余波 丁自豪 劉陽 陳正

摘要：開展了45個(gè)混凝土試件中135根加速銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗(yàn)，分別建立了均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)和變形性能參數(shù)之間的定量關(guān)系，進(jìn)而提出了基于均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的銹蝕鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系模型。結(jié)果表明：銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的相關(guān)性較大，隨著質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對(duì)值的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，而隨著最小剩余截面積相對(duì)值和面積點(diǎn)蝕因子的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì);隨著鋼筋銹蝕程度的增加，銹蝕鋼筋的屈服平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，當(dāng)質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對(duì)值分別大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面積相對(duì)值和面積點(diǎn)蝕因子分別小于40%和60%左右時(shí)，屈服平臺(tái)基本消失;輕度銹蝕鋼筋可以利用均勻和非均勻銹蝕特征參數(shù)來描述應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，而重度銹蝕鋼筋采用非均勻銹蝕特征參數(shù)來描述應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線更合理。

關(guān)鍵詞：混凝土;鋼筋;銹蝕特征參數(shù);力學(xué)性能;變形性能;應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系

中圖分類號(hào)：TU511.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2019）06-0095-09

混凝土中鋼筋時(shí)常發(fā)生銹蝕，不僅會(huì)減小鋼筋的有效承載面積，而且還會(huì)對(duì)鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變等力學(xué)和變形性能產(chǎn)生顯著影響。因此，準(zhǔn)確、全面地分析銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能，對(duì)于在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析和安全性評(píng)估具有重要意義。

圍繞銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能已開展了大量試驗(yàn)研究。其中，文獻(xiàn)[1-6]分析了質(zhì)量銹蝕率與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變、屈服平臺(tái)長度等力學(xué)和變形性能參數(shù)之間的關(guān)系;Kashani等分析了質(zhì)量銹蝕率對(duì)受拉鋼筋延性的影響;張偉平等分析了平均截面銹蝕率與銹蝕鋼筋的力學(xué)與變形性能之間的關(guān)系。由于上述質(zhì)量銹蝕率和平均截面銹蝕率只能從平均意義上描述鋼筋的銹蝕程度，所以，只適用于均勻銹蝕的情況。然而，混凝土屬于典型的非均質(zhì)材料，其內(nèi)部隨機(jī)分布的骨料、孔隙和裂縫等導(dǎo)致混凝土中鋼筋的空間銹蝕分布形態(tài)具有顯著的非均勻性。因此，利用最大截面銹蝕率、最小剩余截面積和點(diǎn)蝕因子等特征參數(shù)能夠更加合理地描述鋼筋的非均勻銹蝕程度。對(duì)此，羅小勇等、Lu等分析了最大截面銹蝕率與銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能之間的關(guān)系;曲福來等分析了各微段的最大質(zhì)量銹蝕率與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長率之間的關(guān)系;孫曉燕等建立了最小剩余截面積相對(duì)值與銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值和伸長率之間的關(guān)系;Zhu等分析了最大截面銹蝕率對(duì)銹蝕鋼筋延性的影響;Sheng等研究了銹坑形狀、深度和分布對(duì)鋼筋的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率的影響;Tang等。分析了最小剩余截面積與銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能之間的關(guān)系;Lu等、Imperatore等分析了面積點(diǎn)蝕因子對(duì)銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長率的影響;Balestra等分析了最小直徑對(duì)銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長率的影響。由此可見，目前的研究成果大多局限于單一或有限的銹蝕特征參數(shù)分析，難以準(zhǔn)確、全面地描述鋼筋的均勻/非均勻銹蝕形態(tài)對(duì)力學(xué)和變形性能的影響。因此，有必要進(jìn)一步開展考慮均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的鋼筋力學(xué)和變形性能分析研究。

筆者首先開展了45個(gè)混凝土試件中135根加速銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗(yàn)，然后，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別建立了均勻銹蝕特征參數(shù)（質(zhì)量銹蝕率）和非均勻銹蝕特征參數(shù)（包括最大截面銹蝕率、最大銹蝕深度相對(duì)值、最小剩余截面積相對(duì)值和面積點(diǎn)蝕因子）與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)（包括名義屈服強(qiáng)度相對(duì)值和名義極限強(qiáng)度相對(duì)值）和變形性能參數(shù)（包括屈服應(yīng)變相對(duì)值、極限應(yīng)變相對(duì)值和屈服平臺(tái)長度相對(duì)值）之間的定量關(guān)系，進(jìn)而分別建立了基于上述銹蝕特征參數(shù)的銹蝕鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系模型，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1鋼筋的加速銹蝕與拉伸試驗(yàn)

本文試驗(yàn)與余波等試驗(yàn)基于同一批試件開展，但二者的試驗(yàn)內(nèi)容和研究側(cè)重點(diǎn)存在明顯區(qū)別。其中，文獻(xiàn)[22]重點(diǎn)關(guān)注混凝土中鋼筋的空間銹蝕形態(tài)測(cè)試裝置和空間銹蝕特征參數(shù)分析方法，而本文重點(diǎn)開展銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗(yàn)。

1.1混凝土中鋼筋的加速銹蝕試驗(yàn)

如圖1所示，共制作45個(gè)長、寬和高分別為500、d+30和150mm的混凝土試件。其中，d為鋼筋直徑?；炷林泄猜裨O(shè)135根鋼筋，包括直徑為8和12mm的HPB300級(jí)光圓鋼筋各18根，直徑為12mm的HRB400E級(jí)帶肋鋼筋18根，以及直徑為16mm的HRB400E級(jí)帶肋鋼筋81根。每個(gè)試件沿高度方向等間距放置3根鋼筋?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土配合比和鋼筋的性能參數(shù)信息見文獻(xiàn)[22]。待銹蝕鋼筋的長度為450mm，鋼筋在加工完后經(jīng)過酸洗、烘干、稱重獲取鋼筋銹蝕前的質(zhì)量Mo。在混凝土試件的兩端表面涂3層環(huán)氧樹脂，以防止NaCl溶液從混凝土端部滲入混凝土內(nèi)部，待環(huán)氧樹脂凝固后，將試件放人溫度為20±2℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7d。試驗(yàn)采用外加直流電的方法加速混凝土中的鋼筋銹蝕，通過控制通電時(shí)間可以得到不同銹蝕程度的鋼筋。通電結(jié)束后，對(duì)混凝土試件進(jìn)行破型，取出銹蝕鋼筋，經(jīng)過酸洗、干燥、稱重等步驟，獲取鋼筋銹蝕后的質(zhì)量M1。

1.2銹蝕鋼筋的拉伸試驗(yàn)

根據(jù)金屬材料拉伸試驗(yàn)規(guī)范的操作規(guī)定，采用WAW-600型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)開展銹蝕鋼筋的軸向拉伸試驗(yàn)。用鋼筋打點(diǎn)機(jī)每隔10mm對(duì)待測(cè)鋼筋進(jìn)行打點(diǎn)處理，并用油性筆在鋼筋銹蝕最嚴(yán)重部位的5倍公稱直徑范圍兩端做標(biāo)記。通過軸向拉伸試驗(yàn)，可以獲得不同銹蝕程度鋼筋的荷載一位移曲線，如圖2所示。編號(hào)P和尺分別表示HPB300級(jí)鋼筋和HRB400E級(jí)鋼筋，后面的數(shù)字代表鋼筋直徑，Mj（i=1，2，3，…9）表示9種混凝土試件的配合比，A、B、C分別表示在每種配合比條件下的3組混凝土試件，-Ai（i=1，2，3）表示每個(gè)混凝土試件中不同位置鋼筋的編號(hào)，-i（i=1，2，3，…5）表示未銹蝕鋼筋的編號(hào)。由圖2可知，隨著質(zhì)量銹蝕率的增加，鋼筋的屈服荷載和極限荷載及其對(duì)應(yīng)的位移都逐漸降低，屈服平臺(tái)也隨著質(zhì)量銹蝕率的增加而逐漸減小，甚至消失。此外，質(zhì)量銹蝕率對(duì)銹蝕鋼筋荷載一位移曲線在彈性階段的斜率影響相對(duì)較小。

1.3銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)

根據(jù)圖2中不同銹蝕程度鋼筋的荷載一位移曲線，可以確定鋼筋銹蝕前后的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，如圖3所示?；赑ark-Paulay模型，可以將銹蝕鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線劃分為彈性段、屈服平臺(tái)段及強(qiáng)化段，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線為

4結(jié)論

1）銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的相關(guān)性較大，且隨著質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對(duì)值的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，而隨著最小剩余截面積相對(duì)值和面積點(diǎn)蝕因子的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)。與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)相比，銹蝕鋼筋的變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的離散性相對(duì)更大。