钢筋锈蚀对其力学性能退化规律的影响研究

陈嘉帅等

摘 要：文章采用外加直流电法对四种常用直径的HRB400带肋钢筋进行加速锈蚀，对锈蚀后钢筋采用除锈剂进行除锈，钢筋除锈后进行拉伸试验，最后对试验数据进行统计拟合分析。研究发现：钢筋的名义屈服强度、名义极限强度随着钢筋质量锈蚀率的增大呈线性退化规律；同一直径钢筋的名义极限强度退化速率要明显快于名义屈服强度退化速率；大直径钢筋的名义屈服强度、名义极限强度退化速率比小直径钢筋要快，名义屈服强度退化速率随钢筋直径变化较为敏感，名义极限强度退化速率随钢筋直径变化不敏感。从而为混凝土结构的承载力、耐久性评估提供理论依据，为今后项目建设提供一定的参考与建议。

关键词：钢筋锈蚀；力学性能；质量锈蚀率；名义屈服强度；名义极限强度

引言

随着我国经济的飞速发展，钢筋混凝土的消耗量与日俱增，我国的钢筋混凝土的消耗量在全世界消耗量中占有较大的比例，钢筋混凝土结构已成为我国建筑物与构筑物的主要结构体，数量巨大。钢筋混凝土长耐久性是结构构筑追求的目标之一，钢筋不仅是钢筋混凝土的重要组成，也是影响混凝土耐久性的重要因素。由于包裹钢筋的混凝土出现不密实，混凝土内的钢筋易发生锈蚀。钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效的主要原因之一[1-2]。锈蚀钢筋的力学性能是混凝土结构耐久性评估、寿命预测的基础[2]。钢筋混凝土内的钢筋由于多种原因而发生锈蚀，钢筋锈蚀产物体积发生膨胀，造成包裹钢筋的混凝土开裂、剥落，结构构件的承载能力下降。因此，只要充分认识锈蚀钢筋力学性能退化的规律，就能对结构构件的承载能力下降程度进行进一步的评估，也能够对结构构件的耐久性衰退程度进行进一步的评价。

1 国内外研究现状

近期国内研究中，徐港[3]等研究了坑蚀与钢筋强度、伸长率之间的规律。研究表明，影响钢筋伸长率主要因素是坑蚀深度，钢筋塑性随锈蚀率增加而逐渐下降，强度反而提高。陈露[4]等通过5种人工模拟环境获取多组锈蚀钢材，研究了锈坑对钢材力学性能的影响规律。研究表明，分形维数和伸长率随着锈蚀率的增大呈幂关系下降，屈服强度、极限强度呈线性下降。闪勇[5]等运用有限元法模拟分析了蚀坑形状、深度和间距对钢筋屈服强度的影响规律。研究发现，钢筋屈服强度与蚀坑深度有明显关系，与蚀坑形状以及间距无关。宋嘉文[6]等通过分析不同锈坑形态对钢筋锈蚀后力学性能的影响。研究发现，锈坑的深度和锈坑的宽度对钢筋力学性能的影响很大。

马良 [7]等，初少凤[8]通过人工快速锈蚀的方法获得试验试件。研究发现，小直径钢筋锈蚀后其名义力学性能退化受质量损失率影响更加敏感。

袁迎曙[9]等通过三种方法制作锈蚀钢筋，并对锈蚀钢筋进行有限元分析，提出了锈蚀钢筋的应力与应变关系。蒋连接[10]等通过对比研究，发现在钢筋的锈蚀程度低的情况下，通电加速锈蚀比人工气候环境下的锈蚀均匀，其力学性能略好，且随着钢筋锈蚀率的增大两者之间的差别会增大。

近期国外研究中，Maslehuddin[11]等认为锈蚀对钢筋屈服强度和极限强度的影响很小。Almusallam[12]研究认为锈后钢筋的强度、塑性均随钢筋锈蚀率的增大而发生退化。

2 试验研究

2.1 试件的制作

本试验采用的钢筋为HRB400，直径分别为12mm、14mm、16mm和18mm四种带肋钢筋。钢筋试样长度为500mm，共72根。每种直径钢筋的设计锈蚀率分别为0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%和16%。每种直径钢筋共设置9组。本试验中，将锈蚀前钢筋、锈蚀钢筋除锈后的长度和质量进行测量。锈蚀钢筋的除锈采用钢筋除锈剂。除锈的方法是：将锈蚀钢筋浸泡在除锈剂稀释溶液里30分钟后，经清水洗净后用布擦干，在烘箱中干燥1小时，再等钢筋试件冷却后用钢丝刷除去表面的锈蚀物，最后对试件进行编号，称量锈蚀钢筋除锈后的质量，计算钢筋试件的质量锈蚀率ρ，计算公式如下：

2.2 试验方法

本试验采用外加直流电的方法人工加速钢筋的锈蚀，以便在较短的时间内获得锈蚀钢筋试件。在本试验中，把2根钢筋试件用导线并联接入直流电源的正极，再将另1根钢筋用导线接入直流电源的负极，然后把三根钢筋浸泡于3%的NaCl溶液中，调整好直流电源电流，通电加速钢筋锈蚀。

锈蚀钢筋除锈后，将试件的两端分别夹紧在微机控制电液伺服万能试验机的夹具上，在拉伸试验时，加载速率按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T228.1-2010）中规定的应力速率6～60MPa·s-1执行，在试验过程中记录每根钢筋试件的屈服荷载和极限荷载。

3 试验结果与分析

结合国内外众多学者的研究，本试验为更好地进行比较分析，锈蚀钢筋的强度分别用名义屈服强度、名义极限强度表示。名义屈服强度R'CL为钢筋的实际屈服荷载与钢筋未锈蚀时的截面面积之比；名义极限强度R'm为钢筋的实际极限荷载与钢筋未锈蚀时的截面面积之比。

本试验中，所有钢筋试件的锈蚀程度均达到了试验设计的要求。钢筋试件拉断后，所有的钢筋试件在拉断前均出现了明显的颈缩现象，且在力-位移图中均出现了明显的屈服台阶。其中，16mm钢筋的锈蚀形态、锈蚀钢筋破坏形态分别如图3、图4所示。

对试验取得的大量数据进行分析，并用统计拟合方程表示不同直径钢筋的名义屈服强度、名义极限强度与质量锈蚀率的数学模型，4种锈蚀钢筋的力学性能的数学模型如表1所示。

由表1和图5可知，12mm、14mm、16mm和18mm钢筋的力学性能随着锈蚀程度的增大都发生了明显的退化。钢筋的屈服强度、极限强度表现出有规律的线性退化；同一直径钢筋的名义极限强度退化速率要明显快于名义屈服强度退化速率；大直径钢筋的名义屈服强度、名义极限强度退化速率比小直径钢筋要快，名义屈服强度退化速率随钢筋直径变化较为显著，名义极限强度退化速率随钢筋直径变化不显著。

4 结束语

采用外加直流电人工加速锈蚀的方法可以在较短时间内获得锈蚀试件，能够较好的反映钢筋锈蚀对其力学性能的影响规律。试验结果表明，随着钢筋锈蚀程度的增大，钢筋的强度出现显著的线性退化规律；同种直径钢筋的名义极限强度退化显著，对锈蚀程度更加敏感；不同直径的钢筋，大直径钢筋的力学性能退化速率比小直径钢筋的显著，其中名义屈服强度退化速率相差较大，钢筋的名义极限强度相差较小，这是因为钢筋的截面积是影响钢筋强度的主要因素，表面积越大，钢筋强度退化速率越快，直径大的钢筋的名义屈服强度与名义极限强度退化的速率较快。

本试验对钢筋锈蚀后的力学性能退化规律进行研究，总结出钢筋强度与锈蚀程度的规律，能够为混凝土结构物的承载力、耐久性评估提供很好的理论基础，也能为今后的项目建设工作提供有效的参考与建议。

参考文献

[1]MEHTA P K. Concrete durability-fifty year's progress[C]// Proceeding of the 2nd International Conference on Concrete Durability （SP126-1）.[s.l.]：ACI， 1991： 1-31.

[2]陈辉，张伟平，顾祥林.高应变率下锈蚀钢筋力学性能试验研究[J].建筑材料学报，2013，16（5）：869-875.

[3]徐港，张懂，梁桂林，等.坑蚀钢筋力学性能退化的试验研究[J].水电能源科学，2012，30（2）：86-88+135.

[4]陈露，李宁，徐善华，等.锈蚀钢材力学性能退化规律试验研究[J].工业建筑，2011，41（增刊）：652-654.

[5]闪勇，郭院成，曾力.锈蚀钢筋力学性能的数值分析[J].工业建筑，2007，37（增刊）：944-946.

[6]宋嘉文，詹元，金慧珍，等.锈蚀钢筋力学性能研究[J].低温建筑技术，2011，（6）：8-10.

[7]马良 ，陈慧娟，白常举.钢筋锈蚀后力学性能的试验研究[J].施工技术，2000，29（12）：43-44.

[8]初少凤.高强钢筋锈蚀机理及锈后力学性能研究[D].泉州：华侨大学，2008.

[9]袁迎曙，贾福萍，蔡跃.锈蚀钢筋的力学性能退化研究[J].工业建筑，2000，30（1）：43-46.

[10]蒋连接，常明丰，文兆全.锈蚀钢筋力学性能的试验研究[J].低温建筑技术，2011（3）：62-64.

[11]Maslehuddin et al. Effect of rusting of reinforcing steel on its mechanical properties and bond with concrete[J].ACI Materials Journal，1990，87（5）：496-502.

[12]Abdullah A Almusallam. Effect of degree of corrosion the proper ties of reinforcing steel bars [J].Construction and building Materials， 2001：361-368.

作者简介：陈嘉帅（1995-），男，江西高安人，土木工程专业本科生。