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        不同腐蝕形態(tài)不銹鋼-碳鋼復(fù)合鋼筋力學(xué)性能*

        2023-07-25 10:16:32華建民胡國松薛暄譯
        工業(yè)建筑 2023年5期
        關(guān)鍵詞:覆層伸長率屈服

        華建民 胡國松 王 斐 薛暄譯 王 能

        (1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400045; 2.重慶大學(xué)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 400045; 3.重慶大學(xué)管理科學(xué)與房地產(chǎn)學(xué)院, 重慶 400045)

        鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合鋼筋和混凝土的材性優(yōu)點(diǎn),具有強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)等優(yōu)勢,在島礁建設(shè)、橋梁和港口等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著外部環(huán)境的侵蝕,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)耐久性能退化的問題。對跨海大橋、海島和海港建筑結(jié)構(gòu)而言,服役環(huán)境中富含的氯離子會加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的退化過程[1-3]。這是由于氯離子會破壞鋼筋表面的鈍化膜,從而加速鋼筋的腐蝕過程。腐蝕減小鋼筋有效受力截面,直接削弱鋼筋的力學(xué)性能。腐蝕產(chǎn)物在鋼筋與混凝土之間堆積,影響鋼筋混凝土之間的黏結(jié)性能。腐蝕產(chǎn)物的堆積在混凝土中產(chǎn)生膨脹力,導(dǎo)致混凝土保護(hù)層銹脹開裂,改變核心混凝土受力狀態(tài),降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力,嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[4-6]。

        鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的主要原因之一。在過去的幾十年里,研究人員對可替代鋼筋的材料做了廣泛的研究,其中包括FRP筋、環(huán)氧涂層鋼筋和不銹鋼鋼筋。FRP筋雖然耐氯離子侵蝕,但易受堿性環(huán)境的削弱且彈性模量較低、延性差[7-10]。環(huán)氧涂層鋼筋在力學(xué)性能上兼有鋼筋的延性。但相比普通鋼筋,環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土黏結(jié)性能有所降低[11]。此外,在施工過程中環(huán)氧樹脂涂層易破損,將會導(dǎo)致破損處因原電池反應(yīng)而發(fā)生更嚴(yán)重的腐蝕[12-13]。天然可再生的鈍化膜使不銹鋼鋼筋擁有良好的耐腐蝕性能[14],但因?yàn)椴讳P鋼鋼筋的造價過高,限制了其工程應(yīng)用。

        隨著鋼筋加工工藝的不斷提高,金屬覆層冶金結(jié)合技術(shù)逐漸成熟,新型熱軋?zhí)间?不銹鋼復(fù)合鋼筋(以下簡稱不銹鋼復(fù)合鋼筋)的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能[15]。不銹鋼復(fù)合鋼筋由不銹鋼覆層、冶金結(jié)合層和碳鋼芯筋組成。不銹鋼覆層能夠保護(hù)芯筋抵御外部環(huán)境的侵蝕,上述腐蝕問題可以得到緩解或解決。此外不銹鋼復(fù)合鋼筋自身具有金屬材料的特性,力學(xué)性能較好,與混凝土有良好的協(xié)同工作能力。不銹鋼復(fù)合鋼筋覆層厚度僅有0.2~2 mm,造價遠(yuǎn)低于不銹鋼鋼筋,因此在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中具有較好的應(yīng)用前景。

        目前,關(guān)于不銹鋼復(fù)合鋼筋的研究十分有限。Hua等針對不銹鋼復(fù)合鋼筋的單調(diào)力學(xué)性能[16-17]和低周疲勞性能[18]進(jìn)行了初探性研究,證明了不銹鋼復(fù)合鋼筋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可能性。相比于均質(zhì)鋼筋,不銹鋼復(fù)合鋼筋的耐久性能演化過程更加復(fù)雜。不銹鋼復(fù)合鋼筋為雙金屬復(fù)合材料,覆層和芯筋具有不同的耐腐蝕性。當(dāng)不銹鋼覆層被腐蝕穿透時,其腐蝕發(fā)展機(jī)理與均質(zhì)鋼筋大不相同。因此在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用不銹鋼復(fù)合鋼筋之前,有必要對其腐蝕后的力學(xué)性能進(jìn)行研究。文章以不銹鋼復(fù)合鋼筋為研究對象,采用電流加速腐蝕試驗(yàn)方法,研究不同腐蝕形態(tài)對其力學(xué)性能影響的差異,歸納出不同腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律,從強(qiáng)度儲備與能量分析角度探討腐蝕后不銹鋼復(fù)合鋼筋的工程可靠度,并給出設(shè)計(jì)建議。

        1 不銹鋼復(fù)合鋼筋

        研究所使用的不銹鋼復(fù)合鋼筋外部覆層為S30408不銹鋼,芯筋為HRB400碳鋼。覆層和芯筋主要化學(xué)成分如表1所示。為驗(yàn)證二者冶金結(jié)合能力,對其進(jìn)行金相組織觀察。如圖1所示,不銹鋼覆層與碳鋼芯筋結(jié)合界面無空隙、夾渣,結(jié)合良好?;陔婄R掃描的試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)不銹鋼覆層的組織構(gòu)成為奧氏體,碳鋼芯筋組織構(gòu)成為鐵素體和珠光體。而結(jié)合層以鐵素體和珠光體為主,伴有尺寸細(xì)小的氧化鋁夾雜物。

        圖1 不銹鋼復(fù)合鋼筋金相組織Fig.1 Metallurgy construction of the stainless-clad bimetallic steel bar

        表1 不銹鋼復(fù)合鋼筋主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical composition of stainless-clad bimetallic steel bars (mass fraction) %

        2 試驗(yàn)研究

        2.1 不銹鋼復(fù)合鋼筋試件設(shè)計(jì)

        在混凝土中服役的鋼筋會受到外部環(huán)境的侵蝕產(chǎn)生腐蝕問題。考慮到不銹鋼復(fù)合鋼筋構(gòu)造特征,設(shè)計(jì)三種不同的腐蝕形式,分別為均勻腐蝕、覆層破損腐蝕和非均勻腐蝕。

        2.1.1均勻腐蝕試件

        均勻腐蝕是基本腐蝕形式。當(dāng)不銹鋼復(fù)合鋼筋的服役環(huán)境富含氯離子,如不銹鋼復(fù)合鋼筋在海水海砂混凝土中服役,不銹鋼復(fù)合鋼筋周圍的氯離子可以認(rèn)為是均勻分布模式。因此,在上述服役環(huán)境下,不銹鋼復(fù)合鋼筋表現(xiàn)出均勻腐蝕。設(shè)計(jì)試件尺寸為400 mm,試驗(yàn)段長度為130 mm。為保證試件兩端在拉伸時不發(fā)生滑移,同時控制腐蝕分布在試驗(yàn)段,使用防水膠帶對兩端非腐蝕段進(jìn)行包裹纏繞,再均勻地涂上環(huán)氧樹脂防止試件兩端與溶液直接接觸。試件的處理如圖2所示。

        圖2 均勻腐蝕試件 mmFig.2 Uniform corrosion specimens

        2.1.2覆層破損腐蝕試件

        由于不銹鋼復(fù)合鋼筋生產(chǎn)工藝的局限,以及運(yùn)輸與施工過程中的剮蹭、碰撞等不確定因素,可能在不銹鋼覆層表面產(chǎn)生初始缺陷。這些初始缺陷將導(dǎo)致不銹鋼覆層在該區(qū)域提前被侵蝕環(huán)境穿透,從而使不銹鋼復(fù)合鋼筋的腐蝕形態(tài)與普通鋼筋不同。此外,考慮到不銹鋼和碳鋼具有不同的耐腐蝕性能,具有初始缺陷的不銹鋼復(fù)合鋼筋的腐蝕機(jī)理相比碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋更為復(fù)雜。因此,研究具有初始缺陷的不銹鋼復(fù)合鋼筋的耐腐蝕性能具有重要意義和必要性。

        為了模擬由于生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工過程所引起的初始缺陷,對不銹鋼復(fù)合鋼筋試件進(jìn)行了人工破損,如圖3所示。人工破損的寬度和長度為1.5 mm和130 mm,破損深度3 mm,已達(dá)到碳鋼芯筋。在侵蝕環(huán)境中服役的不銹鋼復(fù)合鋼筋,其腐蝕的發(fā)生主要集中在缺陷區(qū)域。為了模擬真實(shí)的腐蝕過程,對破損部位以外的試件表面區(qū)域用防水膠帶和環(huán)氧樹脂進(jìn)行保護(hù)處理。

        圖3 覆層破損腐蝕試件Fig.3 Corrosion specimens with damaged cladding

        2.1.3非均勻腐蝕試件

        對于在普通混凝土中服役的鋼筋而言,外部環(huán)境的侵蝕因子需要滲入混凝土,進(jìn)而造成鋼筋的腐蝕。因此,臨近混凝土保護(hù)層一側(cè)的鋼筋將先發(fā)生腐蝕,造成腐蝕產(chǎn)物的堆積,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土保護(hù)層由于銹脹力而開裂,加速侵蝕因子的滲入[19]。由于不銹鋼的耐腐蝕性遠(yuǎn)高于普通碳鋼,因而在近保護(hù)層一側(cè)的鋼筋發(fā)生腐蝕使混凝土銹脹開裂后,腐蝕在此處發(fā)生的速率將遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離保護(hù)層的一側(cè)。可以認(rèn)為不銹鋼復(fù)合鋼筋的腐蝕只集中在靠近保護(hù)層的一側(cè)。這將會與普通鋼筋的腐蝕形態(tài)大不相同,從而導(dǎo)致腐蝕后的力學(xué)性能退化規(guī)律也不一樣。為了探究不銹鋼復(fù)合鋼筋非均勻腐蝕下力學(xué)性能的退化規(guī)律,通過在鋼筋一側(cè)用防水膠帶和環(huán)氧樹脂處理的方式(圖4),人為控制腐蝕只發(fā)生在一側(cè)。

        圖4 非均勻腐蝕試件Fig.4 Non-uniform corrosion specimens

        2.2 電化學(xué)加速腐蝕方法

        研究通過電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)獲得不同腐蝕程度的試件。電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)裝置如圖5所示。不銹鋼復(fù)合鋼筋試件作為陽極,串聯(lián)后與直流電源的正極相連,石墨碳棒與電源負(fù)極相連。不銹鋼復(fù)合鋼筋與石墨碳棒共同浸沒在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中。用法拉第定律確定電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)的持續(xù)時間,如式(1)所示:

        圖5 電化學(xué)加速腐蝕裝置Fig.5 Electrochemical accelerated corrosion device

        (1)

        式中:Δm表示腐蝕引起的質(zhì)量損失;M表示鐵的摩爾質(zhì)量(即56 g/mol);I表示電流密度;t表示電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)的持續(xù)時間;z表示鐵元素的價態(tài)(即2);F表示法拉第常數(shù)(即96 500 A·s)。

        電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)后,將不銹鋼復(fù)合鋼筋試樣從溶液箱中取出,按規(guī)范GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]進(jìn)行處理,并稱重以確定其腐蝕程度。

        2.3 單調(diào)拉伸試驗(yàn)

        腐蝕后不銹鋼復(fù)合鋼筋的單調(diào)拉伸試驗(yàn)根據(jù)規(guī)范GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[21]進(jìn)行,如圖6所示。試驗(yàn)以位移加載控制,加載速率為6 mm/min,并用引伸計(jì)實(shí)時測量試件試驗(yàn)段的變形。

        圖6 加載與數(shù)據(jù)采集設(shè)備Fig.6 Loading and data acquisition equipment

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 腐蝕形態(tài)

        圖7展示了三種腐蝕類型的不銹鋼復(fù)合鋼筋試樣在不同腐蝕程度下的腐蝕形態(tài),從左到右依次為均勻腐蝕、覆層破損腐蝕(以下簡稱“破損腐蝕”)和非均勻腐蝕。對于腐蝕程度相對較低(5%)的不銹鋼復(fù)合鋼筋試件,均勻腐蝕與非均勻腐蝕的試件表面發(fā)生了點(diǎn)蝕,如圖7a所示。破損腐蝕試件的腐蝕則是在破損處向試件內(nèi)部繼續(xù)發(fā)展,不銹鋼覆層表面比較完整。隨著腐蝕程度的增加,均勻腐蝕與非均勻腐蝕試件的點(diǎn)蝕也相應(yīng)加劇,不銹鋼覆層的保護(hù)作用逐漸消失。如圖7c、圖7d所示,當(dāng)腐蝕程度較大(20%和30%)時,均勻腐蝕與非均勻腐蝕試件的不銹鋼覆層表面明顯不完整,內(nèi)部碳鋼逐漸暴露在腐蝕環(huán)境中??梢杂^察到:隨著腐蝕程度的增加,低碳鋼發(fā)生了顯著的腐蝕。破損腐蝕試件隨著腐蝕程度的增加,損傷區(qū)的腐蝕深度和寬度增大。當(dāng)腐蝕程度增加至20%,腐蝕區(qū)域?qū)挾群蜕疃确謩e達(dá)到了25.79 mm和25.05 mm。此外,隨著腐蝕程度的增加,鋼筋的肋逐漸消失,鋼筋的外部特性發(fā)生了明顯變化,這可能導(dǎo)致鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能降低。

        a—5%腐蝕程度; b—10%腐蝕程度; c—20%腐蝕程度; d—30%腐蝕程度。圖7 三種腐蝕類型的不銹鋼復(fù)合鋼筋在不同腐蝕程度下的腐蝕形態(tài)Fig.7 Corrosion forms of three corrosion types of stainless-clad bimetallic steel bars with different corrosion degrees

        3.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

        通過單調(diào)拉伸試驗(yàn)得到不銹鋼復(fù)合鋼筋屈服強(qiáng)度fy=472.5 MPa,極限抗拉強(qiáng)度fu=648.4 MPa,斷后伸長率δ=31.3%,彈性模量E=191.19 GPa,均滿足GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》[22]中HRB400鋼筋的要求。三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋試件在不同腐蝕程度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。當(dāng)腐蝕程度相對較低(0%和5%)時,三種腐蝕形態(tài)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯的屈服平臺。屈服平臺之后是應(yīng)變硬化段。因此,與不銹鋼鋼筋相比,腐蝕程度相對較低(0%和5%)的不銹鋼復(fù)合鋼筋的力學(xué)性能更接近于普通碳鋼鋼筋。隨著腐蝕程度的增加,屈服平臺逐漸消失。相比其他腐蝕形態(tài),相同腐蝕程度下破損腐蝕試件屈服平臺最不明顯。表2給出了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中的力學(xué)性能特征值。

        a—5%腐蝕程度; b—10%腐蝕程度; c—20%腐蝕程度; d—30%腐蝕程度。圖8 不同腐蝕程度下不銹鋼復(fù)合鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of stainless-clad bimetallic steel bars with different corrosion degrees

        表2 腐蝕后不銹鋼復(fù)合鋼筋的力學(xué)性能特征值Table 2 Mechanical properties of corroded stainless-clad bimetallic steel bars

        3.3 腐蝕形態(tài)對屈服強(qiáng)度的影響

        腐蝕會導(dǎo)致不銹鋼復(fù)合鋼筋屈服強(qiáng)度的下降,如圖9所示,隨著腐蝕程度的增加,均勻腐蝕和破損腐蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度下降速率接近。破損鋼筋由于初始缺陷的影響,在相同腐蝕率下屈服強(qiáng)度略低于均勻腐蝕鋼筋。而非均勻腐蝕鋼筋在小腐蝕率(0%~5%)下屈服強(qiáng)度下降最快,當(dāng)腐蝕程度大于5%時下降變慢。當(dāng)腐蝕率增加到30%,非均勻腐蝕鋼筋屈服強(qiáng)度高于均勻腐蝕、破損腐蝕,分別為321.4,316.1,300.6 MPa。

        圖9 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋屈服強(qiáng)度與腐蝕程度的關(guān)系Fig.9 Relationship between yield strength and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        3.4 腐蝕形態(tài)對極限抗拉強(qiáng)度的影響

        腐蝕對不銹鋼復(fù)合鋼筋極限抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律與屈服強(qiáng)度類似,有比較顯著的線性關(guān)系。如圖10所示,均勻腐蝕和破損腐蝕鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度下降速率接近,非均勻腐蝕鋼筋在小腐蝕率(0%~5%)下極限抗拉強(qiáng)度下降最快,腐蝕程度超過5%時下降速率減小。當(dāng)腐蝕率增加到30%,非均勻腐蝕鋼筋極限強(qiáng)度高于均勻腐蝕、破損腐蝕,分別為435.2,425.5,415.9 MPa。

        圖10 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋極限抗拉強(qiáng)度與腐蝕程度的關(guān)系Fig.10 Relationship between ultimate strength and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        3.5 腐蝕形態(tài)對極限應(yīng)變的影響

        腐蝕會削弱不銹鋼復(fù)合鋼筋的橫截面積從而在局部形成薄弱區(qū)。鋼筋受拉時,相對薄弱的截面將出現(xiàn)應(yīng)力集中,對鋼筋的極限應(yīng)變產(chǎn)生不利影響。如圖11所示,腐蝕對均勻腐蝕試件的影響最大,對破損腐蝕試件影響最小。當(dāng)腐蝕程度達(dá)到30%時,均勻腐蝕的不銹鋼復(fù)合鋼筋的極限應(yīng)變下降為原來的36.0%,破損腐蝕試件和非均勻腐蝕試件的極限應(yīng)變也下降為原來的64.2%和46.8%。由3.1節(jié)所述,腐蝕從不銹鋼覆層的點(diǎn)蝕開始,逐漸過渡為內(nèi)部碳鋼裸露并腐蝕。腐蝕產(chǎn)生的蝕坑會引起應(yīng)力集中,降低不銹鋼復(fù)合鋼筋的延性性能,而蝕坑的形態(tài)和分布具有隨機(jī)性,進(jìn)而導(dǎo)致不銹鋼復(fù)合鋼筋延性指標(biāo)的離散性較大。

        圖11 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋極限應(yīng)變與腐蝕程度的關(guān)系Fig.11 Relationship between ultimate strain and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        3.6 腐蝕形態(tài)對斷后伸長率的影響

        如前文所述,腐蝕后的筋材將會在最薄弱截面首先進(jìn)入受拉極限狀態(tài),進(jìn)而發(fā)生斷裂??赏茢?腐編號中S表示均勻腐蝕,SD表示破損腐蝕,N表示非均勻腐蝕,數(shù)字分別表示腐蝕程度和試件編號。例如,S-5-1表示均勻腐蝕的5%腐蝕程度的1號試件。ρ為腐蝕程度,由質(zhì)量損失率得到;fy為屈服強(qiáng)度;fu為極限抗拉強(qiáng)度;δ為斷后伸長率;εu為極限應(yīng)變。

        蝕會極大地影響筋材的斷后伸長率。如圖12所示,三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋試件的斷后伸長率均有明顯下降,特別是均勻腐蝕試件,其斷后伸長率對腐蝕最為敏感,當(dāng)腐蝕程度為5%時,斷后伸長率下降33.7%。而破損腐蝕與非均勻腐蝕下降僅有8.8%和23.1%。當(dāng)腐蝕程度達(dá)到30%,均勻腐蝕試件的斷后伸長率僅為原來的49.1%。

        圖12 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋斷后伸長率與腐蝕程度的關(guān)系Fig.12 Relationship between elongation percentage and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        3.7 預(yù)測模型

        根據(jù)3.2節(jié)介紹的試驗(yàn)結(jié)果,得到了不同腐蝕形態(tài)、不同腐蝕程度的不銹鋼復(fù)合鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。為量化腐蝕程度對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響,通過數(shù)值擬合,得到了腐蝕程度與關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。式(2)為擬合公式,用來量化上述關(guān)系。公式中腐蝕削弱系數(shù)ν的值由擬合結(jié)果得到,在表3中給出。通過式(2)可以預(yù)測三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋在任一腐蝕程度下的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)。

        表3 腐蝕削弱系數(shù)Table 3 Corrosion weakening coefficient

        fyc=(1-υyρ)fy0

        (2a)

        fuc=(1-υuρ)fu0

        (2b)

        εuc=(1-υε,uρ)εu0

        (2c)

        δc=(1-υδρ)δ0

        (2d)

        式中:ρ為腐蝕程度;fyc、fuc、εuc和δc分別為不同腐蝕程度的不銹鋼復(fù)合鋼筋試樣的名義屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率;fy0、fu0、εu0和δ0分別為不同腐蝕程度的不銹鋼復(fù)合鋼筋試樣的名義屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率;υy、υu、υε,u和υδ分別為名義屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率的削弱系數(shù)。

        根據(jù)GB/T 1499.2—2018[22]的要求,HRB400鋼筋的屈服強(qiáng)度不應(yīng)小于400 MPa,極限抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于540 MPa,斷后伸長率不應(yīng)小于16%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,均勻腐蝕、破損腐蝕和非均勻腐蝕的腐蝕程度應(yīng)滿足表4中的限值。

        表4 不銹鋼復(fù)合鋼筋的腐蝕率限值Table 4 Corrosion degree limit of stainless-clad bimetallic steel bars %

        4 結(jié)果討論

        4.1 強(qiáng)屈比

        強(qiáng)屈比是衡量金屬材料韌性的重要指標(biāo)。如圖13所示,隨腐蝕程度的增加強(qiáng)屈比在小范圍內(nèi)波動。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算均勻腐蝕、破損腐蝕和非均勻腐蝕試件的強(qiáng)屈比的平均值分別為1.358、1.387和1.372,標(biāo)準(zhǔn)差為0.017、0.011和0.018。因此,腐蝕對強(qiáng)屈比的影響很小,可以忽略不計(jì)。

        圖13 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋強(qiáng)屈比與腐蝕程度的關(guān)系Fig.13 Relationship between fu/fy and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        4.2 能量系數(shù)

        強(qiáng)屈比主要關(guān)注強(qiáng)度特性。為了量化腐蝕對強(qiáng)度和應(yīng)變的綜合影響,選擇了能量吸收κ和總能量密度與彈性能量密度之比ψ[23]兩個指標(biāo)進(jìn)行分析。根據(jù)第3.2節(jié)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,通過式(3)計(jì)算κ。ψ通過式(4)得到,κ值和ψ值表示鋼材拉伸過程中吸收能量的能力,也進(jìn)一步反映鋼材的韌性。結(jié)果表明,隨著腐蝕程度的增加,κ和ψ相應(yīng)減小,如圖14和圖15所示。κ值和ψ值隨腐蝕程度的增加急劇下降,下降幅度遠(yuǎn)大于同腐蝕率下強(qiáng)度的下降。因此,腐蝕嚴(yán)重降低了不銹鋼復(fù)合鋼筋的韌性。相比另外兩種腐蝕形態(tài),均勻腐蝕試樣韌性下降最快。式(5a)和式(5b)給出了κ值、ψ值與腐蝕程度的擬合公式,系數(shù)υκ和υψ的值如表3所示。

        圖14 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋κ值與腐蝕程度的關(guān)系Fig.14 Relationship between κ and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        圖15 三種腐蝕形態(tài)的不銹鋼復(fù)合鋼筋ψ值與腐蝕程度的關(guān)系Fig.15 Relationship between ψ and corrosion degree of stainless-clad bimetallic steel bars with three corrosion forms

        (3)

        式中:κ為能量吸收,即名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸的包絡(luò)面積。

        ψ=1+(1+fu/fy)(εu/εy-1)

        (4)

        (5a)

        ψc=(1-υψρ)ψ0

        (5b)

        式中:κc和ψc分別為腐蝕后的能量吸收和總能量密度與彈性能量密度之比;υκ和υψ分別為κ和ψ的削弱系數(shù)。

        5 結(jié) 論

        采用電流加速腐蝕試驗(yàn)方法獲得不同腐蝕形態(tài)和程度的不銹鋼復(fù)合鋼筋試件,完成了42根不銹鋼復(fù)合鋼筋的力學(xué)性能試驗(yàn),研究了腐蝕形態(tài)、腐蝕程度對不銹鋼復(fù)合鋼筋力學(xué)性能的影響。主要結(jié)論如下:

        1)通過金相組織觀察研究了不銹鋼覆層的冶金結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,覆層與芯筋結(jié)合界面無空隙、夾渣,冶金結(jié)合程度較高。

        2)均勻腐蝕和非均勻腐蝕試件的腐蝕由點(diǎn)蝕開始逐漸加深,不銹鋼覆層的保護(hù)作用逐漸消失,碳鋼芯筋裸露;破損腐蝕試樣的腐蝕首先在缺陷處開始,進(jìn)而使缺陷寬度和深度增加。三種腐蝕形態(tài)的試件在腐蝕率超過5%后,鋼筋的表觀特性均有較大變化,由此可能引起不銹鋼復(fù)合鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能改變。

        3)腐蝕會影響不銹鋼復(fù)合鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài),主要體現(xiàn)在屈服平臺的逐漸消失,相對于其他兩種腐蝕形態(tài),覆層破損腐蝕的不銹鋼復(fù)合鋼筋屈服平臺消失最早發(fā)生。

        4)根據(jù)三種腐蝕形態(tài)不同腐蝕程度的試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果,提出了式(2)來量化腐蝕對不銹鋼復(fù)合鋼筋力學(xué)性能的影響。

        5)選取強(qiáng)屈比、κ和ψ能量指標(biāo),研究了三種腐蝕形態(tài)不同腐蝕程度下腐蝕對不銹鋼復(fù)合鋼筋韌性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,腐蝕對強(qiáng)屈比的影響很小,可以忽略不計(jì)。隨著腐蝕程度的增加,κ和ψ值大幅降低,表明腐蝕對不銹鋼復(fù)合鋼筋的韌性有較大不利影響。

        6)根據(jù)GB/T 1499.2—2018的要求,HRB400鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率應(yīng)分別不低于400 MPa、540 MPa和16%。因此,考慮三種腐蝕形態(tài)最不利影響,基于試驗(yàn)結(jié)果,不銹鋼復(fù)合鋼筋的腐蝕程度應(yīng)控制在10.7%以內(nèi),以保證屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率滿足上述要求。

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