坑蚀钢筋二次拉伸力学性能试验研究

高德军 耿明洋 王 青 赵 娟

(1.三峡大学 湖北省防灾减灾重点实验室，湖北 宜昌 443002; 2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性不足的主要因素[1]．目前对锈蚀钢筋混凝土结构抗力性能的研究，从材料或构件层面主要集中在单调加载或疲劳受力方面[2-7]，鲜有关于锈蚀钢筋混凝土构件受力屈服后二次抗力性能的研究，而这是合理评估锈蚀结构在地震、爆炸等偶然工况作用后承受余震、二次爆炸等作用能力的基础．为此，本文从材料性能入手，就坑蚀钢筋屈服后二次受力特性进行探讨，旨在为在役锈蚀混凝土结构抗力性能评估提供参考．

1 试验设计

混凝土中钢筋的锈蚀往往是从局部点蚀坑开始不断发展扩大的，这些点蚀坑的存在将造成钢筋在受力状态下蚀坑周围的应力集中，导致钢筋受力性能的退化．钢筋锈蚀后，经检测，钢筋的芯部和边缘的金相组织变化并不明显，钢筋表面的微坑蚀和截面损失是导致钢筋力学性能退化的主要原因[8-11]．袁迎曙[10]等从现场采样、试验室加速模拟腐蚀及人工模拟制作坑蚀试件3个途径获取试件，获得了基本相同的锈蚀钢筋力学性能退化规律；王巧平[12]等针对不同锈蚀缺损状态钢筋进行切割数字化模拟试验与实际锈蚀钢筋拉伸试验结果进行对比，进一步验证了人工切割法模拟坑蚀的可行性与合理性．另有学者[8，11]通过试验及仿真分析发现：坑蚀深度是影响锈蚀钢筋力学性能的主要原因，坑蚀宽度和长度则影响较小．为此，本文采用机械制缺方式模拟自然环境中钢筋不同程度的坑蚀，研究坑蚀深度、时效特性等对钢筋二次受力力学性能的影响规律．

1.1 试件制作

试验钢筋为HRB400直径12 mm的带肋钢筋，试样长300 mm，共48根．根据钢筋的锈蚀率与最大锈蚀深度一定概率下的估计和分析[13]，得到不同锈蚀率下的坑蚀深度，本文以5%、10%、15%三种锈蚀率对钢筋拟定3个坑蚀深度分别为0.6 mm、1.3 mm及1.9 mm．为了保证钢筋坑蚀深度精确可控，采用机械制缺的方式模拟钢筋锈蚀，即采用数字激光切割机在钢筋表面垂直轴向切出不同深度的缺口以模拟锈坑，如图1所示，缺口处横截面如图2所示．

图1 制缺钢筋试样

图2 缺口处横截面示意图

1.2 试验方案

为了全面探究坑蚀钢筋二次受力下的力学性能演化规律，设置了两组试验工况，分别为坑蚀深度影响组和时效影响组，见表1～2．

表1 坑蚀深度影响组

表2 时效影响组

注：Py、Pu分别为钢筋屈服强度与极限强度.

将编号后的钢筋每隔10 mm进行打点，并将引伸计(YYU系列50/20，标距50 mm，变形量25 mm，用于测量变形量)按要求捆绑在钢筋的中间，在WAW-Y1000C电液伺服万能试验机上按《金属室温拉伸试验方法》进行钢筋的一次和二次伸试验．时效钢筋在一次拉伸至强化段后卸载取下，放置室温为20℃的实验室中1、3、7，25 d后再进行二次拉伸试验．

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

各组钢筋一次和二次拉伸试验结果见表3～4．

2.2 坑蚀对钢筋二次受力强度的影响

由表4可知：若以受拉时的屈服、极限荷载与钢筋原截面积之比表征名义屈服强度、名义极限强度；以屈服、极限荷载与钢筋锈蚀后的有效截面积之比表征实际屈服强度、实际极限强度，则随坑蚀深度增加，坑蚀钢筋一次或二次受力时的名义屈服强度和名义极限强度较完好钢筋均有减小，但坑蚀截面的实际屈服强度和实际极限强度却有增加．

表3 不考虑时效情况下坑蚀钢筋二次拉伸试验结果

注：A为一次受力钢筋，B为二次受力钢筋.

表4 考虑时效情况下坑蚀钢筋二次拉伸试验结果

注：C为完好钢筋，D为坑蚀钢筋.

进一步分析可知，随着坑蚀深度的增加，二次受力下钢筋的极限强度变化规律与一次受力时相似，如图3所示；但名义、实际屈服强度均高于一次受力，二次受力名义屈服强度受坑蚀深度的影响不明显，如图4所示；究其原因是由于冷拉效应导致钢筋屈服强度近似取二次加载曲线直线段的最大应力值的缘故，该值显然不低于钢筋一次受力时的屈服强度．

图3 钢筋极限强度与坑蚀深度的关系

图4 钢筋屈服强度与坑蚀深度的关系

2.3 时效对钢筋二次受力强度的影响

考虑到钢筋冷拉具有时效硬化的特征，为此将相同卸载水平的坑蚀钢筋分别放置1、3、7，25 d后再进行二次加载，结果表明：对于拉伸至强化段后卸载的坑蚀和完好钢筋，放置1、3、7 d后二次受力时均无明显的屈服平台，但放置25 d后，二次受力时会重新出现屈服平台，且屈服荷载超过卸载值，屈服强度提高，如图5所示，但对极限强度无明显影响，表明相同环境下钢筋产生时效硬化的时间与坑蚀程度无关．

图5 不同时长下荷载-变形曲线

2.4 坑蚀钢筋二次受力伸长率的变化规律

钢筋伸长率与坑蚀深度及时效的关系，如图6所示．

图6 坑蚀深度、时效与钢筋伸长率间的关系

由图6可见：1)坑蚀钢筋一次或二次受力时断后伸长率随坑蚀深度的增加呈明显下降趋势，但二次受力钢筋伸长率比一次下降幅度更大；2)在同一锈蚀深度且同一卸载水平时，钢筋断后伸长率随时效天数的增加也呈现出下降趋势，但下降幅度不大．综上所述，坑蚀钢筋二次受力断后伸长率随坑蚀深度、时长的增加而减小，即钢筋的延性减小．

3 结 语

通过机械制缺模拟钢筋坑蚀不同程度，研究了坑蚀钢筋二次受力力学性能的影响规律．

1)坑蚀钢筋二次受力时随坑蚀深度增加钢筋的名义抗拉强度降低，但实际抗拉强度并不降低，甚至稍有提高；相对于一次受力，二次受力下的屈服强度均高于一次受力，极限强度相差不大．

2)坑蚀钢筋二次受力时所表现的受力特征与完好钢筋冷拉特性基本相同：若在进入强化段后卸载，二次拉伸时将不会出现屈服平台；但放置25 d后坑蚀钢筋二次受力时会重新出现屈服平台，且屈服荷载超过卸载值，屈服强度提高．即常温下25 d后表现出时效，该时效硬化的时长与坑蚀程度无明显关系．

3)坑蚀钢筋二次受力伸长率随坑蚀深度以及时长的增加而减小，坑蚀深度对二次受力下钢筋伸长率的影响更加明显，表明坑蚀深度是导致锈蚀钢筋二次受力伸长率减小的主要原因．