锈蚀钢筋的力学性能试验研究

李凤兰，侯维玲，侯朋兵

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

我国20 世纪60～70 年代建造的大量临海码头等钢筋混凝土结构已进入腐蚀破坏的高风险期［1］.锈蚀钢筋的力学性能退化是引起钢筋混凝土结构性能退化的主要原因［2］.研究锈蚀钢筋的力学性能对掌握钢筋混凝土结构抗力下降的规律和其破坏形态，以及对正确评估服役钢筋混凝土结构的承载力下降程度和预测在役钢筋混凝土结构的使用寿命都具有重要意义［3－6］.

混凝土中钢筋锈蚀与具体作用环境有关，不同环境下的锈蚀产物和锈蚀形态差异较大［7－9］.该试验模拟海洋环境水下区混凝土结构中钢筋的锈蚀情况，研究锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度及极限伸长率等力学性能随锈蚀程度的变化情况.

1 试验概况

1.1 试件来源

从土木交通科学研究中心的科研试验梁中，破型取出了54 根锈蚀钢筋，其中15 根直径12 mm 的光圆钢筋、15 根直径12 mm 和24 根直径16 mm 的带肋钢筋.所有锈蚀试件都采用恒电流加速锈蚀的方法使其快速锈蚀，锈蚀时钢筋都处于锈蚀溶液中，与海洋水下区环境类似.截取梁剪跨段内靠近支座处的未锈蚀钢筋进行力学性能分析，其力学性能测试结果见表1.

表1 未锈蚀钢筋的力学性能测试结果

1.2 试验方法

钢筋的锈蚀程度有截面损失率和质量损失率两种表示方法.均匀锈蚀时，截面损失率和质量损失率基本一致;不均匀锈蚀时，随锈蚀程度的增加，截面锈蚀深度的不均匀性增大，质量损失率和截面损失率的差异也越大.通常钢筋的截面损失率大于质量损失率［10］.采用质量损失率δ 来表征钢筋的锈蚀程度

式中:m0为钢筋的原始质量;mc为钢筋锈蚀后的质量.

将锈蚀钢筋加工成长度为500 mm 的标准试件，并尽可能使锈蚀最严重部位位于中间.用钢尺(精确至0.5 mm)量取每根试件的实际长度，并在每根钢筋的端部做好标记.然后用除锈剂对锈蚀钢筋试件进行酸洗，经清水漂洗后，及时晾干.用电子天平(精确至0.01 g)称量锈蚀钢筋的质量，计算质量锈蚀率.

在液压万能试验机上对锈蚀钢筋进行拉伸试验，试验前在钢筋中心400 mm 范围内，以5d(d 为锈蚀钢筋原始直径)为单位刻画标记.试件拉断后，量取5d 标距范围内钢筋拉断时的伸长量，计算极限延伸率.锈蚀钢筋力学性能参数见表2，其中Py为屈服荷载，Pu为极限荷载，Agt为极限伸长率.钢筋锈蚀形态和拉断形态如图1 所示.

表2 锈蚀钢筋的力学性能试验结果

图1 钢筋锈蚀形态和拉断特征

2 锈蚀钢筋的力学性能分析

不同锈蚀程度的钢筋，锈蚀形态不同.由图1 可以看出，锈蚀率较小时，锈蚀钢筋出现大量“锈斑”，由于“锈斑”的深度很浅可视为均匀锈蚀;锈蚀率较大时，“锈斑”转变为“锈坑”，钢筋朝向构件表面的外侧面坑蚀较为严重，且“锈坑”的面积和深度有较大差异.

锈蚀钢筋的力学性能变化主要是由钢筋截面积减少引起的.钢筋的屈服荷载和极限荷载取决于钢筋的最小剩余截面积，最大蚀坑深度是影响钢筋力学性能的主要因素.锈蚀钢筋的名义强度是基于未锈蚀钢筋的公称面积得出的.图2 中锈蚀钢筋名义强度的相对值是锈蚀钢筋的名义强度与未锈钢筋强度之比，随着锈蚀率的增大，屈服荷载、极限荷载呈现出相同的下降趋势，锈蚀对钢筋屈服强度、极限强度的降低幅度分别为19.3%和19.9%.

图2 锈蚀钢筋名义强度相对值与锈蚀率关系散点图

图3 中，试件的变形随锈蚀率的增大逐渐减小，屈服台阶逐渐缩短，锈蚀率大于某一临界值时，屈服台阶消失.

图3 锈蚀钢筋荷载－变形曲线

图4 中，伸长率相对值是锈蚀钢筋的极限伸长率与未锈钢筋的极限伸长率的比值.随着锈蚀程度的增加，伸长率出现波动降低的趋势，锈蚀钢筋断裂面的颈缩现象逐渐消失，极限伸长率变小，钢筋转变为脆性破坏.锈蚀对钢筋伸长率的降低幅度为57%，伸长率随锈蚀率增加的降低幅度大于强度损失，锈蚀对钢筋延性的影响更大一些.

图4 锈蚀钢筋伸长率相对值与锈蚀率关系

3 锈蚀率对钢筋屈服强度的影响

Lee 同时考虑均匀锈蚀和坑状锈蚀对钢筋屈服强度的影响，基于试验得出锈蚀钢筋屈服强度的回归公式［11］.结合本试验数据给出了此公式的应用范围.当δ＜3%时，计算表明屈服强度的降低幅度不到3%，在计算锈蚀构件的承载力时，可不考虑锈蚀对承载力的影响［12］;当δ＞15%时，锈蚀钢筋的屈服点不明显，伸长率小于规范允许的最小值，按无屈服点的热轧钢筋确定其计算强度.

式中:fy，fyc分别为未锈钢筋的屈服强度和锈蚀钢筋的屈服强度，MPa;δ 为钢筋的质量损失率，%.

按式(2)计算锈蚀钢筋的名义屈服强度，计算结果与试验结果的对比见表3.其中fys表示锈蚀钢筋名义屈服强度的试验值，实测值与计算值比值的平均值为0.982，标准差为0.05.

表3 计算值与试验值

续表

4 结语

钢筋截面积减少是引起锈蚀钢筋力学性能变化的主要原因.随着锈蚀程度的增加，钢筋截面锈蚀的不均匀性增大，锈蚀钢筋屈服强度、极限强度、极限伸长率均发生退化，屈服平台缩短直至消失.在试验基础上给出了锈蚀钢筋名义屈服强度的建议计算公式，可供锈蚀钢筋混凝土结构加固设计时参考.

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