锈蚀钢筋轴向拉伸疲劳试验研究

罗小勇，欧阳祥森，2，周正祥，邴绎文

（1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.湖南工程学院 建筑工程学院，湖南 湘潭 411104）

钢筋锈蚀是服役中钢筋混凝土构件最常见的老化现象，它不仅造成钢筋的截面减小，力学性能退化，而且由于锈蚀产物产生的体积膨胀会引起混凝土沿纵筋疏松开裂以及保护层剥落，从而使得混凝土与钢筋之间的黏结力下降，严重影响混凝土结构物的疲劳寿命.锈蚀钢筋的疲劳性能越来越受到研究者的重视.曹建安等［1］进行了14根锈蚀钢筋的疲劳试验，钢筋来自实际桥梁退化下来的老化构件，试验结果表明：钢筋锈蚀后其疲劳寿命显著降低，疲劳极限应力逐渐消失.Apostolopoulos等［2－3］进行了钢筋的轴向拉压疲劳试验，研究表明，锈蚀钢筋的疲劳寿命和延性均显著降低.张伟平等［4］对28根自然锈蚀钢筋进行了疲劳试验，试件来自老化混凝土构件，结果表明：在双对数坐标下，锈蚀钢筋的疲劳寿命值和应力幅值仍然表现为线性关系，锈蚀钢筋疲劳寿命大幅降低.彭修宁等［5］对32根有局部锈坑的钢筋疲劳性能进行了研究，结果表明：当钢筋的锈坑较浅时，锈蚀损伤与疲劳荷载损伤是两种独立的损伤，它们彼此之间为线性关系；当锈坑较深时，锈坑损伤与循环荷载损伤两者之间会相互影响和促进.李士彬等［6］对34根加速锈蚀钢筋试件进行了轴向拉伸疲劳试验研究，结果表明：在双对数坐标下，锈蚀钢筋的疲劳寿命值和应力幅值仍然表现为线性关系，锈蚀钢筋疲劳寿命大幅降低；随锈蚀率的增大，疲劳曲线的衰减系数表现出“急剧递增－平缓递增－陡然递增”的三阶段递增特征.以上这些研究中考虑的影响因素有限，如曹建安等［1］只考虑了应力幅对钢筋疲劳性能的影响；李士彬等［6］，张伟平等［4］则考虑了锈蚀率、应力幅对于钢筋疲劳性能的影响.总的来说，对于锈蚀钢筋的疲劳力学性能研究偏少.基于此，本文设计了平均锈蚀率约为0%，3%，6%，9%，12%，15%的6组钢筋试件，通过轴向拉伸疲劳试验结果来分析钢筋锈蚀后疲劳性能的退化规律；同时与国内外已有的研究成果进行比较，验证采用人工通电加速锈蚀方法以及所提出的锈蚀钢筋疲劳寿命退化规律的可靠性，从而为合理确定既有锈损钢筋混凝土结构的剩余疲劳寿命提供必要依据，供结构疲劳性能研究的工程技术人员参考.

1 锈蚀钢筋疲劳试验

1.1 试件设计与制作

对8块浇筑好的1 000mm×500mm×100mm钢筋混凝土板运用法拉第定律通电加速锈蚀，以获取锈蚀程度不同的钢筋试件.每块板中沿纵向布置两层钢筋，每层布置9根，共计144根钢筋.混凝土板中的钢筋分布见图1.钢筋混凝土板的混凝土设计强度等级为C30；混凝土配合比为m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.70∶3.02∶0.43；砂率为36%1）本文所涉及的砂率、比值等均为质量分数或质量比.；水灰比为0.50.钢筋：HRB335 φ16.试验前测得钢筋的实际屈服强度、极限强度平均值分别为425.0，557.5MPa，平均极限伸长率为28%；实测锈蚀前平均单位长度质量为1.52g／mm.

图1 板中钢筋示意图Fig.1 Digram of steel bars in reinforced concrete slab（size：mm）

进行轴向拉伸疲劳性能试验时，钢筋易在端部断裂.为此，本次锈蚀试验时对钢筋端部进行了保护处理.通电锈蚀结束后检查钢筋端部发现没有锈蚀，绝缘效果良好，见图2.

图2 钢筋试件电解锈蚀图Fig.2 Corroded steel bars

钢筋混凝土板在通电锈蚀之前先在浓度为5%的NaCl溶液中浸泡2个月（见图3），待混凝土板的电阻降低后再进行钢筋的通电加速锈蚀试验.钢筋的锈蚀率与电流强度、通电时间成正比，通过控制电流强度大小和通电时间长短，可以得到试验所需要的锈蚀量.在进行实验室加速锈蚀试验时，根据试验设计的6种平均锈蚀率（0%，3%，6%，9%，12%，15%）来设定电流强度I，通过计算即可得到所需的通电时间t.电流强度根据锈蚀钢筋表面积的大小来定，一般取0.01～0.02mA／mm2.试验过程中需要采取绝缘措施来保证电流强度不发生损失.试验过程中，钢筋的锈蚀电流密度都没有超过3mA／cm2.

图3 钢筋混凝土板浸泡通电Fig.3 Reinforced concrete slab for electricity

1.2 实测钢筋锈蚀率

按照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》计算钢筋的锈蚀率.先破型取出钢筋，用刷子清除钢筋表面的混凝土杂质和铁锈，再将锈蚀钢筋浸泡于浓度为12%的盐酸溶液中，待钢筋表面的锈蚀产物酸解后，用清水洗净，放入石灰水中进行中和反应，最后再用清水洗净；在干燥箱中烘干后，称取最终的钢筋质量.钢筋最终锈蚀率按公式计算，式中的mw，m0分别为钢筋锈蚀后及锈蚀前的质量（g）.

1.3 锈蚀钢筋疲劳试验加载方案

目前中国还没有建筑用钢筋疲劳性能试验的统一标准.英国混凝土碳素钢筋标准制定了带肋钢筋的疲劳试验标准规范：循环次数为200万次，应力比取0.20，加载频率小于120Hz，对于φ16的钢筋应力幅取200 MPa.GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》要求HRB335钢筋，当应力比取0.10时的应力幅限值为162MPa；当应力比取0.20时的应力幅限值为154MPa.TB 1002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》也规定了钢筋应力幅容许值为150 MPa.综上所述，结合GB 3075—82《金属轴向疲劳试验方法》，本次钢筋疲劳性能试验参数如下：应力比为0.10，应力幅为200MPa，最大应力为220MPa，最小应力为20 MPa.试验过程中，当加载频率超过3Hz时，钢筋反力架晃动很大，最后将加载频率定为3Hz.试验在PMS－500液压脉动疲劳试验机上进行，试验装置中制作专门的钢筋反力架将加载压力传递至由锚具锚固的钢筋上，保证钢筋受到轴向疲劳拉伸.

2 锈蚀钢筋疲劳性能试验结果

钢筋锈蚀程度不同，对钢筋力学性能的影响也不相同.按设计的6种平均锈蚀率通电锈蚀后，得到144根钢筋试件，从中选取锈坑外观相对均匀的17根钢筋来完成在空气中不同应力幅值下的轴向拉伸疲劳性能试验.结果表明，绝大多数试件发生疲劳断裂部位是在锈坑较深或者钢筋横截面锈损严重的位置；试验过程中仍然有一部分钢筋在夹口处断裂，对于后者本文未将其试验数据列入分析；剩余13根钢筋的实测锈蚀率以及对应的轴向拉伸应力幅值分别为：实测锈蚀率分别为0%，3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%，17.20%的7 根钢筋其疲劳荷载应力幅取200 MPa；实测锈蚀率分别为9.23%，12.46%，16.66%的3根钢筋其疲劳荷载应力幅取240 MPa；实测锈蚀率分别为8.86%，11.54%，14.96%的3根钢筋其疲劳荷载应力幅取280MPa；具体试验参数和试验结果见表1.此外，为了确定锈损后的钢筋在静力作用下的力学性能，从完成拉伸试验的17根钢筋试件中选取疲劳荷载应力幅值为200MPa的6根不同锈蚀率的钢筋再进行一定疲劳次数的荷载－应变测试，以分析其弹性模量和残余应变随锈蚀率及疲劳累积损伤而发生变化的规律.

2.1 锈蚀钢筋疲劳破坏形态

对疲劳破坏后的钢筋及其断裂截面进行拍照，列举部分试件的断面形态如图4 所示.锈蚀钢筋疲劳断裂截面大部分较为平整，只有小部分中间有一定的凹陷；钢筋断裂面整齐，没有出现颈缩现象；断裂截面方向大部分与钢筋长度方向垂直，只有小部分表现为斜截面.锈蚀钢筋的疲劳断口存在明显的裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区.钢筋断裂部位发生在钢筋锈蚀最严重区域以及钢筋锈蚀与未锈蚀分界面.钢筋锈蚀最严重区域的钢筋应力最大，钢筋容易在此断裂.在钢筋锈蚀与未锈蚀分界面上存在着应力突变现象，钢筋容易在此疲劳断裂.锈蚀钢筋疲劳破坏前，未出现任何征兆，表现为脆性破坏.

2.2 锈蚀钢筋疲劳损伤后的荷载－应变关系

为了解疲劳累积损伤对不同锈蚀率钢筋力学性能的影响，本试验进行了一定疲劳损伤后钢筋的荷载－应变性能测试，研究其变化趋势及原因.从17根完成轴向拉伸疲劳性能试验的试件中选取疲劳荷载应力幅值均为200MPa的6根不同锈蚀率钢筋进行静力荷载－应变性能测试.对要进行该测试的钢筋施加疲劳荷载一定次数后暂停疲劳荷载，在钢筋上布置应变片，再进行静力荷载－应变测试，选用应变片是标距为1mm 的胶基箔式电阻应变片.完成静力荷载－应变测试后继续疲劳加载，如此反复直至试件疲劳断裂.对测试数据进行整理得到钢筋的荷载－应变关系，部分结果如图5所示（图中n为加载次数）.

表1 不同锈蚀率钢筋的疲劳性能Table 1 Fatigue characteristic of steel bars with different corrosion rates

图4 锈蚀钢筋疲劳断口宏观形貌Fig.4 Macro－patterns for fatigue rupture section of corroded steel bars

试验中，不同锈蚀率钢筋试件暂停疲劳加载的次数是不同的.低锈蚀率的钢筋试件可每加载10万次后再暂停加载，进行静力荷载－应变测试；高锈蚀率的钢筋，考虑到钢筋锈损严重故减少每一次的加载次数，防止其在疲劳加载中断裂而无法进行静力测试.

考虑到疲劳损伤后锈蚀钢筋的荷载－应变性能测试不能对钢筋的后续性能试验造成影响，本次试验只对钢筋弹性阶段的荷载－应变关系进行研究，而对其屈服阶段及后续阶段未作研究.对试验结果进行的分析表明，钢筋锈蚀率很小时，其荷载－应变曲线表现出良好的线性关系；当钢筋锈蚀率达到约6%时，其荷载－应变曲线的斜率随着荷载的增加逐渐减小，说明钢筋刚度开始减小，其弹性模量在锈蚀和疲劳荷载双重作用下逐步降低；当钢筋锈蚀率增大到约12%时，其荷载－应变曲线变得发散，曲线斜率则稍有增加，说明钢筋的弹性模量在锈蚀率增加到一定程度时又有所回升；之后随着钢筋锈蚀率继续增加，钢筋的弹性模量又呈明显的下降趋势.

2.3 锈蚀钢筋的疲劳曲线

锈蚀钢筋的等幅疲劳强度关系曲线可以有多种假定，包括抛物线、直线和折线［7］，本次试验采取直线形式.锈蚀钢筋轴向拉伸疲劳性能试验过程中，考虑锈蚀钢筋均匀截积损失（假定截面均匀锈蚀，截面积减少相同）的影响，应力幅Δσ 被名义应力幅Δσc代替（名义应力幅按钢筋均匀锈蚀后的剩余面积计算）.锈蚀钢筋的疲劳性能采用双对数坐标下名义应力幅值Δσc和疲劳寿命N 的关系表示：lg N＝AmlgΔσc，式中的A 和m 为与钢筋锈蚀率有关的系数.将表1中应力幅分别为200，240，280MPa，平均锈蚀率约为9%，12%，15%的试验数据按上述方程进行线性回归，可以获得不同锈蚀率下锈蚀钢筋疲劳曲线的系数A，m 及相关系数R，如图6 及表2所示.

图5 疲劳损伤后锈蚀钢筋荷载－应变发展规律Fig.5 Load－strain law of corroded steel bars after fatigue damage

图6 锈蚀钢筋疲劳曲线Fig.6 Fatigue curves of corroded steel bar

表2 锈蚀钢筋疲劳曲线的系数A，m 及相关系数RTable 2 Coefficient of corroded steel bar fatigue curve

由表2可见，不同锈蚀率钢筋的疲劳曲线相关系数均在0.99以上，表明锈蚀后钢筋的疲劳应力幅与疲劳寿命之间呈现出良好的线性关系；m 值随着锈蚀率的增大先增大后减小，即应力幅对钢筋疲劳性能的影响大小为：平均锈蚀率为12%的钢筋＞平均锈蚀率为15%的钢筋＞平均锈蚀率为9%的钢筋.这与李士彬等［6］得出的m 值随着锈蚀率的增大而逐渐增大的结论出现差异.出现差异的原因很可能是试验数据的离散性和有限性、钢筋锈蚀的不均匀性以及试验方案和材料仪器的差异性所致.

在不同的应力幅值下，钢筋的疲劳寿命随平均锈蚀率的发展按指数规律衰减，其疲劳寿命与平均锈蚀率的关系见图7.当钢筋锈蚀率相近（如12%左右）时，应力比与疲劳寿命的关系见表3.

图7 钢筋平均锈蚀率对疲劳寿命的影响Fig.7 Influence of average corrosion rate of steel bar on fatigue life

由图7可见，钢筋的疲劳寿命随其锈蚀率的增大而急剧缩短，当应力幅为200 MPa时，平均锈蚀率约为3%，6%，9%，12%，15%（实测锈蚀率为3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%）的钢筋疲劳寿命较未锈蚀钢筋分别降低了51.26%，60.84%，65.82%，71.04%，79.22%；由表3 可见，在钢筋锈蚀率相近（约12%），应力幅为200 MPa时，应力比为0.24，0.34的钢筋疲劳寿命较应力比为0.10的钢筋分别降低了8.6%，13.6%.锈蚀钢筋的疲劳寿命随应力比增大反而降低这一规律与钢筋混凝土梁疲劳寿命随应力比增加而增加的规律相反.出现差异的原因很可能是由于所选试件偏高的锈蚀率以及钢筋锈蚀的不均匀性、试验的随机性所致.本次试验的结果只能说明在锈蚀钢筋的受力过程中可能会出现由于锈蚀率的影响而出现高应力比、低疲劳寿命的现象.

表3 应力比对钢筋疲劳性能的影响Table 3 Influence of stress ratios on fatigue characteristic of steel bars

3 锈蚀钢筋疲劳寿命预测模型

锈蚀钢筋疲劳性能试验中每个试件的截面锈蚀率都不同，所承受的应力幅也不尽相同，如果能够建立充分考虑钢筋锈蚀率和应力幅值的疲劳寿命计算公式，对预测锈蚀受损钢筋的疲劳寿命将会有十分重要的意义.基于对试验结果的分析，由图6可以看出锈蚀钢筋的疲劳曲线在双对数坐标下仍为直线.假定图6中3条疲劳曲线的A，m 值均与平均截面锈蚀率ηs 线性相关，基于文献［4，6］以及本文试验结果，经多元线性回归分析，可建立以下锈蚀钢筋疲劳曲线方程：

式（1）～（3）可用以下统一计算公式表示：

上式可用于计算锈蚀钢筋在给定应力幅条件下的疲劳寿命，也可用于计算锈蚀钢筋在给定循环次数下的疲劳强度.

4 结论

（1）锈蚀钢筋疲劳断裂截面较为平整，并未出现颈缩现象.疲劳破坏前，没有任何征兆，表现为脆性破坏.钢筋断裂部位发生在钢筋锈蚀最严重区域和钢筋锈蚀与未锈蚀分界面.

（2）不同锈蚀率钢筋随着疲劳损伤的累积，开始出现残余应变；锈蚀钢筋的弹性模量随着荷载的增加开始变小.

（3）随着锈蚀率的增大，钢筋的疲劳寿命急剧缩短.应力幅为200 MPa时，实测锈蚀率为3.87%，6.78%，9.47%，12.32%，15.35%的钢筋疲劳寿命较未锈蚀钢筋分别降低了51.26%，60.84%，65.82%，71.04%，79.22%；应力幅为200 MPa时，应力比为0.24，0.34钢筋的疲劳寿命分别较应力比为0.10时降低了8.6%，13.6%.

（4）通过回归分析，建立了锈蚀钢筋的疲劳曲线方程，为明确不同锈蚀程度的钢筋在一定应力幅作用下的疲劳寿命或者一定疲劳寿命下所能承受的最大应力幅值提供了有效的计算方法.

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