锈蚀HRB500 钢筋混凝土板抗弯性能试验研究

方亮，周云，易督航

（1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128；3.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031）

钢筋混凝土结构中运用强度高、性能好的钢筋，既能提高构件受力性能、改善其使用功能，又方便拓展结构设计方法，还可以节省材料，具有十分明显的经济效益.20 世纪80 年代起国外普遍采用设计强度400 MPa 以上的高强钢筋；欧美国家、日本等20 世纪90 年代以来对设计强度达500 MPa 的钢筋进行了大面积的推广应用[1].Apostolopoulos 等[2-3]研究了锈蚀对S500 级钢筋疲劳性能的影响.Sumpter 等[4-5]通过对比试验研究了配置高强钢筋和普通钢筋的混凝土梁，认为使用高强钢筋可提高抗剪承载力.我国对高强度钢筋的研发和应用起步稍晚，但随着我国建筑用钢筋体系不断完善，HRB500 级系列高强钢筋已进入规范，并制定了“加快淘汰335 MPa、优先使用400 MPa，积极推广500 MPa 螺纹钢筋”的技术路线[6]，因此全国各研究机构和高校进行了大量试验研究.沈宇[7]、徐风波[8]、李琼[9]分别通过试验对配置HRB500 级钢筋的混凝土梁的抗弯承载力、正常使用开裂和挠度问题进行了研究.张艇[10]对HRB500级钢筋混凝土简支梁和连续梁的受弯及受剪性能进行了试验研究.江涛[11]对配置HRB500 级钢筋的混凝土框架结构进行了静力试验研究.于秋波[12]通过试验研究了配置HRB500 级钢筋的部分预应力混凝土梁的受力特点和破坏形态.王铁成等[13-14]研究了高强钢筋混凝土构件在静力荷载作用下的抗弯、抗剪性能和低周往复荷载作用下的抗震性能.丰见政[15]对比研究了配置HRB500 级钢筋混凝土梁常温下和高温后的力学性能.金伟良等[16]对锈蚀HRB500 级钢筋混凝土构件的受力性能进行了试验研究.总结来看，因钢筋锈蚀引起的混凝土结构耐久性问题研究周期长、试验离散性较大，因此目前针对配置HRB500 级钢筋的混凝土构件耐久性问题研究较少[17].另外，结合市场调查和工程实际情况发现，HRB500级系列钢筋仅在沿海较发达地区使用较多，中部地区普及程度仍然较低.本次试验通过对加速锈蚀后的钢筋混凝土足尺板进行静力抗弯试验，结合同等条件下混凝土内锈蚀钢筋的黏结强度和抗拉强度，对比分析锈蚀对配置HRB500 级钢筋混凝土板抗弯性能的影响，为高强钢筋混凝土构件耐久性设计以及高强钢筋在工程中进一步推广应用提供更多数据支持和研究依据.

1 试验设计

1.1 试件设计制作

为了研究锈蚀钢筋混凝土板的受弯性能，设计制作了16 块钢筋混凝土足尺板.板长2 300 mm，计算跨度2 100 mm，截面b×h=700 mm×100 mm.足尺板试件根据混凝土和钢筋强度等级不同分为4 组，配置详见表1.板内分布筋均采用HRB400 级钢筋，直径6 mm.试件纵筋伸出板端便于通电锈蚀时钢筋串联.另外设计16 块材料、配筋与足尺板一一对应的小板（如图1 所示），与足尺板同期制作完成.试件混凝土拌和采用标号42.5 的普通硅酸盐水泥，粗骨料为最大粒径30 mm 的卵石，细骨料为普通河砂.设计强度为C40 的混凝土，配合比为：m水泥∶m砂∶m石∶m水=1 ∶1.49 ∶2.68 ∶0.47；设计强度为C50 的混凝土，配合比为：m水泥∶m砂∶m石∶m水=1 ∶1.49 ∶2.23 ∶0.326，使用萘系减水剂.足尺板与小板试件均在室内自然养护成型.试件混凝土与钢筋强度标准值详见表2、表3.

1.2 试件通电锈蚀

钢筋混凝土板加速锈蚀试验方案如图2 所示.为使足尺板和小板锈蚀环境和程度一致，每块足尺板和对应小板的纵筋串联，接入直流电源正极（足尺板横向分布钢筋做绝缘和防锈处理）；不锈钢棒接入直流电源负极.试件表面覆盖吸水海绵，通过喷洒淡盐水保证电化学反应持续进行.本次试验采用24 V外接直流电源，通过调节回路中可变电阻，改变回路电流大小，保持腐蚀电流密度基本恒定在（0.1±0.02）mA/cm2.锈蚀过程中，定时记录锈蚀回路的电流值，累计试件总通电量，推算钢筋的锈蚀程度，并根据量测结果确定锈蚀时长，确保达到预计锈蚀率.试验设计钢筋锈蚀程度分为4 个等级：0%、5%、10%和15%.足尺板S1-1H 和小板X1-1H 因通电时长超出预计，钢筋锈蚀程度以实际测量值为准.

表1 足尺板和小板试件参数Tab.1 Parameters of specimens

表2 混凝土力学性能Tab.2 Mechanical properties of concrete

表3 钢筋力学性能Tab.3 Mechanical properties of steel bar

图2 通电加速锈蚀试验Fig.2 Accelerated corrosion test

1.3 试验方案

足尺板静力抗弯试验、钢筋混凝土拉拔试验和钢筋拉伸试验均在湖南农业大学土木工程实验室进行.

足尺板静力抗弯承载力试验采用四点加载方式（如图3 所示）.加载制度依据《混凝土结构试验标准方法》（GB 50152—2012）分级加载.试件测点布置情况如图3 所示：板底跨中和1/3 跨段处贴混凝土应变片（S1～S6），板侧贴混凝土应变片（S7～S9）测应变；板底跨中和两个1/3 跨段边缘处设置位移计（D2～D4和D6～D8），支座中点处板顶设千分表（D1，D5）测位移.为尽量避免足尺板在加载过程中发生扭转，用2对长度800 mm 的条形钢支座作为四点加载时的支撑，板与支座盖板间的缝隙用水泥净浆填满.小板完成锈蚀后，按图1（b）所示切割线，将小板切割成5 个试块.1 号、2 号块破型取出锈蚀钢筋用于单向拉伸试验；3～5 号块用于钢筋混凝土的黏结性能测试.

钢筋单向拉伸试验使用WAW-600D 电液伺服万能试验机加载，依据《钢筋混凝土用钢材试验方法》（GB/T 28900—2012）进行.

锈蚀钢筋混凝土的黏结性能测试采用半梁式拉拔试验方法进行.加载方案及试验情况详见图4，通过在拉拔装置中加设钢辊支，模拟实际受弯构件中纵筋偏心受拉的情况.为防止钢辊支与试件接触位置过早出现局压破坏，加垫硬质橡胶条.使用WAW-600D 电液伺服万能试验机加载，加载方案采用位移控制，加载速率0.5 mm/min，在试件自由端架设位移计.试验过程中记录钢筋受到的拉力N，以及试件自由端钢筋与混凝土的位移.

图3 四点加载抗弯试验（单位：mm）Fig.3 Four-point bending tes（tunit：mm）

图4 钢筋拉拔试验（单位：mm）Fig.4 Steel pull out tes（tunit：mm）

2 锈蚀钢筋受力性能

2.1 钢筋锈蚀情况

钢筋的锈蚀程度均用锈蚀率衡量.将试件破型取出锈蚀钢筋并进行酸洗和打磨除锈，测量钢筋长度和质量，根据式（1）计算锈蚀率.

式中：η 为钢筋的锈蚀率，%；m0为钢筋锈蚀前质量，g，按钢筋长度乘以标准线密度计算获得；m 为锈蚀钢筋除锈后质量，g.

混凝土内的钢筋往往出现不均匀锈蚀，同一根钢筋远离保护层一侧锈蚀情况较轻，靠近保护层的一侧锈蚀较严重（如图5 所示）.

图5 混凝土内钢筋不均匀锈蚀Fig.5 Non-uniform corrosion of bar in concrete

2.2 钢筋拉伸试验结果

锈蚀钢筋拉伸断裂往往在截面削弱严重的坑蚀位置，且钢筋锈蚀越严重，破坏时越突然，颈缩现象越不明显（如图6 所示）.对比不同锈蚀率钢筋的荷载-位移曲线（如图7 所示），可发现屈服平台随锈蚀率增大而逐渐缩短.

图6 锈蚀钢筋拉伸断裂Fig.6 Tensile failure of corroded bars

图7 HRB500 钢筋拉伸荷载-位移曲线Fig.7 Load-deflection curves of HRB500 bars

钢筋拉伸试验结果详见表4.对比试验结果可知HRB500E 级钢筋锈蚀后强度及变形性能的变化规律与HRB400 级钢筋的基本一致.钢筋屈服强度、极限强度和伸长率都随锈蚀率增加而明显下降（如图8～图10 所示），锈蚀后钢筋强度可按回归公式（2）（3）计算.

式中：fy，C、fy，N分别为未锈蚀和锈蚀后钢筋屈服强度，MPa；fu，C、fu，N分别为未锈蚀和锈蚀后钢筋极限强度，MPa；δy、δu分别为锈蚀钢筋屈服强度和极限强度的回归系数.

表4 钢筋拉伸试验结果Tab.4 Results of tensile test

图8 钢筋屈服强度与锈蚀率关系Fig.8 Yield strength variation with the corrosion ratio

图9 钢筋极限强度与锈蚀率关系Fig.9 Ultimate strength variation with the corrosion ratio

图10 钢筋伸长率与锈蚀率关系Fig.10 Elongation variation with the corrosion ratio

2.3 拉拔试验结果

锈损拉拔试件的锈胀裂缝主要在底部保护层处沿纵筋方向开展（如图11 所示）.试验结果详见表5.破坏形式主要有：弯剪破坏、劈裂破坏、局压破坏和钢筋拉断（如图12 所示）.锈蚀率较低、锈胀裂缝较小时，试件出现类似受弯构件的弯剪裂缝.在自由端附近的钢辊支处先出现沿正截面的竖向裂缝，向上发展后与纵向劈裂裂缝连通（如图12（a）所示）.锈蚀率较高、锈胀裂缝较宽时，试件出现劈裂破坏，劈裂面混凝土保留较清晰的钢筋肋痕迹，肋间有少量挤压破碎的混凝土粉末（如图12（b）所示）.混凝土强度等级C40 的试件B1-2L5 劈裂破坏时辊支附近混凝土局部压碎（如图12（c）所示）.钢筋强度等级HRB400 的试件B2-1L3 钢筋拉断（如图12（d）所示）.可知，当锈蚀率较小时，试件可能出现混凝土受压或钢筋受拉破坏.试件B1-1H4、B1-1H5 因锈胀裂缝过宽而损坏.

表5 拉拔试验结果Tab.5 Results of pull out test

图11 拉拔试件照片Fig.11 Photo of pull out specimens

图12 拉拔试验破坏形态Fig.12 Failure model of pull out test

钢筋与混凝土的黏结强度τ 按式（4）计算.

式中：N 为钢筋所受拉力，N；d 为钢筋的直径，mm；l为黏结长度，mm，本次取250 mm.

相对黏结强度kτ为同系列试件中锈蚀试件与未锈蚀试件的黏结强度之比（如图13 所示）.为简化计算，不考虑锈蚀率较低时黏结力的提高.通过回归分析得到kτ与锈蚀率之间的关系如式（5）.锈蚀率较低时kτ取1.0，使计算结果偏于安全.

图13 钢筋黏结强度与锈蚀率关系Fig.13 Bonding strength variation with the corrosion ratio

3 抗弯承载力试验结果

3.1 试件锈蚀情况

足尺板试件裂缝多出现在板底部对应纵筋的位置，并沿纵向从试件跨中向两端开展（如图14 所示）.足尺板侧向保护层厚度较大，但也有部分板侧面对应纵向钢筋位置处出现纵向裂缝（S1-1M、S1-2H、S2-2M、S2-2H）.锈胀裂缝情况详见图15（纵向）.钢筋锈蚀情况详见表6.

图14 锈蚀板照片Fig.14 Photos of corroded slabs

图15 试件锈胀裂缝及受弯破坏情况Fig.15 Crack pattern of tested specimens

表6 板抗弯试验结果Tab.6 Results of bending test

3.2 抗弯破坏形态

锈蚀钢筋混凝土板受弯的破坏模式以受压区混凝土压碎破坏为主，破坏过程仍分为3 个阶段：整体工作阶段（弹性）、带裂缝工作阶段（塑性发展）、破坏阶段.对比图15 中不同试件受力裂缝（横向）情况，未锈蚀钢筋混凝土板受弯破坏时，板底和板侧产生丰富的受弯裂缝；钢筋锈蚀构件破坏时，受弯裂缝数量减少.同系列试件，锈蚀率越高，试件破坏时产生的受力裂缝减少越明显.加载过程中，受弯裂缝开展会因既有锈胀裂缝而改变方向.随锈蚀率增大，板底受力裂缝开展趋于集中，或产生一条主裂缝.此情况在钢筋强度较低的S1-1 和S2-1 系列试件中更为明显.当锈蚀率过高时，由于板底出现横向发展的锈胀裂缝，如试件S1-1M 和S1-1H 受力裂缝与横向锈胀裂缝重合，其中试件S1-1H 因锈蚀率过大，且板底横向锈胀裂缝开展充分，试件在加载初期就沿横向锈胀裂缝发生断裂.

3.3 试件荷载-挠度曲线

图16 所示为试件S、N 两侧跨中荷载-挠度曲线（D3，D7）.同系列试件在加载初期的整体工作阶段，未锈蚀试件的荷载-挠度曲线斜率最大，试件曲线斜率随锈蚀率增大出现不同程度的减小；同系列试件中，未锈蚀试件的屈服阶段最明显，锈蚀试件的屈服过程明显变短.配置普通HRB400 级钢筋的试件，当锈蚀率达到15%左右时，基本无明显的屈服阶段；配置HRB500E 级高强钢筋的试件，屈服阶段随锈蚀率增大而变短的幅度较小.试件S1-1M 和S2-1H 板侧的锈胀裂缝，在加载后期不断发展，且与受力裂缝相互影响，使板出现了轻微的扭转，表现为试件D3 和D7 处位移差略大.分析试验结果（表6）可知，锈蚀率对试件的开裂荷载影响较小.试件抗弯承载力和跨中挠度值都随钢筋锈蚀率增大而减小.

图16 荷载-挠度曲线Fig.16 Load-midspan deflection curves

3.4 锈蚀率对抗弯性能的影响

定义相对抗弯承载力kM为同系列试件中锈蚀试件抗弯承载力与未锈蚀试件抗弯承载力之比（见表6）.通过回归分析可知，试件抗弯承载力随锈蚀率增大而呈线性减小（如图17 所示）.对比配置HRB400 和HRB500E 级钢筋试件的kM曲线，前者的斜率较后者的大44%.说明配置HRB500E 级钢筋的试件，抗弯承载力随锈蚀率增大下降较缓慢，锈蚀后的剩余抗弯承载能力较强.

图17 抗弯承载力与锈蚀率的关系Fig.17 Flexural capacity variation with the corrosion ratio

钢筋混凝土足尺板刚度随锈蚀率增加而减小，表现为试件峰值荷载时的跨中挠度随钢筋锈蚀率增加而减小.定义相对跨中挠度kD为同一系列试件中，锈蚀后试件的跨中挠度与未锈蚀试件的跨中挠度之比（见表6）.试件跨中挠度值随锈蚀率增大的变化较为离散，但通过对挠度数据进行分析可知，锈蚀后抗弯试件的挠度变化基本符合线性减小的变化规律（如图18 所示）.对比配置HRB400 和HRB500E 级钢筋试件的kD曲线，跨中挠度下曲线斜率分别为4.34%和2.6%，即随锈蚀率增大，前者跨中挠度下降率较后者快66.9% （如图18 所示）.配置HRB500E 级钢筋的试件，跨中挠度随锈蚀率增大下降较为缓慢，锈蚀后的变形性能更好.

图18 跨中挠度与锈蚀率的关系Fig.18 Mid-span deflection variation with the corrosion ratio

3.5 混凝土应变

图19、图20 分别是试件S2-2H 混凝土的荷载-应变图和跨中截面混凝土的应变沿截面高度变化的情况.随锈蚀率增大，钢筋可能发生黏结滑移，但通过比较分析发现，钢筋屈服或发生黏结滑移破坏前，试件发生弯曲变形基本符合平截面假定.

图19 S2-2H 板混凝土应变Fig.19 Strain of concrete in S2-2H

图20 不同荷载下应变沿截面高度的分布Fig.20 Strain distribution along height of cross sections under different loads

4 抗弯承载力计算

4.1 试件破坏模式

随着锈蚀增加，钢筋的（名义）屈服强度和钢筋与混凝土的黏结性能都会下降，试件受弯时可能出现钢筋受拉屈服或黏结滑移2 种破坏情况：

式中：Fy，C为钢筋的屈服拉力，N；Fτ，C为钢筋与混凝土的黏结力，N；fy，C为受拉钢筋的屈服强度，MPa，按式（2）计算；d 为受拉钢筋的直径，mm，取钢筋的公称直径；τC为受拉钢筋与混凝土的平均黏结强度，MPa，按式（5）计算；lb为受拉钢筋的计算黏结长度，mm.

4.2 承载力计算

经过试验验证，锈蚀钢筋混凝土受弯构件仍基本符合平截面假定.考虑试件中受拉钢筋锈蚀不均匀，抗弯承载力计算公式可写为：

式中：Mu，C为试件的抗弯承载力，N·mm；α1为等效系数，混凝土强度等级不高于C50 时取1.0；fc为混凝土轴心抗压强度，MPa；b 为试件截面宽度，mm；h0为试件截面有效高度，mm；Ft，i为每根受拉钢筋提供的抗拉承载力，N，取Fy，C和Fτ，C中的较小值；n 为受拉钢筋根数.

足尺板抗弯试验采用四点加载方式，因此计算黏结长度lb=700 mm.试件承载力试验值与计算值的统计分析详见表6，所有试件抗弯承载力的计算值与试验值之比的平均值为1.067，标准差为0.113.其中锈蚀板抗弯承载力的计算值与试验值之比的平均值为1.019，标准差为0.081，说明计算值与试验结果吻合较好.

5 结论

采用通电方式对配置高强钢筋和普通钢筋的混凝土板进行加速锈蚀；通过锈蚀钢筋抗拉试验、锈蚀钢筋混凝土拉拔试验以及锈蚀钢筋混凝土板抗弯试验，对比研究锈蚀对高强钢筋混凝土板抗弯性能的影响，并根据试验结果对锈蚀板抗弯承载力进行了计算.

1）通过锈蚀钢筋单向拉伸试验测得HRB500E级和HRB400 级锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和伸长率均随锈蚀率增加呈线性减小.

2）锈蚀HRB500E 级和HRB400 级钢筋半梁式拉拔试验结果表明：当锈蚀率<2.6%时，可不考虑锈蚀对钢筋与混凝土黏结强度的增大影响；锈蚀率>2.6%时，钢筋与混凝土黏结强度随锈蚀率增大而线性减小.

3）配置HRB500E 级和HRB400 级钢筋的混凝土板，锈蚀后抗弯性能变化规律基本一致，即钢筋锈蚀率增大，试件抗弯承载力和变形性能退化明显.其中，试件抗弯承载力和跨中挠度都随锈蚀率增大而线性减小.且随锈蚀率增大，配置HRB400 级钢筋的试件，承载力下降较快，跨中挠度减小更显著；而配置HRB500E 级钢筋的试件，钢筋锈蚀后的剩余抗弯承载能力和变形性能都较强.

4）考虑板内纵筋锈蚀程度不统一，建立锈蚀钢筋混凝土板受弯破坏模式的判别方法，再利用平衡关系，计算锈蚀钢筋混凝土板抗弯承载力.计算结果与试验结果吻合良好.