孫曉燕，朱建科，王海龍，張治成

（1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.紹興公路管理處，浙江 紹興 312300）

鋼筋銹蝕縮短了結(jié)構(gòu)的使用壽命，增加了失效風(fēng)險(xiǎn)，惡化了失效后果.對(duì)于鋼筋銹蝕后的性能退化規(guī)律研究目前尚存在分歧.部分學(xué)者認(rèn)為鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨銹蝕率增加而下降［1－3］，但銹蝕鋼筋的金相組織分析［4］指出，自然腐蝕只會(huì)使鋼筋截面積減小，不會(huì)改變材料的物理性能.近年開(kāi)展的研究表明［5］，認(rèn)為鋼筋的屈服強(qiáng)度隨著銹蝕率下降的觀點(diǎn)忽略了鋼筋局部銹蝕特征，采用銹蝕前鋼筋截面積來(lái)分析銹蝕后鋼筋的承載能力，會(huì)存在較大誤差.Almusallam［6］明確指出，根據(jù)鋼筋原截面積估算的鋼筋強(qiáng)度會(huì)隨著銹蝕率增大而降低，但實(shí)際銹后截面積對(duì)應(yīng)的鋼筋強(qiáng)度并不會(huì)因銹蝕率而改變.Melchers等［7］認(rèn)為鋼筋銹蝕嚴(yán)重時(shí)，傳統(tǒng)的銹蝕率指標(biāo)不能用于衡量鋼筋的剩余強(qiáng)度.

為了準(zhǔn)確評(píng)估服役結(jié)構(gòu)性能和剩余使用壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注鋼筋局部銹蝕特征.Stewart等［8－9］發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼筋銹蝕率達(dá)到16%時(shí)構(gòu)件基本失效，局部坑蝕大大增加了構(gòu)件的失效概率.Darmawan等［10］通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的坑蝕研究指出，高應(yīng)力水平下坑蝕會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋突然斷裂，從而引發(fā)嚴(yán)重的工程事故.因此正確評(píng)估鋼筋局部坑蝕作用下的力學(xué)性能，對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件剩余承載能力估算和失效風(fēng)險(xiǎn)分析至關(guān)重要.盡管現(xiàn)階段范穎芳等［11］開(kāi)展了蝕坑對(duì)鋼筋強(qiáng)度影響的數(shù)值模擬分析，但銹蝕鋼筋的局部銹蝕特征及其性能退化機(jī)理亟待基于針對(duì)性試驗(yàn)開(kāi)展的系統(tǒng)分析.本文通過(guò)混凝土構(gòu)件加速退化試驗(yàn)和鋼筋力學(xué)性能測(cè)試，開(kāi)展了蝕坑的形狀參數(shù)及其分布特征的統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合銹蝕鋼筋力學(xué)性能開(kāi)展局部銹蝕特征的影響效果分析，研究銹蝕鋼筋力學(xué)性能的影響機(jī)制和退化規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

銹蝕鋼筋試件采用人工環(huán)境模擬干濕循環(huán)作用下電化學(xué)加速銹蝕法獲取.該法具有試驗(yàn)周期短、銹蝕形態(tài)接近工程實(shí)際、樣本離散度低以及序列齊備的優(yōu)點(diǎn).試驗(yàn)梁混凝土標(biāo)號(hào)為C30，梁尺寸為150mm×200mm×1 500mm；縱筋型號(hào)為HRB335，公稱直徑為16mm.恒電流加速銹蝕利用電化學(xué)腐蝕原理，混凝土內(nèi)的銹蝕鋼筋作為陽(yáng)極，不銹鋼網(wǎng)作為陰極，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液浸潤(rùn)混凝土作為腐蝕介質(zhì)；同時(shí)采用干濕循環(huán)模擬氯離子侵蝕環(huán)境，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行NaCl溶液干濕浸潤(rùn)循環(huán).

混凝土性能退化后用人工砸取鋼筋，在整根縱筋上截取銹蝕段，每段長(zhǎng)50cm，共截取44 根銹蝕鋼筋和3根未銹蝕參考筋.用精度為0.02mm 的游標(biāo)卡尺測(cè)量每段鋼筋所有點(diǎn)蝕坑參數(shù)（蝕坑深度、長(zhǎng)度和寬度）.采用WAW－2000D 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行拉伸，斷后測(cè)量原始標(biāo)距為80mm內(nèi)長(zhǎng)度的變化以計(jì)算伸長(zhǎng)率δ.

2 鋼筋銹蝕評(píng)價(jià)理論

2.1 鋼筋銹蝕機(jī)理

鋼筋銹蝕形態(tài)按陰陽(yáng)極空間位置的分布可分為微觀腐蝕電池和宏觀腐蝕電池［12］.微觀腐蝕電池是由于鋼筋表面有許多空間位置上不可分的微小陰陽(yáng)極，宏觀上則表現(xiàn)為均勻銹蝕.宏觀腐蝕電池是在鋼筋表面的腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)分別發(fā)生金屬的陽(yáng)極溶解反應(yīng)和溶解氧的陰極還原反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋局部產(chǎn)生明顯的坑蝕.研究表明［13］，兩種銹蝕形態(tài)往往同時(shí)存在，先發(fā)生均勻銹蝕，然后在鋼筋局部逐漸出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)蝕坑，發(fā)展成以局部坑蝕為主.均勻銹蝕和坑狀銹蝕在銹蝕率上無(wú)嚴(yán)格分界，一般銹蝕率小于5%時(shí)，以均勻銹蝕為主，當(dāng)銹蝕率大于5%時(shí)，坑狀銹蝕占主導(dǎo).

2.2 銹蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前評(píng)價(jià)鋼筋銹蝕率主要采用2種指標(biāo)：一種忽略局部銹蝕，以銹蝕前后質(zhì)量減少來(lái)評(píng)價(jià)銹蝕程度，稱為質(zhì)量損失率ηρ；另一種以蝕坑處截面積的減小量來(lái)衡量銹蝕程度，稱為截面積損失率ηs.由于工程實(shí)踐中最小截面難以測(cè)量，一般采用質(zhì)量損失率來(lái)評(píng)價(jià)銹蝕程度.但質(zhì)量損失率僅適用于精確預(yù)測(cè)銹蝕形態(tài)為均勻銹蝕的鋼筋，且預(yù)測(cè)帶肋紋的鋼筋銹蝕率時(shí)誤差很大.坑蝕為主的帶肋鋼筋其銹蝕沿鋼筋軸向不均勻，采用截面積損失率對(duì)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估更具有指導(dǎo)意義.因此，本文提出了基于銹蝕鋼筋最小截面積損失率的鋼筋銹蝕評(píng)估方法.

本文假定蝕坑面是半徑為r的球面，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的蝕坑形狀參數(shù)，采用式（1）～（4）可求得某鋼筋樣本所有蝕坑處截面積損失率，從中取最小值作為該鋼筋樣本的最小截面積損失率，計(jì)算圖示見(jiàn)圖1.

對(duì)于淺蝕坑和洞蝕，定義最小截面積損失率計(jì)算公式［14］為：

圖1 蝕坑形態(tài)及截面積計(jì)算圖式Fig.1 Shape of pits and calculation schemes of cross－sectional area

式中：φ為鋼筋直徑，受均勻銹蝕影響而隨時(shí)間變化，mm；r 為蝕坑球面半徑，mm；d 為蝕坑深度，mm；b為蝕坑橫向?qū)挾龋琺m；α1，α2為蝕坑處上下圓弧線對(duì)應(yīng)弧度的1／2，rad.

對(duì)于層狀脫落銹蝕，考慮到蝕坑銹蝕面極不規(guī)則，引入損失率修正系數(shù)k進(jìn)行計(jì)算：

式中：k＝0.85～1.00.

3 實(shí)測(cè)鋼筋局部銹蝕特征

3.1 鋼筋試件分組

室內(nèi)加速銹蝕試驗(yàn)中質(zhì)量損失率ηρ的范圍為2%～20%.根據(jù)ηρ將鋼筋分為3 級(jí)［4］：A 級(jí)無(wú)銹蝕、B級(jí)輕微銹蝕和C級(jí)中等銹蝕.由于銹蝕率大于5%的鋼筋，銹蝕形態(tài)以坑蝕為主［2］，且不同銹蝕率下蝕坑的形態(tài)特征各異，將C 級(jí)鋼筋根據(jù)蝕坑特征和截面積損失率又分為Ca級(jí)淺蝕坑銹蝕、Cb級(jí)洞蝕銹蝕和Cc級(jí)層狀脫落銹蝕3個(gè)等級(jí).銹蝕鋼筋試樣分組見(jiàn)表1.

表1 銹蝕鋼筋試件分組Table 1 Grouping of corroded rebar samples

3.2 鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律

銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化由多種因素共同作用：（1）均勻銹蝕引起鋼筋截面積減?。唬?）局部銹蝕造成蝕坑處截面積減?。唬?）蝕坑形狀不規(guī)則造成應(yīng)力集中.本文通過(guò)對(duì)44根鋼筋試樣的拉伸試驗(yàn)，來(lái)比較不同等級(jí)鋼筋的荷載－位移（P－S）曲線（見(jiàn)圖2）.

由圖2可見(jiàn)，鋼筋屈服荷載和極限荷載均隨著銹蝕程度的增加而下降，伸長(zhǎng)率明顯下降；A 級(jí)和B級(jí)鋼筋具有明顯的屈服臺(tái)階，而C 級(jí)帶蝕坑鋼筋屈服臺(tái)階消失.

3.3 鋼筋力學(xué)性能退化模型

圖2 不同銹蝕等級(jí)鋼筋的荷載－位移曲線Fig.2 P－Scurves of corroded rebars in different grades

現(xiàn)階段銹蝕鋼筋強(qiáng)度有3種評(píng)估指標(biāo)：（1）銹蝕鋼筋測(cè)試荷載與未銹蝕時(shí)的截面積A0之比，即名義強(qiáng)度；（2）銹蝕鋼筋測(cè)試荷載與銹后鋼筋稱重平均截面積Au之比，即均勻強(qiáng)度；（3）銹蝕鋼筋測(cè)試荷載與銹后鋼筋最小截面面積As之比，即坑蝕強(qiáng)度.由于不同學(xué)者采用的鋼筋銹蝕率評(píng)價(jià)指標(biāo)和銹蝕鋼筋強(qiáng)度指標(biāo)不同，所以研究截面積損失率和質(zhì)量損失率的關(guān)系以及以上3種強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以將其他學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以利用，從而建立大樣本空間，得出可靠的鋼筋力學(xué)性能退化的統(tǒng)計(jì)公式.3 種強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化關(guān)系為均勻強(qiáng)度＝名義強(qiáng)度／（1－ηρ）；坑蝕強(qiáng)度＝名義強(qiáng)度／（1－ηs）.

圖3為截面積損失率與質(zhì)量損失率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其線性擬合公式為：

圖3 截面積損失率與質(zhì)量損失率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding relation of cross－section area loss rate and mass loss rate

式中：ζ為2種銹蝕率的轉(zhuǎn)化參數(shù)，基于44根銹蝕鋼筋測(cè)試數(shù)據(jù)建立的擬合得到ζ＝1.43.由圖3 發(fā)現(xiàn)，蝕坑處最小截面積比平均稱重截面積下降快，隨著銹蝕的發(fā)展，鋼筋縱向不均勻性增加，蝕坑處截面積損失率的離散度也逐漸增加.

根據(jù)本文44根銹蝕鋼筋測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與截面積損失率的關(guān)系，如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)，鋼筋名義強(qiáng)度、均勻強(qiáng)度和坑蝕強(qiáng)度均隨銹蝕率增大而降低.名義強(qiáng)度比均勻強(qiáng)度下降快，是因?yàn)殡S著鋼筋銹蝕率的增加，銹后鋼筋稱重截面積減?。痪鶆驈?qiáng)度比坑蝕強(qiáng)度下降快，是因?yàn)榭游g強(qiáng)度對(duì)應(yīng)實(shí)際最小截面積，均勻強(qiáng)度對(duì)應(yīng)稱重截面積.

圖4 銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律Fig.4 Degradation law of mechanical performance of corroded rebars

銹蝕鋼筋金相組織的研究表明［4］，采用實(shí)際截面積計(jì)算的坑蝕強(qiáng)度應(yīng)不隨銹蝕率發(fā)生變化.測(cè)試發(fā)現(xiàn)，坑蝕屈服強(qiáng)度不隨銹蝕率發(fā)生變化，但坑蝕極限強(qiáng)度隨銹蝕率增大而顯著下降，導(dǎo)致坑蝕極限強(qiáng)度下降的原因是蝕坑處應(yīng)力集中.

國(guó)內(nèi)已有大量學(xué)者在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與最小截面積損失率的經(jīng)驗(yàn)公式，各公式具體見(jiàn)表2.其中，惠云玲等［1］的試驗(yàn)鋼筋從實(shí)際構(gòu)件中獲得，截面積損失率從0.5%到75.6%，但混雜了不同等級(jí)鋼筋，數(shù)據(jù)離散；袁迎曙等［2］采用現(xiàn)場(chǎng)拆換、實(shí)驗(yàn)室加速銹蝕和人工坑蝕3種方式獲取鋼筋試樣，銹蝕方式不同且未區(qū)分鋼筋的等級(jí)；馬良喆等［15］首次將不同等級(jí)不同直徑鋼筋分開(kāi)考慮并展開(kāi)專門試驗(yàn)研究；張平生等［3］所用鋼筋是截面積損失率從0%到60%的Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)鋼筋；張偉平等［16］研究了現(xiàn)場(chǎng)拆換、自然裸露和實(shí)驗(yàn)室加速銹蝕3 種鋼筋性能，且鋼筋銹蝕率范圍較廣.

表2 銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化公式Table 2 Formulas for mechanical performance of corroded rebars degradation

為進(jìn)一步比較上述公式的實(shí)用性，本文除了針對(duì)φ16Ⅱ級(jí)鋼筋的44根銹蝕鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)，還借鑒了張平生等［3］、張偉平等［16］和Du等［17］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)共450個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值擬合得到預(yù)測(cè)模型，并將該模型與現(xiàn)有模型進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示.

圖5 銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化公式對(duì)比Fig.5 Comparison among formulas for mechanical performance of corroded rebars

由圖5可見(jiàn)，不同退化模型差別很大，這是因?yàn)楂@取鋼筋試樣的途徑、試樣尺寸、銹蝕程度以及試驗(yàn)方法均對(duì)模型預(yù)測(cè)精度有一定影響.本文模型與張偉平模型接近，說(shuō)明人工環(huán)境模擬和電化學(xué)加速銹蝕與工程實(shí)際的鋼筋銹蝕形態(tài)具有一致性.由于針對(duì)局部蝕坑參數(shù)進(jìn)行了測(cè)算，本文針對(duì)Ⅱ級(jí)鋼筋的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型將更為準(zhǔn)確.

3.4 蝕坑參數(shù)與力學(xué)性能退化的關(guān)系

本文展開(kāi)了蝕坑參數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系研究，鋼筋名義屈服強(qiáng)度、名義伸長(zhǎng)率與蝕坑參數(shù)的關(guān)系如圖6，7所示.

圖6 鋼筋名義屈服強(qiáng)度與蝕坑參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between yield strength and pits'parameters

圖7 鋼筋名義伸長(zhǎng)率與蝕坑參數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between elongation and pits'parameters

由圖6，7可以看出，銹蝕鋼筋的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均隨著蝕坑長(zhǎng)度、寬度和深度的增加而降低.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能受蝕坑深度的影響最大，寬度次之，受長(zhǎng)度影響最小.但由于實(shí)際銹蝕過(guò)程中這3項(xiàng)系數(shù)之間是相互影響的，無(wú)法分離各個(gè)參數(shù)，因此有必要針對(duì)蝕坑參數(shù)采用數(shù)值模擬手段開(kāi)展進(jìn)一步的分析.

4 結(jié)論

（1）對(duì)于坑蝕為主的鋼筋，采用最小截面積損失率來(lái)評(píng)價(jià)鋼筋銹蝕程度具有更高的預(yù)測(cè)精度.隨著鋼筋截面積損失率的增加，其強(qiáng)度和延性顯著下降.

（2）基于試驗(yàn)研究比較了鋼筋蝕坑深度、寬度和長(zhǎng)度3種蝕坑參數(shù)與其力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蝕坑深度對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響最大.

針對(duì)工程中最常用的Ⅱ級(jí)鋼筋，建立了銹蝕鋼筋的強(qiáng)度和變形模型，并與工程實(shí)際銹蝕鋼筋數(shù)據(jù)和以往模型進(jìn)行了對(duì)比分析.但是由于蝕坑參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，無(wú)法單獨(dú)分析蝕坑深度對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響，因此有必要通過(guò)有限元法分析蝕坑參數(shù)與力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

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