考虑均匀/非均匀锈蚀特征参数的钢筋力学与变形性能

余波 丁自豪 刘阳 陈正

摘要：开展了45个混凝土试件中135根加速锈蚀钢筋的单轴拉伸试验，分别建立了均匀/非均匀锈蚀特征参数与锈蚀钢筋的力学性能参数和变形性能参数之间的定量关系，进而提出了基于均匀/非均匀锈蚀特征参数的锈蚀钢筋应力一应变关系模型。结果表明：锈蚀钢筋的力学和变形性能参数与锈蚀特征参数之间的相关性较大，随着质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值的增加呈现线性减小趋势，而随着最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子的增大呈现线性增大趋势;随着钢筋锈蚀程度的增加，锈蚀钢筋的屈服平台会出现明显退化现象，当质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值分别大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子分别小于40%和60%左右时，屈服平台基本消失;轻度锈蚀钢筋可以利用均匀和非均匀锈蚀特征参数来描述应力一应变关系曲线，而重度锈蚀钢筋采用非均匀锈蚀特征参数来描述应力一应变关系曲线更合理。

关键词：混凝土;钢筋;锈蚀特征参数;力学性能;变形性能;应力一应变关系

中图分类号：TU511.3文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2019）06-0095-09

混凝土中钢筋时常发生锈蚀，不仅会减小钢筋的有效承载面积，而且还会对钢筋的屈服强度、极限强度、屈服应变、极限应变等力学和变形性能产生显著影响。因此，准确、全面地分析锈蚀钢筋的力学和变形性能，对于在役钢筋混凝土结构的耐久性分析和安全性评估具有重要意义。

围绕锈蚀钢筋的力学和变形性能已开展了大量试验研究。其中，文献[1-6]分析了质量锈蚀率与锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度、极限应变、屈服平台长度等力学和变形性能参数之间的关系;Kashani等分析了质量锈蚀率对受拉钢筋延性的影响;张伟平等分析了平均截面锈蚀率与锈蚀钢筋的力学与变形性能之间的关系。由于上述质量锈蚀率和平均截面锈蚀率只能从平均意义上描述钢筋的锈蚀程度，所以，只适用于均匀锈蚀的情况。然而，混凝土属于典型的非均质材料，其内部随机分布的骨料、孔隙和裂缝等导致混凝土中钢筋的空间锈蚀分布形态具有显著的非均匀性。因此，利用最大截面锈蚀率、最小剩余截面积和点蚀因子等特征参数能够更加合理地描述钢筋的非均匀锈蚀程度。对此，罗小勇等、Lu等分析了最大截面锈蚀率与锈蚀钢筋的力学和变形性能之间的关系;曲福来等分析了各微段的最大质量锈蚀率与锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和伸长率之间的关系;孙晓燕等建立了最小剩余截面積相对值与锈蚀钢筋的屈服强度相对值、极限强度相对值和伸长率之间的关系;Zhu等分析了最大截面锈蚀率对锈蚀钢筋延性的影响;Sheng等研究了锈坑形状、深度和分布对钢筋的极限强度、屈服强度和伸长率的影响;Tang等。分析了最小剩余截面积与锈蚀钢筋的力学和变形性能之间的关系;Lu等、Imperatore等分析了面积点蚀因子对锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和伸长率的影响;Balestra等分析了最小直径对锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和伸长率的影响。由此可见，目前的研究成果大多局限于单一或有限的锈蚀特征参数分析，难以准确、全面地描述钢筋的均匀/非均匀锈蚀形态对力学和变形性能的影响。因此，有必要进一步开展考虑均匀/非均匀锈蚀特征参数的钢筋力学和变形性能分析研究。

笔者首先开展了45个混凝土试件中135根加速锈蚀钢筋的单轴拉伸试验，然后，基于试验数据分别建立了均匀锈蚀特征参数（质量锈蚀率）和非均匀锈蚀特征参数（包括最大截面锈蚀率、最大锈蚀深度相对值、最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子）与锈蚀钢筋的力学性能参数（包括名义屈服强度相对值和名义极限强度相对值）和变形性能参数（包括屈服应变相对值、极限应变相对值和屈服平台长度相对值）之间的定量关系，进而分别建立了基于上述锈蚀特征参数的锈蚀钢筋应力一应变关系模型，并与试验数据进行了验证分析。

1钢筋的加速锈蚀与拉伸试验

本文试验与余波等试验基于同一批试件开展，但二者的试验内容和研究侧重点存在明显区别。其中，文献[22]重点关注混凝土中钢筋的空间锈蚀形态测试装置和空间锈蚀特征参数分析方法，而本文重点开展锈蚀钢筋的单轴拉伸试验。

1.1混凝土中钢筋的加速锈蚀试验

如图1所示，共制作45个长、宽和高分别为500、d+30和150mm的混凝土试件。其中，d为钢筋直径。混凝土中共埋设135根钢筋，包括直径为8和12mm的HPB300级光圆钢筋各18根，直径为12mm的HRB400E级带肋钢筋18根，以及直径为16mm的HRB400E级带肋钢筋81根。每个试件沿高度方向等间距放置3根钢筋。混凝土强度等级为C30，混凝土配合比和钢筋的性能参数信息见文献[22]。待锈蚀钢筋的长度为450mm，钢筋在加工完后经过酸洗、烘干、称重获取钢筋锈蚀前的质量Mo。在混凝土试件的两端表面涂3层环氧树脂，以防止NaCl溶液从混凝土端部渗入混凝土内部，待环氧树脂凝固后，将试件放人温度为20±2℃、湿度为95%的标准养护室中养护7d。试验采用外加直流电的方法加速混凝土中的钢筋锈蚀，通过控制通电时间可以得到不同锈蚀程度的钢筋。通电结束后，对混凝土试件进行破型，取出锈蚀钢筋，经过酸洗、干燥、称重等步骤，获取钢筋锈蚀后的质量M1。

1.2锈蚀钢筋的拉伸试验

根据金属材料拉伸试验规范的操作规定，采用WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机开展锈蚀钢筋的轴向拉伸试验。用钢筋打点机每隔10mm对待测钢筋进行打点处理，并用油性笔在钢筋锈蚀最严重部位的5倍公称直径范围两端做标记。通过轴向拉伸试验，可以获得不同锈蚀程度钢筋的荷载一位移曲线，如图2所示。编号P和尺分别表示HPB300级钢筋和HRB400E级钢筋，后面的数字代表钢筋直径，Mj（i=1，2，3，…9）表示9种混凝土试件的配合比，A、B、C分别表示在每种配合比条件下的3组混凝土试件，-Ai（i=1，2，3）表示每个混凝土试件中不同位置钢筋的编号，-i（i=1，2，3，…5）表示未锈蚀钢筋的编号。由图2可知，随着质量锈蚀率的增加，钢筋的屈服荷载和极限荷载及其对应的位移都逐渐降低，屈服平台也随着质量锈蚀率的增加而逐渐减小，甚至消失。此外，质量锈蚀率对锈蚀钢筋荷载一位移曲线在弹性阶段的斜率影响相对较小。

1.3锈蚀钢筋的力学和变形性能参数

根据图2中不同锈蚀程度钢筋的荷载一位移曲线，可以确定钢筋锈蚀前后的应力一应变曲线，如图3所示。基于Park-Paulay模型，可以将锈蚀钢筋的应力一应变曲线划分为弹性段、屈服平台段及强化段，对应的应力一应变曲线为

4结论

1）锈蚀钢筋的力学和变形性能参数与锈蚀特征参数之间的相关性较大，且随着质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值的增加呈现线性减小趋势，而随着最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子的增大呈现线性增大趋势。与锈蚀钢筋的力学性能参数相比，锈蚀钢筋的变形性能参数与锈蚀特征参数之间的离散性相对更大。