PC梁中腐蚀钢绞线的疲劳断裂特征分析

施小飞，李富民，房世龙

（1.南通航运职业技术学院交通工程系，江苏南通 226010；2.中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏徐州 221116）

PC梁中腐蚀钢绞线的疲劳断裂特征分析

施小飞1，2，李富民2，房世龙1

（1.南通航运职业技术学院交通工程系，江苏南通 226010；2.中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏徐州 221116）

文章借助试验对预应力梁中腐蚀钢绞线的疲劳断裂特征展开研究，通过观察腐蚀钢绞线钢丝断口形貌，分析了疲劳断裂机理和断口形态形成机理，具有一定的实用价值。

腐蚀钢绞线；疲劳；断裂；断口形态

0 引言

钢筋腐蚀对混凝土结构耐久性退化的影响非常突出，从而使腐蚀钢筋的自身性能指标受到影响，继而在与混凝土共同工作时必然会影响到结构性能的退化。随着预应力混凝土结构地广泛应用，预应力筋的腐蚀问题以及腐蚀后的性能影响情况引起了人们更多的关注。目前国内外已有学者对预应力筋（钢绞线）的腐蚀问题进行了研究，得到较为一致的认识是：预应力筋不管从材料性质、应力状态、保护层体系以及工作环境等方面都存在腐蚀行为的特殊性，而且预应力构件的破坏机理、破坏形式、力学性能退化特征等方面也存在着特殊性。对于具有腐蚀坑的预应力钢绞线而言，其对疲劳荷载产生的应力集中现象极为敏感；而且在疲劳荷载作用下，腐蚀预应力钢绞线更容易形成疲劳裂纹；再者，腐蚀预应力钢绞线钢丝发生疲劳断裂的断口形态存在一定的特征，这些特征在一定程度上揭示了钢丝在疲劳断裂过程中的裂纹发展历程，进而可以解释腐蚀预应力钢绞线钢丝疲劳断裂的原因。目前这些问题的研究还很少，需要进一步研究。[1-4]本文将针对PC梁中腐蚀钢绞线的疲劳断裂特征进行研究。

1 试验研究

1.1 试件制作与疲劳加载

本试验采用先张法预应力混凝土梁试件对其内腐蚀钢绞线进行疲劳加载。考虑到试件加载过程中的应力幅控制，采用了两种尺寸的试件：A试件截面尺寸150mm×150mm，梁长1 700mm。下部受拉钢筋为1根As15.2（17）1860级钢绞线，上部受压钢筋为HRB335级3 B14，两端各600mm范围内配制HPB235级A6@80的箍筋，如图1所示。

图1 腐蚀钢绞线疲劳试验A试件设计

B试件截面尺寸150mm×200mm，梁长2 600mm。下部受拉钢筋为1根As15.2（17）1860级钢绞线，上部受压钢筋为HRB335级2 B12，两端各900mm范围内配制HPB235级A6@100的箍筋，如图2所示。

图2 腐蚀钢绞线疲劳试验B试件设计

试件混凝土强度按C30设计，配合比为：水：水泥：子：石子=0.53：1：1.84：3.00。在A、B试件中，分别内掺盐5%和10%（水泥重量百分比）以加速钢绞线腐蚀。试件制作之后暴露在室内环境（江苏省徐州市）中养护90天（当时正处于7月至9月，日平均气温在30-35℃，空气湿度80-90%）。之后采用特制长期疲劳试验机进行疲劳加载，疲劳加载频率设为2Hz，每天加载12-14个小时，直至疲劳破坏，然后取出腐蚀疲劳断裂钢绞线，观察疲劳断裂特征。

1.2 试验结果

取样观察发现腐蚀钢绞线的疲劳断口形态各异，如图3所示。总体上可以归纳为：宏观上呈现出较为明显的腐蚀疲劳弧线，在裂纹源和疲劳扩展区域内可以发现锈迹；且一般断裂口处又可以明显区分疲劳源、疲劳裂纹扩展区（疲劳区）和瞬时断裂区（瞬断区）；腐蚀较为严重时的疲劳断裂口处疲劳裂纹扩展区较小，其表现出明显的瞬间断裂特点，如图3（e）所示。钢绞线钢丝的断口可以分成三类基本形式：横向断裂，即瞬断区平面和疲劳区平面近似平行，如图3（a）、（c）所示；斜坡断裂，即瞬断区平面与疲劳区平面成一定角度，如图3（b）、（h）所示；纵向断裂，瞬断区平面与疲劳区平面近似垂直，如图3（f）所示。除此三种基本断裂形态之外，还有混合型断裂裂口的形式，如图3（d）、（e）、（g）所示。这些疲劳断口在区别之中又存在一定的规律性，钢绞线钢丝疲劳断口平面简化图如图4所示。

图3 腐蚀钢绞线疲劳断口宏观典型形貌

图4 疲劳断口示意图

2 机理分析

2.1 疲劳断裂机理

腐蚀钢绞线钢丝表面形成腐蚀坑后，在疲劳应力作用下，蚀坑附近发生应力集中并出现局部塑性区，疲劳裂纹源一旦形成之后，疲劳裂纹尖端的塑性变形再次产生应力集中，从而促进疲劳裂纹的不断扩展。最终当疲劳荷载产生的拉力达到疲劳裂纹处剩余截面所能承受的拉力时，钢绞线便发生瞬间断裂、疲劳寿命终止。源于蚀坑的疲劳断裂如图5所示。

腐蚀钢绞线的疲劳断裂还会受到腐蚀程度的影响：腐蚀程度较弱时，钢绞线钢丝表面形成较小的蚀坑，导致钢绞线截面削弱较少，进而促进裂纹形核，使钢绞线钢丝表面很快产生裂纹源，之后裂纹在疲劳作用下稳定扩展；而腐蚀程度较强时，钢绞线钢丝截面削弱较大，一旦产生疲劳裂纹源后裂纹扩展的区域很小且扩展时间很短暂，甚至钢绞线钢丝未发生裂纹稳定扩展就发生瞬断。

氯盐环境钢绞线预应力混凝土梁中同一根钢绞线（或同一根钢绞线钢丝）上蚀坑的分布不均匀、蚀坑形状各异以及蚀坑尺寸也是大小不等，因此在各个蚀坑处都有可能疲劳裂纹形核产生疲劳裂纹源、继而发生裂纹扩展，但是一般情况下疲劳瞬断只发生在疲劳裂纹扩展时残余截面最薄弱处。如图6所示，钢绞线钢丝也发生疲劳开裂，但并未最终发生瞬断。

图5 源于蚀坑的疲劳断裂

图6 未瞬断的疲劳开裂

2.2 断口形态分析

普通金属材料疲劳破坏过程可分为三个阶段：疲劳裂纹形成（生核）阶段、疲劳裂纹稳定扩展阶段和疲劳裂纹不稳定扩展导致突然断裂阶段，如图7所示。疲劳裂纹扩展的速度一般可以分成三个阶段：裂纹扩展初期（一般应力强度值在扩展门槛值之下），发展速度缓慢；裂纹扩展中期，发展速度呈现近似线性稳定发展；裂纹扩展后期，最大应力强度值接近临界值，发展速度快速上升。裂纹扩展前期和中期又称为疲劳裂纹稳定扩展阶段，裂纹扩展后期为疲劳裂纹不稳定扩展阶段。

对于腐蚀钢绞线而言，在往复荷载作用下，腐蚀坑处产生的应力集中促使了疲劳裂纹源的形成，大大缩短了疲劳裂纹生核阶段的时间，因而腐蚀钢绞线的疲劳主要存在后两个阶段的发展过程，即疲劳裂纹稳定扩展阶段和裂纹不稳定扩展断裂阶段。

（1）疲劳裂纹稳定扩展阶段。疲劳裂纹形核之后，疲劳拉应力作用使得裂纹尖端处因应力集中而产生部分塑性变形，继而裂纹不断延伸扩展。随着疲劳荷载持续作用，钢绞线横向截面内裂纹的宽度和深度都发生扩展，并在裂纹尖形成塑性钝化区；当疲劳拉应力松回时，先前张开的裂纹重新闭合，裂纹尖端又变得尖锐化，在下一次拉应力张拉时，再次发生应力集中而导致裂纹再次扩展，周而循环，疲劳裂纹在拉应力张拉—松懈过程中不断扩展延伸，如图7（b）所示。

（2）裂纹不稳定扩展断裂。钢绞线钢丝材料具有典型的拉伸珠光体微结构，该材料表现出显著的各向异性特征，所以在裂纹稳定发展后期，由于应变硬化或氧化膜钝化等原因，裂纹两侧的纵向应变在约束作用下而使得裂纹发展方向可能出现三种情况：继续保持横向发展的趋势，但发展速率明显增快，以致于最后瞬间断裂；裂纹发展转过一定角度，产生斜向发展的疲劳裂纹，斜向裂纹迅速发展瞬间断裂；裂纹发展沿着钢绞线钢丝的纵向扩展，产生纵向发展裂纹，纵向裂纹不断发展直至残余截面应力疲劳屈服，发生瞬间断裂。裂纹不稳定扩展断裂如图7（c）所示。

在钢绞线不稳定扩展时，裂纹尖端根部会产生高度局部化的应力应变集中现象，因此钢绞线局部产生的过塑变形使得钢绞线发生局部脆性断裂。而在这个过程中，轴向的拉力又会使得钢绞线外围的钢丝产生扭矩作用，此时钢绞线钢丝裂纹尖端的单元体有可能会受到三向拉应力，因此使得钢丝瞬断时产生不同的断裂形态。

图7 腐蚀钢绞线疲劳断裂过程

3 试验结论

（1）腐蚀钢绞线的疲劳断口一般都发生在有蚀坑处，疲劳断口形态上出现明显区域划分：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区（疲劳区）和瞬时断裂区（瞬断区），而且在各个区域之间的分界线出现明显的弧形线。在腐蚀较为严重的试件上，裂纹源区和疲劳扩展区还可以发现锈迹。

（2）腐蚀钢绞线疲劳裂纹扩展中，腐蚀坑成为产生疲劳裂纹的一大诱因，且在腐蚀坑处明显的应力集中使得裂纹扩展初期的扩展速率增大，初期扩展时间缩短。在疲劳裂纹稳定扩展中，裂纹尖端的应力集中引发塑性区内钢绞线的塑性变形，因而此阶段裂纹扩展稳步发展。裂纹稳定发展后期，由于钢绞线裂纹尖端处应变硬化或氧化膜钝化等，裂纹地发展在空间上受到一定的约束，裂纹继续发展的方向发生改变，最终断裂裂口出现三种基本形态：横向断裂裂口、斜坡断裂裂口和纵向劈裂裂口，除此之外，还出现了一些混合型的断裂裂口。

4 结束语

本文通过制作专门的掺盐预应力混凝土构件获取腐蚀钢绞线预应力混凝土梁试件，继而等幅疲劳荷载加载试件直至破坏，破型取出钢绞线并宏观观察钢绞线的断裂特性，探讨了疲劳对预应力混凝土梁中腐蚀钢绞线断裂特性的影响问题，并得出试验结论，从而为深入研究（腐蚀）钢绞线的各项性能奠定基础。

[1]张伟平,李士彬,顾祥林,等.自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验[J].中国公路学报,2009(2):53-58.

[2]李富民.氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[3]李富民,袁迎曙,王波,等.腐蚀钢绞线预应力混凝土梁受弯承载力评估[J].建筑结构学报,2011(2):10-16.

[4]王旭光.混凝土内腐蚀钢绞线和冷拉钢丝的力学性能退化模型[D].徐州:中国矿业大学,2010.

Fatigue Facture Characteristics of the Corroded Steel Strand in PC Beams

SHI Xiao-fei1，2,LI Fu-min2,FANG Shi-long1
（1.Dept.of Traffic Engineering,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong 226010,China; (2.Chinese University of Mining Technology Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering,Xuzhou 221116,China)

This article studies the fatigue fracture characteristics of the corroded steel strand in PC beams by means of experiments.In addition,based on observing the fracture morphology of the corroded strand,this article analyzes the mechanism for the fatigue fracture as well as the fracture morphology formation,which is of certain practical significance in this field.

Corroded steel strand;Fatigue;Facture;Facture morphology

TU312

A

1671-9891（2014）04-0038-04

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.04.010

2014-06-18

江苏省自然科学基金项目“预应力锚索体系的全寿命工作性态预计”（项目编号：BK2011222）。

施小飞（1987—），男，江苏南通人，南通航运职业技术学院交通工程系助教，硕士。