锚杆材料腐蚀前后的力学性能变化

付平平

（北京科技大学 材料科学与工程学院，北京100083）

锚杆材料一般在密闭潮湿、永久浸泡、干湿交替等多种环境中工作。这些因素都可能会造成锚杆的腐蚀。腐蚀破坏了锚杆材料的表面，导致锚筋体断裂或锚头降低承载能力。如果不重视腐蚀后锚杆材料的力学性能，锚杆很有可能成为工程中的“定时炸弹”。尽管国内外也对此进行过相关研究，但始终未能证明材料腐蚀后力学性质会发生变化的。

1 锚杆腐蚀原理及条件

锚杆锈蚀是电化学腐蚀，即在一定的环境条件下（如氧和水的存在），钢表面不同部位出现较大的电位差，形成阳极和阴极后，导致钢锚杆开始腐蚀。

钢锚杆的腐蚀条件为［1］锚杆表面呈现活化状态；反应需要水和氧。

2 力学性能变化评价方法或指标

截面积损失率表示腐蚀后钢筋平均截面积（或平均直径）的削弱，表达式见式（1）：

式中：δ——截面积损失率；S0——锈蚀前的截面积；St——锈蚀后的截面积；

实际强度（屈服强度和抗拉强度）由式（2）计算得：

式中：σs——实际强度；P——相应荷载（屈服载荷和抗拉载荷）；Ss——实际锈蚀后的截面积；

名义强度（屈服强度和抗拉强度）由式（3）计算得：

式中：σm——名义强度（屈服强度和抗拉强度）；P——相应荷载（屈服载荷和抗拉载荷）；S0——初始截面积；

相对名义强度（屈服强度和抗拉强度）为腐蚀后钢筋的名义强度与腐蚀前钢筋名义强度的比值，相对均匀伸长率为腐蚀后钢筋的均匀伸长率与腐蚀前钢筋均匀伸长率的比值。

锈蚀率由式（4）计算得：

式中：ω——锈蚀率，%；m0——初始质量，g；mt——试验后的质量，g；

2.1 以锚杆材料初始截面积取得的能腐蚀前后的力学性

蒋连接等［2］研究了人工气候环境中加速锈蚀的钢筋力学性能的退化规律。结果表明，随着试验时间的延长，截面损失率增大，名义屈服强度和名义抗拉强度均明显下降。袁迎曙等［3］对从现场采样、实验室加速模拟腐蚀及模拟制作三个途径获取试件进行了拉伸试验。结果表明，随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋的强度、延伸率下降，应力集中现象越趋明显。根据现场大量锈蚀钢筋表面特征的观测与钢筋锈蚀的电化学理论，钢筋锈蚀均由大量坑状锈斑组成，均匀锈蚀与坑状锈蚀之间无明显的界限。锈蚀量较小时，坑状锈斑的深度很浅，可视为均匀锈蚀；锈蚀量较大时，坑状锈斑的深度发生较大差异，部分坑状锈斑演变为锈坑，可视为坑状锈蚀。在钢筋拉伸过程中，坑状锈蚀的锈坑附近会产生明显的应力集中，引起钢筋局部提前屈服，这是锈蚀钢筋屈服强度与延伸率减少的主要原因。袁迎曙［3］提出的锈蚀钢筋应力-应变关系，一定程度上能反映出锈蚀率与名义屈服强度、延伸率退化的规律。但由于试验数量有限，锈蚀钢筋的应力-应变关系的确定尚需做进一步数据积累工作。

通过对比试验前后力学数值变化来评论材料力学性能是否发生改变，是不真实的。截面积的选取人为将之放大，得到的屈服载荷、断裂载荷是真实的，两者的比值——强度值，就明显降低了。因此，不能说明材料的力学性能在腐蚀后就发生了改变。

2.2 考虑了锚杆材料截面积损失而取得腐蚀后的力学性能

钢筋类型相同时，在相同腐蚀条件下，钢筋直径越小，腐蚀速率越快，对腐蚀的敏感程度越大，耐腐蚀性也越差。而随着直径的增大，腐蚀速率减慢，钢筋对腐蚀的敏感程度减小，耐腐蚀性增强［4］。

惠云玲等［5］通过大量的试验研究分析了钢筋锈蚀前后各项力学性能的变化规律与截面损伤的统计关系。得到如下结论：①对于表面仅有浮锈的钢筋，当其截面损失率小于1%时，钢筋的应力-应变曲线以及钢筋的抗拉强度、屈服强度与母材相同。这种钢筋对结构性能没有影响；②对于截面损失率小于5%且均匀锈蚀的弱腐蚀钢筋，热轧钢筋的应力-应变曲线仍具有明显的屈服点，钢筋的伸长率基本上大于规定的最小允许值，钢筋的抗拉强度和屈服强度可以与母材相同来考虑，承受荷载的计算则需考虑截面的折减，对结构计算影响不大；③对于钢筋截面损失率已大于10%的结构，建议进行更换处理，可进行彻底的加固和耐久性处理。王军强［4］从现场的钢筋混凝土构件中取出锈损程度不一的133根钢筋作为试件，对其进行了除锈处理和力学性能试验，并根据试验数据，初步找出了锈损钢筋的力学性能随着钢筋锈蚀率的增大而下降的规律。这一规律对于今后进行锈损钢筋混凝土结构的耐久性及可靠性鉴定等研究提供了依据。大气环境条件下的钢筋锈蚀形态主要表现为坑蚀，锈坑分布不均匀，这也是影响钢筋力学性能的主要因素。锈蚀钢筋的延展性随着钢筋锈蚀率的增大而下降，脆性随着钢筋锈蚀率的增大而增大。徐港等［6］针对钢筋坑蚀程度直接影响构件抗力性能的问题，基于电化学腐蚀原理，提出使钢筋在较短时间内形成典型坑蚀的一种新试验方法，初步研究了坑蚀对钢筋强度与伸长率的影响规律。结果表明，坑蚀深度是影响钢筋伸长率减小的主要因素，随着坑蚀程度的增加钢筋塑性逐渐下降，强度并不降低甚至有所提高。

C.A.Apostolopoulos等［7］在腐蚀对于钢筋延展性影响的研究中提到，暴露在盐环境中的钢筋，其力学性能下降，降到低于现有的钢筋混凝土使用规范中限制的值。由加速试验得出的钢筋腐蚀结果与长久使用的钢筋混凝土中的钢筋的实际力学性能相吻合。

腐蚀后钢筋会发生强度降低和延展性减弱的现象。从微观上看，是因为发生了电化学反应。从宏观看，主要受以下三个因素的作用［4］：①平均截面积的削弱；②有腐蚀坑，发生应力腐蚀；③材料内晶格发生变化，材质改变。腐蚀后力学性能很容易受之前两个因素的干扰，认为腐蚀后力学性能发生改变了。

2.3 腐蚀后实际力学强度与名义力学强度之间的比较

A.Almusallam Abdullah［8］研究发现名义屈服强度随着面积损失率的增加而下降，实际屈服强度的下降幅度不大，非常平稳，基本上处于稳定状态。

可见腐蚀试验后，材料的名义强度发生了变化，且变化的规律是随着截面积损失率增加而降低；但材料的实际强度的变化则不明显，波动基本维持在试验前材料力学强度的周边。假设钢筋材料在某种特定的环境中腐蚀后，实际强度与理论强度偏差不大，通过材料的截面积随时间的变化规律，就可知在何时还有多少剩余截面积，转换出剩余的载荷值，则材料在工程中的使用耐久性可以初步得到预测。

2.4 试验前后力学性能数据分析

通过之前的分析可知，用名义强度来表征材料力学性能的变化是不全面的。将试验后的钢筋材料酸洗除锈、超声波清洗后，可得到失重率以及拉伸载荷等数据。此外实际载荷数值可直接测得，理论载荷数值可由力学公式推出。数据分析结果见图1图3。

由图1可见，理论屈服载荷数值大小随截面积损失率的增加而线性下降；而在图2中，实际屈服载荷基本在理论屈服载荷周边小范围波动。

图3为直径分别为6mm，12mm的钢筋试样，在腐蚀前，后的抗拉强度值随腐蚀率的增加而变化的曲线图。直径为6mm，12mm的试样其实际抗拉强度值的变化波动不大；名义抗拉强度值随腐蚀率的变化明显，腐蚀率越大，下降的幅度越大。

由结果可见，腐蚀后得到的材料名义强度均随材料锈蚀率的增加而降低。结果与实际测得的载荷随锈蚀量或者截面损失率增加而下降，这与理论推导结果相吻合；但材料的实际力学强度基本维持在稳定状态，与材料初始强度相差不大。数据结果与之前的理论猜测相一致，即：在评定锈蚀后的钢筋材料力学性能时，不能简单的以名义强度值作为参考，应综合多个变量为工程材料安全使用做好预防预测。

3 结束语

（1）通过分析腐蚀前后始终以锚杆材料初始截面积取得的力学性能结果，发现腐蚀后得到的材料名义强度均随材料锈蚀率的增加而降低，但材料的实际力学性能降低与否不能仅以此下定论，名义强度不能表征材料的实际力学情况。

（2）腐蚀后的钢筋材料，实际测得的载荷随锈蚀量或者截面损失率增加而下降，这与理论推导结果较为吻合；但材料的实际力学强度基本维持在稳定状态，与材料初始强度相差不大，这在文中数据分析中都已经得到验证。

（3）目前，材料经过腐蚀后，材料力学性能发生改变这一观点是值得怀疑的。但是假定材料力学性能在腐蚀前后真的没有发生改变，有关详尽的资料还不全面，还有待继续验证。这对于工程材料的使用安全性及耐久性都是非常重要的。

［1］李永和，葛修润.锚喷结构中钢锚杆锈蚀量的估计分析［J］.煤炭学报，1998，23（1）：48-52.

［2］蒋连接，常明丰，文兆全.蚀钢筋力学性能的试验研究［J］.低温建筑技术.2011（3）：26-28.

［3］袁迎曙，贾福萍，蔡跃.锈蚀钢筋的力学性能退化研究［J］.工业建筑2000，30（3）：125-128.

［4］杨淑慧.腐蚀对钢筋力学性能影响的研究［J］.郑州：郑州大学硕士学位论文，2010.

［5］惠云玲.锈蚀钢筋性能试验研究分析［J］.工业建筑，1997，27（6）：10-13.

［6］徐港，张懂，梁桂林，等.坑蚀钢筋力学性能退化的试验研究［J］.水电能源科学.2012，30（12）：37-40.

［7］Apostolopoulos C A，Papadakis V G.Consequences of steel corrosion on the ductility properties of reinforcement bar［J］.Construction and Building Materials，2008（22）：2316-2324.

［8］Abdullah A Almusallam.Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars［J］.Construction and Building Materials，2001（15）：361-368.