華建民,王 斐,薛暄譯,黃樂(lè)鵬,陳增順,王 能
(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400045;2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)),重慶 400045;3.重慶大學(xué) 管理科學(xué)與房地產(chǎn)學(xué)院,重慶 400045)
鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力退化的主要原因[1-2]。因此,提高鋼筋的耐腐蝕性能有助于改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,降低結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本,提高結(jié)構(gòu)的有效服役壽命。不銹鋼-碳鋼復(fù)合鋼筋(以下簡(jiǎn)稱(chēng):復(fù)合鋼筋)是由不銹鋼覆層與碳鋼芯筋通過(guò)冶金結(jié)合形成的新型耐腐蝕鋼筋[3]。不銹鋼覆層具有良好的耐腐蝕性能,阻斷了外部環(huán)境侵蝕因子和碳鋼芯筋的接觸,進(jìn)而保護(hù)碳鋼芯筋不發(fā)生腐蝕,提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。此外,復(fù)合鋼筋的覆層厚度較薄,承載力主要依靠碳鋼芯筋提供。在滿足承載能力和提高結(jié)構(gòu)耐久性能的同時(shí)也大大降低了造價(jià)。對(duì)于在侵蝕環(huán)境中服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,相比于傳統(tǒng)碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋,復(fù)合鋼筋具有明顯的耐久性和綜合造價(jià)優(yōu)勢(shì)。因此復(fù)合鋼筋具有廣闊的工程應(yīng)用前景。目前,已有學(xué)者[3-4]對(duì)復(fù)合鋼筋的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究,包括強(qiáng)度、延性、破壞模式等。
火災(zāi)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)災(zāi)害之一?;馂?zāi)后混凝土和鋼筋的剩余承載能力是判斷結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)服役以及制定加固方案的重要依據(jù)[5-8]。一些學(xué)者針對(duì)火災(zāi)后碳鋼與不銹鋼的力學(xué)性能展開(kāi)了廣泛研究。結(jié)果表明,在經(jīng)歷高溫后低碳鋼的屈服強(qiáng)度略有下降,但仍能維持良好的延性[9]。不銹鋼在高溫后力學(xué)性能的變化則與其基體組織密切相關(guān),奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度隨受火溫度的增加而下降。鐵素體不銹鋼的屈服強(qiáng)度則表現(xiàn)為先降低后逐漸恢復(fù)。對(duì)于奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼,溫度對(duì)其延性的影響較小,可以忽略不計(jì)。但鐵素體不銹鋼隨受火溫度增加延性顯著降低[10-11]??梢钥隙ǖ氖?,碳鋼和不銹鋼高溫后力學(xué)性能有顯著差異。此外,考慮到復(fù)合鋼筋的構(gòu)造形式比傳統(tǒng)鋼筋更加復(fù)雜,復(fù)合鋼筋在經(jīng)歷火災(zāi)產(chǎn)生的高溫后,可能表現(xiàn)出不同于碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋的性能演化規(guī)律。同時(shí),鋼筋的低周疲勞性能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受地震荷載的能力有重要影響[12-15]。為了準(zhǔn)確評(píng)估火災(zāi)后復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能,需要對(duì)高溫后復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能開(kāi)展全面研究。本文以復(fù)合鋼筋為研究對(duì)象,通過(guò)試驗(yàn)研究了高溫后自然冷卻復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能,明確了復(fù)合鋼筋的低周疲勞破壞機(jī)理,揭示了經(jīng)歷不同高溫的復(fù)合鋼筋低周疲勞性能演化規(guī)律,研究結(jié)論為火災(zāi)后復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役性能的準(zhǔn)確評(píng)估提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
本文研究的復(fù)合鋼筋由S30408不銹鋼覆層和HRB400碳鋼芯筋組成,二者應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1。HRB400碳鋼在受到拉力作用時(shí)會(huì)經(jīng)歷彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段。而S30408不銹鋼則幾乎沒(méi)有彈性階段,應(yīng)力較小時(shí)就產(chǎn)生塑性應(yīng)變,且表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變強(qiáng)化。因此,在應(yīng)力水平較低時(shí)覆層就會(huì)率先產(chǎn)生塑性應(yīng)變,這可能會(huì)導(dǎo)致在低周疲勞過(guò)程中,覆層先于碳鋼開(kāi)展塑性累積,從而在一定程度上影響復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能。覆層越厚這種影響將越顯著。此外,不銹鋼覆層和碳鋼基體之間存在冶金結(jié)合層,這也可能影響復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能。復(fù)合鋼筋試件直徑為18 mm,橫截面積254.47 mm2。不銹鋼覆層的厚度分布具有一定的不均勻性,見(jiàn)圖2(a)。沿復(fù)合鋼筋周長(zhǎng)等間隔選取30個(gè)測(cè)點(diǎn),各測(cè)點(diǎn)覆層厚度在0.31~1.01 mm之間波動(dòng),平均厚度0.60 mm,標(biāo)準(zhǔn)差0.15 mm。不銹鋼覆層和碳鋼芯筋之間通過(guò)致密的冶金結(jié)合層連接。冶金結(jié)合層中沒(méi)有觀測(cè)到明顯的空隙和缺陷。考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中常用的箍筋間距,本研究中試件的測(cè)試段長(zhǎng)度設(shè)置為鋼筋直徑的6倍。試件總長(zhǎng)250 mm,其中試件兩端加載段長(zhǎng)度為71 mm,中間試驗(yàn)段長(zhǎng)度為108 mm(見(jiàn)圖2(b))。由于本文所研究的復(fù)合鋼筋的覆層較薄,且分布在試件的外表面,為了準(zhǔn)確研究復(fù)合鋼筋高溫后的低周疲勞性能,本文所用試件直接從原狀鋼筋上截取,沒(méi)有進(jìn)行表面機(jī)械加工。類(lèi)似的試件加工方法也被許多學(xué)者[16-19]采用。
圖1 S30408不銹鋼和HRB400碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[4]
圖2 復(fù)合鋼筋試件特性
為了研究火災(zāi)后復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能,本文選擇25(室溫)、300、400、500、600、700、800、900 ℃作為試驗(yàn)變量。選用MXQ1400-30控溫電爐對(duì)復(fù)合鋼筋試件進(jìn)行準(zhǔn)確的加熱處理,見(jiàn)圖3。加熱過(guò)程受到自動(dòng)控溫系統(tǒng)的控制,溫度誤差在5 ℃以內(nèi)。加熱處理時(shí)將室溫的試件以15 ℃/min的升溫速率加熱到預(yù)定的溫度。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后,進(jìn)行20 min的恒溫加熱。加熱過(guò)程結(jié)束后,將試件從控溫電爐中取出,擱置在室溫環(huán)境下進(jìn)行自然冷卻??紤]到試驗(yàn)的不確定性,每個(gè)溫度都設(shè)置了3個(gè)平行試件。
圖3 加熱與冷卻處理
為了研究火災(zāi)后復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剩余承載能力,對(duì)加熱和冷卻處理后復(fù)合鋼筋試件進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn)。低周疲勞試驗(yàn)采用MTS322萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),見(jiàn)圖4,其最大加載量程為500 kN。為保證試驗(yàn)精度,同時(shí)更好地模擬真實(shí)地震作用。按照GB/T 26077—2021《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向應(yīng)變控制方法》[20]要求,采用0.012 s-1的恒定應(yīng)變速率對(duì)試件進(jìn)行軸向的循環(huán)加載,設(shè)置±0.6%的拉壓對(duì)稱(chēng)應(yīng)變幅,加載波形為三角波,加載頻率為0.5 Hz。
圖4 復(fù)合鋼筋低周疲勞試驗(yàn)設(shè)備
復(fù)合鋼筋構(gòu)造復(fù)雜且不銹鋼覆層的厚度較薄。不銹鋼覆層與碳鋼芯筋之間的冶金結(jié)合在高溫后的有效性直接影響火災(zāi)后復(fù)合鋼筋的耐久性能。在完成加熱和冷卻處理的基礎(chǔ)上,觀測(cè)復(fù)合鋼筋試件的表觀形態(tài),見(jiàn)圖5。經(jīng)歷高溫并冷卻到室溫后,復(fù)合鋼筋的不銹鋼覆層沒(méi)有產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。復(fù)合鋼筋端部的不銹鋼覆層和碳鋼芯筋也沒(méi)有發(fā)生脫離。因此,火災(zāi)后不銹鋼覆層仍可以有效地隔離碳鋼芯筋和侵蝕因子(氯離子、水分和氧氣等),使復(fù)合鋼筋仍保持較強(qiáng)的耐久性能。高溫后冷卻的復(fù)合鋼筋表面生成一層較薄的氧化銹層,這是高溫下材料加速氧化造成的,不影響不銹鋼覆層的保護(hù)作用。
圖5 高溫后復(fù)合鋼筋試件的表觀特征
通過(guò)低周疲勞試驗(yàn)得到了高溫后復(fù)合鋼筋的滯回曲線,見(jiàn)圖6??梢钥闯?,復(fù)合鋼筋滯回曲線形態(tài)與HRB400鋼筋[21]和304L不銹鋼[22-23]接近,呈現(xiàn)飽滿的梭形。經(jīng)歷900 ℃高溫后,復(fù)合鋼筋仍能維持初始滯回曲線形態(tài),說(shuō)明高溫后復(fù)合鋼筋的塑性變形能力較強(qiáng),仍具有良好的抗震性能和耗能能力。復(fù)合鋼筋試件的低周疲勞性能由疲勞圈數(shù)和總能量密度表示。疲勞圈數(shù)指復(fù)合鋼筋試件在低周疲勞荷載作用下直至發(fā)生斷裂破壞時(shí)所承受的疲勞荷載圈數(shù)。總能量密度指每圈滯回曲線包絡(luò)面積的總和。不同受火溫度的復(fù)合鋼筋的疲勞圈數(shù)和總能量密度見(jiàn)表1。
圖6 高溫后復(fù)合鋼筋的滯回曲線
表1 不同受火溫度復(fù)合鋼筋的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果
以沒(méi)有經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能為基準(zhǔn)值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理,見(jiàn)圖7、8。其中Ct為受火溫度為t℃的復(fù)合鋼筋的疲勞壽命,Et為受火溫度為t℃的復(fù)合鋼筋的總能量密度。當(dāng)受火溫度不大于500 ℃時(shí),受火溫度對(duì)復(fù)合鋼筋的疲勞壽命和總能量密度的影響較小。當(dāng)受火溫度從500 ℃增加至700 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋的疲勞壽命和總能量密度逐漸減小。當(dāng)受火溫度從700 ℃增加至900 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋的疲勞壽命和總能量密度逐漸增加。受火溫度為700 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋疲勞壽命和總能量密度最低。疲勞壽命和總能量密度隨受火溫度的變化規(guī)律具有一定的相似性。這是因?yàn)槭芑饻囟葘?duì)復(fù)合鋼筋滯回曲線形態(tài)的影響較小,總能量密度直接受到疲勞圈數(shù)的影響?;谝陨献兓?guī)律,提出了高溫后復(fù)合鋼筋低周疲勞性能的預(yù)測(cè)公式(式(1)、(2))。值得說(shuō)明的是,經(jīng)歷400 ℃高溫的復(fù)合鋼筋試件相比未經(jīng)歷高溫的試件其疲勞壽命和總能量密度略有下降,這可能是數(shù)據(jù)的波動(dòng)性造成的。因此,以500 ℃為分界點(diǎn),可以認(rèn)為受火溫度低于500 ℃時(shí),高溫對(duì)復(fù)合鋼筋低周疲勞性能的影響可以忽略不計(jì)。將試驗(yàn)結(jié)果和公式預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比(圖9),說(shuō)明式(1)、(2)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高溫后復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能變化規(guī)律。
圖7 高溫后復(fù)合鋼筋疲勞壽命
圖8 高溫后復(fù)合鋼筋總能量密度
圖9 試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值對(duì)比
(1)
(2)
低周疲勞荷載作用下復(fù)合鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變性能對(duì)其疲勞壽命有顯著影響?;谠囼?yàn)結(jié)果,對(duì)復(fù)合鋼筋的塑性應(yīng)變進(jìn)行研究。見(jiàn)圖10,隨著加載圈數(shù)的增加,復(fù)合鋼筋的塑性應(yīng)變幅值逐漸增加。在低周疲勞荷載加載初期(C/Ct<0.2),隨著加載圈數(shù)的增加,復(fù)合鋼筋的塑性應(yīng)變幅值表現(xiàn)出較為明顯的增加。其后,復(fù)合鋼筋的塑性應(yīng)變幅值逐漸進(jìn)入平穩(wěn)階段(0.2≤C/Ct≤0.8)。在此階段內(nèi),塑性應(yīng)變幅值沒(méi)有明顯的變化,復(fù)合鋼筋的疲勞損傷穩(wěn)定累積。當(dāng)加載圈數(shù)較大時(shí)(0.8 圖10 塑性應(yīng)變幅值變化趨勢(shì) 隨著疲勞損傷的穩(wěn)定累積,疲勞裂紋發(fā)展擴(kuò)大,復(fù)合鋼筋進(jìn)入不穩(wěn)定的疲勞損傷累積階段,直至發(fā)生疲勞斷裂破壞。值得注意的是,受火溫度高于700 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋各階段塑性應(yīng)變均大于未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋試件。選用系數(shù)Rε對(duì)復(fù)合鋼筋的應(yīng)變性能進(jìn)行研究。系數(shù)Rε由式(3)確定,其中Δεp為拉壓總塑性應(yīng)變幅值,Δεe為拉壓總彈性應(yīng)變幅值。如圖11所示,系數(shù)Rε的變化規(guī)律和塑性應(yīng)變幅值的變化規(guī)律相似,都由穩(wěn)定增加階段、穩(wěn)定階段和非穩(wěn)定增加階段組成。可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)受火溫度高于700 ℃時(shí),塑性應(yīng)變占比有明顯的提高。上述塑性應(yīng)變幅值和系數(shù)Rε的變化規(guī)律反映了高溫后復(fù)合鋼筋在低周疲勞荷載作用下的疲勞損傷累積規(guī)律。 圖11 Rε和相對(duì)疲勞圈數(shù)之間的關(guān)系 每個(gè)循環(huán)最大拉壓應(yīng)力反應(yīng)了疲勞對(duì)試件強(qiáng)度的影響。隨著疲勞圈數(shù)的增加,所有復(fù)合鋼筋試件的最大拉壓應(yīng)力都表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,見(jiàn)圖12。在疲勞荷載加載初期,復(fù)合鋼筋的最大拉壓應(yīng)力略微下降(約為50 MPa)。隨后,復(fù)合鋼筋的最大拉壓應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)定階段。在這一階段,復(fù)合鋼筋的最大拉壓應(yīng)力沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化。當(dāng)加載圈數(shù)接近復(fù)合鋼筋的疲勞圈數(shù)時(shí),復(fù)合鋼筋的最大拉壓應(yīng)力急劇下降,最大拉應(yīng)力的降低程度要明顯高于最大壓應(yīng)力。不同受火溫度的復(fù)合鋼筋的最大拉壓應(yīng)力表現(xiàn)出一定差異。受火溫度低于700 ℃時(shí),各受火溫度復(fù)合鋼筋試件在穩(wěn)定階段的最大拉壓應(yīng)力相差不大。需要說(shuō)明的是,當(dāng)受火溫度為600 ℃時(shí),即使受火溫度對(duì)復(fù)合鋼筋在穩(wěn)定階段的最大拉壓應(yīng)力影響較小,加熱和冷卻處理顯著降低了復(fù)合鋼筋的疲勞圈數(shù)(圖12)。受火溫度高于700 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋在穩(wěn)定階段的最大拉壓應(yīng)力明顯小于未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋。受火溫度為800 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋在穩(wěn)定階段的最大拉壓應(yīng)力達(dá)到最小值。受火溫度為900 ℃的復(fù)合鋼筋在穩(wěn)定階段的最大拉壓應(yīng)力與受火溫度700 ℃的試件基本相同。但是,受火溫度為900 ℃的復(fù)合鋼筋具有更高的疲勞圈數(shù)。為探究復(fù)合鋼筋在疲勞過(guò)程中的軟化規(guī)律,選用軟化系數(shù)Rσ進(jìn)行量化[24]。軟化系數(shù)Rσ由式(4)確定,其中Δσ為復(fù)合鋼筋的應(yīng)力幅值,Δσ0.5Ct為加載圈數(shù)達(dá)到50%疲勞壽命時(shí)的應(yīng)力幅值。受火溫度對(duì)軟化系數(shù)Rσ變化趨勢(shì)影響較小,見(jiàn)圖13。軟化系數(shù)Rσ的變化曲線同樣由三部分組成,當(dāng)加載圈數(shù)較小時(shí)(C/Ct<0.2),隨著加載圈數(shù)的增加,軟化系數(shù)Rσ小幅度下降。隨后,軟化系數(shù)Rσ進(jìn)入穩(wěn)定階段(0.2≤C/Ct≤0.8)。當(dāng)加載圈數(shù)臨近疲勞壽命時(shí)(0.8 圖12 每圈最大拉壓應(yīng)力變化趨勢(shì) 圖13 Rσ和相對(duì)疲勞圈數(shù)之間的關(guān)系 以最大拉應(yīng)力下降至未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋的最大拉應(yīng)力的80%為極限狀態(tài)(圖12)。當(dāng)受火溫度是800 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋極易達(dá)到上述的極限狀態(tài),其所能承受的加載圈數(shù)(CF,l)約為未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋所能承受的加載圈數(shù)的1/8(表1和圖14)。以未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋試件的疲勞圈數(shù)為有效服役壽命。不同受火溫度的復(fù)合鋼筋都可以達(dá)到65%的有效服役壽命。當(dāng)加載圈數(shù)達(dá)到50%的有效服役壽命時(shí),不同受火溫度的復(fù)合鋼筋試件都表現(xiàn)出穩(wěn)定的低周疲勞性能。受火溫度為700 ℃的復(fù)合鋼筋試件在加載圈數(shù)超過(guò)65%的有效服役壽命后,其最大拉壓應(yīng)力隨著加載圈數(shù)的增加而明顯的下降。如果以80%的有效服役壽命為極限狀態(tài),受火溫度為600、700、800 ℃的復(fù)合鋼筋都無(wú)法滿足有效服役的要求。當(dāng)以未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋的80%有效服役壽命和80%最大拉應(yīng)力的為極限狀態(tài)時(shí),只有受火溫度不大于500 ℃的復(fù)合鋼筋可以實(shí)現(xiàn)有效的服役。 圖14 最大拉應(yīng)力下降至80%時(shí)的加載圈數(shù) (3) (4) 為了準(zhǔn)確研究疲勞荷載作用下復(fù)合鋼筋能量密度的變化規(guī)律,統(tǒng)計(jì)了每個(gè)循環(huán)后試件的剩余能量密度,見(jiàn)圖15。隨著加載圈數(shù)的增加,復(fù)合鋼筋的剩余能量密度基本呈線性降低。這說(shuō)明高溫后復(fù)合鋼筋仍能保持穩(wěn)定的抵抗低周疲勞荷載的能力。對(duì)比不同受火溫度復(fù)合鋼筋的剩余能量密度的變化規(guī)律,見(jiàn)圖16。以剩余能量密度達(dá)到未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋的總能量密度的80%時(shí)為服役極限狀態(tài),受火溫度為600、700、800 ℃的復(fù)合鋼筋基本無(wú)法完成有效的服役。當(dāng)加載圈數(shù)為未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋的疲勞圈數(shù)的50%和65%時(shí),不同受火溫度的復(fù)合鋼筋都保持有一定的剩余能量密度。當(dāng)加載圈數(shù)為未加熱復(fù)合鋼筋的疲勞圈數(shù)的80%時(shí),受火溫度為600、700、800 ℃的復(fù)合鋼筋已經(jīng)失效或臨近破壞狀態(tài)。 圖15 每個(gè)循環(huán)后的剩余能量密度 圖16 不同受火溫度試件剩余能量密度對(duì)比 高溫后金相組織的轉(zhuǎn)化造成了復(fù)合鋼筋低周疲勞性能的變化。本文對(duì)高溫后復(fù)合鋼筋碳鋼芯筋的金相組織進(jìn)行了研究,見(jiàn)圖17。沒(méi)有經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋碳鋼芯筋的金相組織由片狀珠光體和鐵素體組成。相比沒(méi)有經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋,經(jīng)歷700 ℃高溫的復(fù)合鋼筋碳鋼芯筋沒(méi)有發(fā)生奧氏體相變,但晶粒尺寸略有增加,且鐵素體與片狀珠光體邊界變得模糊。當(dāng)受火溫度為800 ℃時(shí),碳鋼芯筋發(fā)生相變,完成部分奧氏體的轉(zhuǎn)化,冷卻后的金相組織主要由片狀珠光體和鐵素體組成,零星分布有粒狀珠光體。片狀珠光體和鐵素體的晶粒尺寸減小,變得細(xì)而密。這種800 ℃時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變可能是復(fù)合鋼筋在800 ℃高溫后最大拉壓應(yīng)力大幅降低(圖12)的原因。當(dāng)受火溫度為900 ℃時(shí),碳鋼芯筋?yuàn)W氏體化程度更高。冷卻后金相組織主要由鐵素體、片狀珠光體組成,伴有少量粒狀珠光體。金相組織的細(xì)密化特征變得更加明顯。金相組織細(xì)密化可以在一定程度上減少?gòu)?fù)合鋼筋的內(nèi)部缺陷,800 ℃和900 ℃高溫后復(fù)合鋼筋疲勞壽命的小幅增加(圖9)可能與此有關(guān)。同時(shí),需要注意的是,當(dāng)受火溫度高于奧氏體轉(zhuǎn)化溫度,碳鋼芯筋有粒狀珠光體生成。粒狀珠光體的產(chǎn)生改善了鐵素體中滲碳體的均勻性,使位錯(cuò)可以在更大范圍內(nèi)移動(dòng),這可能也是復(fù)合鋼筋高溫后塑性應(yīng)變幅值(圖10)提高的原因。 圖17 高溫后碳鋼芯筋的金相組織變化 在完成低周疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,得到復(fù)合鋼筋試件的破壞模式,見(jiàn)圖18、19。低周疲勞荷載作用下,不同受火溫度的復(fù)合鋼筋的破壞都是由疲勞斷裂引起。疲勞斷口與復(fù)合鋼筋軸線呈現(xiàn)出斜交狀態(tài),其角度基本處在30°~60°范圍內(nèi)。疲勞斷裂均沿鋼筋表面肋牙之間的區(qū)域發(fā)展,未發(fā)現(xiàn)橫貫肋牙的疲勞斷裂??紤]到復(fù)合鋼筋由不銹鋼覆層和碳鋼芯筋組合而成,二者之間的協(xié)同工作性能是復(fù)合鋼筋有效服役的保障?;趫D18的觀測(cè),除了疲勞斷裂的斷口處,復(fù)合鋼筋的不銹鋼覆層未見(jiàn)開(kāi)裂或鼓屈。在疲勞斷裂的斷口處,不銹鋼覆層仍能和碳鋼芯筋保持有效的結(jié)合(圖19)。經(jīng)歷高溫,在低周疲勞作用下的復(fù)合鋼筋的不銹鋼覆層和碳鋼芯筋仍能維持協(xié)同工作性能。 圖18 不同受火溫度試件的破壞模式 以往的研究發(fā)現(xiàn),HRB400鋼筋經(jīng)疲勞荷載至破壞后,其斷口截面呈內(nèi)凹陷狀,沒(méi)有明顯的頸縮[21]。304L不銹鋼的低周疲勞斷口則有清晰的疲勞弧線,表現(xiàn)為典型的疲勞斷口[23]。經(jīng)歷不同受火溫度和冷卻的復(fù)合鋼筋在低周疲勞荷載的作用下表現(xiàn)出與304L不銹鋼相似的疲勞斷口特征,見(jiàn)圖19。復(fù)合鋼筋的疲勞斷口由疲勞源區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)組成。值得注意的是,不同受火溫度的復(fù)合鋼筋的疲勞斷口都只有一個(gè)清晰的疲勞源區(qū),且疲勞源區(qū)均分布在臨近不銹鋼覆層的表面或次表面區(qū)域。疲勞裂縫最早在疲勞源區(qū)緩慢開(kāi)展。疲勞荷載的施加導(dǎo)致斷口表面的摩擦,致使疲勞源區(qū)較為平整光滑。隨著低周疲勞荷載的施加,疲勞裂縫穩(wěn)定開(kāi)展形成穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞弧線,且較為光滑。當(dāng)疲勞裂縫發(fā)展到臨界尺寸時(shí),復(fù)合鋼筋發(fā)生瞬時(shí)斷裂,斷口處形成瞬時(shí)斷裂區(qū)。相比于疲勞源區(qū)和穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū),瞬時(shí)斷裂區(qū)的表觀形貌較為粗糙(圖19)。值得注意的是,當(dāng)受火溫度為700 ℃時(shí),復(fù)合鋼筋斷口處有明顯的徑向裂紋。徑向裂紋由不銹鋼覆層表面或次表面處產(chǎn)生,向復(fù)合鋼筋內(nèi)部開(kāi)展。徑向裂紋的產(chǎn)生可能是不銹鋼覆層和碳鋼芯筋的結(jié)合層微觀組織變化,在結(jié)合層部位產(chǎn)生初始缺陷,進(jìn)而引起應(yīng)力集中導(dǎo)致。 圖19 不同受火溫度試件的斷口形貌 對(duì)復(fù)合鋼筋的高溫后低周疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,為火災(zāi)后復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能評(píng)估提供試驗(yàn)依據(jù),主要結(jié)論如下: 1)經(jīng)歷高溫與低周疲勞荷載后,復(fù)合鋼筋的不銹鋼覆層沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象,其中不銹鋼覆層和碳鋼芯筋之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的脫離,二者之間的冶金結(jié)合可以保持較好的穩(wěn)定性?;馂?zāi)后,不銹鋼覆層仍可以有效地隔離碳鋼芯筋和外界侵蝕因子,使復(fù)合鋼筋依舊保持較強(qiáng)的耐久性能。 2)高溫不影響復(fù)合鋼筋滯回曲線形態(tài),無(wú)論是否經(jīng)歷高溫,復(fù)合鋼筋滯回曲線都表現(xiàn)出較為飽滿的梭形。受火溫度為700 ℃的復(fù)合鋼筋疲勞圈數(shù)和總能量密度最低。式(1)、(2)可以有效預(yù)測(cè)高溫后復(fù)合鋼筋的低周疲勞性能變化規(guī)律。 3)高溫導(dǎo)致復(fù)合鋼筋疲勞強(qiáng)度降低,塑性應(yīng)變?cè)黾?。?00 ℃為臨界點(diǎn),當(dāng)受火溫度高于700 ℃時(shí),高溫后的復(fù)合鋼筋在穩(wěn)定階段的最大拉壓應(yīng)力明顯小于未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋,而塑性應(yīng)變則大于未經(jīng)歷高溫的復(fù)合鋼筋。 4)高溫后復(fù)合鋼筋仍能保持穩(wěn)定的抵抗低周疲勞荷載的能力。隨著加載圈數(shù)的增加,復(fù)合鋼筋的剩余能量密度基本呈線性下降。700 ℃受火溫度是復(fù)合鋼筋低周疲勞性能產(chǎn)生變化的臨界溫度。 5)當(dāng)受火溫度不高于700 ℃時(shí),碳鋼芯筋不發(fā)生奧氏體化相變,金相組織仍由鐵素體和片狀珠光體組成。當(dāng)受火溫度為800 ℃和900 ℃時(shí),碳鋼芯筋發(fā)生奧氏體化相變,冷卻后有粒狀珠光體生成。復(fù)合鋼筋疲勞斷口與鋼筋軸線斜交,斜交角度在30°~60°范圍內(nèi)。不同受火溫度后的疲勞斷裂均在鋼筋表面肋牙之間的區(qū)域發(fā)展,且疲勞斷口都只存在一個(gè)疲勞源區(qū),該疲勞源區(qū)均分布在臨近不銹鋼覆層的表面或次表面區(qū)域。3.3 剩余能量密度
3.4 金相組織
4 破壞模式
5 結(jié) 論