝕對(duì)鋼筋延性影響較大，另外，重復(fù)拉伸荷載作用下鋼筋隨著銹蝕程度的增加，耗能性能降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)能量存儲(chǔ)能力不足，抗震性能下降，在地震時(shí)發(fā)生脆性破壞.

3)基于試驗(yàn)結(jié)果本文建立了銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型，研究結(jié)果可為銹損結(jié)構(gòu)耐久性、殘余承載力及抗震性能評(píng)估提供技術(shù)依據(jù).

[1] MEHTA P K. Durability of concrete-fifty years of progress[C]//IDORN G M． International Symposium，SP-126，American Concrete Institute，Detroit，1991:l-31．

[2] LIU Tie-jun, LI Ji-long, OU Jin-ping. High damping concrete and seismic behavior[C]//Third International Conference on Construction Materials． Vancouver, Canada:2005:365-373．

[3] APOSTOLOPOULOS C A. The Influence of corrosion and cross-section diameter on the mechanical properties of B500c steel[J]. Journal of Materials Engineering and Performance,2009,18:190-195．

[4] 梁巖，羅小勇．耐久性損傷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展[J].地震工程與工程振動(dòng)，2014，32(2)：1-7．

LIANG Yan，LUO Xiao-yong. Research progress in seismic behavior of durability damage RC structures[J] .Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2014，32(2)：1-7．(In Chinese)

[5] BERTO L, VITALIANI R, SAETTA A,etalSeismic assessment of existing RC structures affected by degradation phenomena [J].Structual Safety, 2009(31):284-297.

[6] 梁巖，羅小勇．耐久性損傷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震分析參數(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(8)：69-73．

LIANG Yan，LUO Xiao-yong. Research on seismic parameter of reinforced concrete structures with durability damage [J]. Building Structure,2013，43(8)：69-73．(In Chinese)

[7] ALMUSALLAM A A, ALMUSALLAM. Effect of corrosion on the properties of reinforcing steel bars[J]. Construct Ion and Building Materials,2001(5):361-368．

[8] APOSTOLOPOULOS C A. The influence of corrosion and cross-section diameter on the mechanical properties of B500c steel[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2009，18:190-195．

[9] 惠云玲,林志伸,李 榮.銹蝕鋼筋性能試驗(yàn)研究分析[J].工業(yè)建筑,1997,27(6): 10-13．

HUI Yun-ling, LIN Zhi-shen,LI Rong. Experimental study and analysis on the property of corroded rebar[J]. Industrial Construction,1997,27(6): 10-13．(In Chinese)

[10]袁迎曙,賈福萍,蔡躍.銹蝕鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能退化模型[J].土木工程學(xué)報(bào),2001,34(3):47-52．

YUAN Ying-shu JIA Fu-ping, CAI Yue. The structural behavior deterioration model for corroded reinforced concrete beams[J]. China Civil Engineering Journal,2001,34(3):47-52．(In Chinese)

[11]吳慶，袁迎曙.銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(12):42-47．

WU Qing, YUAN Ying-shu. Experimental study on the deterioration of mechanical properties of corroded steel bars[J]. China Civil Engineering Journal, 2008，41(12):42-47．(In Chinese)

[12]張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34(5):586-592．

ZHANG Wei-ping,SHANG Deng-feng,GU Xiang-lin. Stress-strain relationship of corroded steel bars[J]. Journal of Tongji University，2006，34(5):586-592．(In Chinese)

[13] APOSTOLOPOULOS C A. Mechanical behavior of corroded reinforcing steel bars S500s tempcore under low cycle fatigue [J]. Construction and Building Materials,2007,21:1447-1456．

[14] 張偉平，李士彬，顧祥林，等.自然銹蝕鋼筋的軸向拉伸疲勞試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22(2)：53-58．

ZHANG Wei-ping,LI Shi-bin,GU Xiang-lin,etal. Experiment on axial tensile fatigue of naturally corroded steel bar[J]. China Journal of Highway and Transport ，2009，22(2)：53-58．(In Chinese)

[15]李士彬，張偉平，顧祥林,等.加速銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(5)：93-97．

LI Shi-bin,ZHANG Wei-ping,GU Xiang-lin,etal. Experimental study on fatigue properties of corrosion accelerated steel bars[J]. Journal of Railway，2010，32(5)：93-97．(In Chinese)

[16]范穎芳,周晶.考慮蝕坑影響的銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(3):248-252．

FAN Ying-fang,ZHOU Jing. Mechanical property of rusty rebar considering the effects of corrosion pits[J]. Journal of Building Materials,2003,6(3):248-252．(In Chinese)

[17]衛(wèi)軍，張萌，董榮珍，等. 鋼筋銹蝕對(duì)混凝土梁破壞模式影響的試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40(10): 15-21．

WEI Jun, ZHANG Meng, DONG Rong-zhen,etal. Experimental research on the failure mode of concrete beam due to steel corrosion[J]. Journal of Hunan University:Natural Sciences，2013，40(10): 15-21．(In Chinese)

[18]姬永生，申建立，王磊，等.混凝土中鋼筋銹蝕過(guò)程非氧擴(kuò)散控制的試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，39(3): 11-16．

JI Yong-sheng, SHEN Jian-li, WANG Lei,etal. Experimental study of the process control of reinforcement corrosion in concrete[J]．Journal of hunan University:Natural Sciences ，2012，39(3): 11-16．(In Chinese)

[19]SHIGERU H．Retrofitting of reinforced concrete moment resisting frames supervised by park[R]． TANAKA H. ISSN0110-3326,1995.

[20]吳慶.基于鋼筋銹蝕的混凝土構(gòu)件性能退化預(yù)計(jì)模型[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009:77-91．

WU Qing. Concrete member performance degradation prediction model based on corrosion of steel bar[M].Xuzhou：China Mining University Press,2009：77-91．(In Chinese)