钢筋锈蚀对其力学性能退化规律的影响研究

李剑风

（中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司）

0 引言

随着我国经济的发展和进步，钢筋的利用率和消耗量也在大幅度的增加，同时，钢筋是钢筋混凝土当中的重要组成部分，但由于各种外部不利因素影响，钢筋混凝土当中的钢筋很容易出现锈蚀的现象，一旦发生，钢筋锈蚀所产生出来的物体就会发生体积膨胀，令钢筋混凝土开裂，导致其承载能力严重下降，这其实都是因为钢筋锈蚀所引起的力学性能退化。所以，要充分认识到钢筋锈蚀在化学性能退化方面的规律影响。在国内外，钢筋锈蚀对其力学性能退化规律的影响受到了很多人的重视，通过各种各样的试验方式或者实验手段对其进行深入的研究分析，得出了一些相关的结论，本文主要通过人工模拟自然气候加速试验方法来对其进行论述。

1 试验准备工作

1.1 试验材料

为尽可能减少由不同钢厂生产的钢筋存在的差异对试验造成的干扰，本试验中所使用的试验钢筋均是来自福建三钢集团公司的产品，试验中所采用HPB300 钢筋直径为12mm 和HRB400E 钢筋直径为14mm、16mm 三种规格，具体力学性能参数见表1。

1.2 试验试件设计

为开展钢筋锈蚀试验，获取锈蚀钢筋试件，设计制作了如下的钢筋混凝土试验板，板的设计尺寸为400mm×300mm×100mm；混凝土板内的钢筋分两排布置，每排4 根，保护层厚度为25mm，板中钢筋两端外伸50mm，详见图1 所示。共制作了3 块上述的钢筋混凝土板，分别布置直径为12/14/16mm 钢筋，其中混凝土强度为C25，钢筋混凝土板标准养护7 天。

表1 试验钢筋力学性能参数

图1 钢筋混凝土板设计图

1.3 人工模拟自然气候加速锈蚀试验方法

人工模拟自然气候加速锈蚀，主要指的是利用高温度、高湿度、紫外灯照，定期用5% Nacl 溶液淋洒的干湿循环等一系列人工的方式，模拟出自然气候环境（主要有阳光、雨水、二氧化碳等等）对钢筋进行作用。在本试验当中，干湿循环的方法为干10 个小时，湿2 个小时，作用时间为60 天。

1.4 锈蚀钢筋质量锈蚀率ηm 的获取

使用电子天平(精确至0.1g)对除锈烘干处理后的钢筋试件进行称量，称得其此时的质量为mc，前面制作混凝土板试件时称量得到的钢筋锈蚀前质量m0，则它们的质量锈蚀率可以通过关系式求得如式⑴。

其中：ηm为质量锈蚀率，mc为锈蚀后的质量，m0为锈蚀前的质量。

2 试验结果及退化规律分析

2.1 试验结果

试验的目的主要是对于不同质量锈蚀率的钢筋力学性能指标进行分析和对比，这些指标包括钢筋的强度、伸长率。将钢筋锈蚀后力学性能的试验结果统计如表2～表4，并按质量锈蚀率从小到大排列。

从表2 和图2 可以看出：

⑴随钢筋质量锈蚀率的增加，钢筋的屈服荷载、极限荷载及伸长率变形等整体趋势随钢筋质量锈蚀率的增加而明显减小。其中12mm 钢筋最大质量锈蚀率为5.31%，其屈服强度下降了4.82%，极限强度下降了9.47%，伸长率减小了5.45%。

⑵观察LH1204 试验结果，其钢筋锈蚀率为3.67%，大于编号LH1203 的3.51%，其屈服荷载、极限荷载及伸长率分别为361.66MPa、473.32MPa、30.85%，大于编号LH1203 的屈服荷载、极限荷载和伸长率，存在数据异常。

表2 直径12mm（光圆）的钢筋锈蚀后的力学性能

表3 直径14mm 的钢筋锈蚀后的力学性能

图3 直径14mm 钢筋的力学性能- 质量锈蚀率曲线图

图4 直径16mm 钢筋的力学性能- 质量锈蚀率曲线图

表4 直径16mm 的钢筋锈蚀后的力学性能

从表3 和图3 可以看出：

⑴随钢筋质量锈蚀率的增加，钢筋的屈服荷载、极限荷载及伸长率随钢筋质量锈蚀率的增加而明显减小。其中，14mm 钢筋最大质量锈蚀率为5.43%，其屈服强度下降了4.03%，极限强度下降了8.33%，伸长率减小了5.70%。

⑵该组试验不存在异常数据。

从表4 和图4 可以看出：

⑴随钢筋质量锈蚀率的增加，钢筋的屈服荷载、极限荷载及伸长率变形等整体趋势随钢筋质量锈蚀率的增加而明显减小。其中，16mm 钢筋最大质量锈蚀率为5.17%，其屈服强度下降了4.88%，极限强度下降了8.12%，伸长率减小了5.04%。

⑵观察LH1603 试验结果，其钢筋锈蚀率为2.23%，大于编号LH1601 的1.94%和LH1602 的2.07%，其屈服荷载、极限荷载分别为460.99MPa 和560.31MPa，大于编号LH1601、LH1602 的屈服荷载和极限荷载，存在数据异常。

2.2 退化规律分析

基于不同质量锈蚀率时锈蚀钢筋力学性能试验结果，研究锈蚀钢筋力学性能的退化规律。

设定不同质量锈蚀率时，屈服强度、极限强度、伸长率的回归公式如式⑵。

式⑵中，

y——屈服强度（MPa）、极限强度（MPa）、伸长率（%）；x——质量锈蚀率（%）；

a、b——回归系数。

可得回归公式如表5～表7 所示。

从回归公式⑵可看出，直径12mm 光圆钢筋其屈服强度、极限强度、伸长率回归公式的相关系数R2 分别为0.7369/0.8886/0.8008，相关性较高；直径14mm带肋钢筋屈服强度、极限强度、伸长率回归公式的相关系数R2分别为0.9084/0.9328/0.9756，相关性很高；直径16mm带肋钢筋其屈服强度、极限强度、伸长率回归公式的相关系数R2分别为0.7438/0.9285/0.8949，相关性较高。因此，一定程度上，可根据公式，基于钢筋质量锈蚀率，直接推算出两种不同类型钢筋锈蚀后的屈服强度、极限强度、伸长率。

表5 直径12mm（光圆）锈蚀钢筋力学性能随质量锈蚀率退化规律

表6 直径14mm 锈蚀钢筋力学性能随质量锈蚀率退化规律

表7 直径16mm 锈蚀钢筋力学性能随质量锈蚀率退化规律

3 结语

本文采用人工模拟自然气候加速试验方法，检测锈蚀钢筋力学性能，得出如下结论：

⑴不同类型（热轧光圆和热轧带肋钢筋）的钢筋在受到锈蚀的时候，随着钢筋质量锈蚀程度的增加，其屈服强度、极限强度及伸长率随之降低。

⑵通过线性回归的方法，研究锈蚀钢筋力学性能退化规律，发现锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率都体现出了较好的线性退化规律（拟合度R2在0.73～0.97 之间），因此，一定程度上，可根据公式，基于钢筋质量锈蚀率，直接推算出钢筋锈蚀后的屈服强度、极限强度、伸长率。