鹽湖環境下受腐鋼筋力學性能退化規律研究

李雙營，趙建昌

鹽湖環境下受腐鋼筋力學性能退化規律研究

李雙營1,2，趙建昌2

（1. 青海民族大學 建筑工程學院，青海 西寧 810007；2. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070）

將不同直徑的螺紋鋼筋270根分別在5%的氯鹽溶液、5%的硫酸鹽溶液和5%的鹵水溶液中，通過穩壓直流電加速銹蝕，在不同齡期下用高精密天平稱取質量，電子萬能試驗機拉伸鋼筋，測量其銹蝕率、屈服強度、極限抗拉強度、延伸率等。測試數據表明：3種溶液中氯鹽溶液的腐蝕最強，且銹蝕率15%為屈服強度的臨界點，超過臨界點時屈服平臺消失，表現出明顯的脆性，伸長率減小。在鋼筋銹蝕機理的基礎上得出鋼筋銹蝕層厚度的數學模型，以及鋼筋銹蝕的三段論、兩段輪的本構關系，同時得出伸長率與銹蝕率、鋼筋極限抗拉強度之間基本服從線性關系，進一步得出銹蝕鋼筋力學系性能的退化規律。

銹蝕鋼筋；鹽湖溶液；力學性能；退化規律

Metha教授曾在“混凝土耐久性——五十年進展”報告中指出，當今世界混凝土破壞的原因，按重要性遞減順序排列是鋼筋銹蝕凍害、物理化學作用[1]。美國材料咨詢委員會在1987年的年度報告中指出，全美有25 300座混凝土橋處于不同程度損傷，以每年35 000座的速度在不斷增加[2]。北京西直門立交橋在建成運行20年之后，鋼筋銹蝕情況就十分嚴重，為了保證安全運行最終只能組織進行重修[3]。Maslehuddin將鋼筋自然暴露于空氣中加速銹蝕了6組不同直徑和不同成分的鋼筋，并研究了銹蝕后的力學性能，表明銹蝕對鋼筋的真實屈服強度和極限強度的影響較小[4]。袁迎曙通過加速銹蝕獲取了不同銹蝕程度的鋼筋并進行拉伸試驗，結果表明銹蝕率小于5%的均勻銹蝕鋼筋力學性能變化不明顯，銹坑對鋼筋的力學性能有明顯影響[5]。青海鹽湖位于柴達木盆地的中南部，是一個含有晶間鹵水的大鹽灘，鹽湖表層為20~30 cm厚的硬鹽殼，鹽殼下部是多孔性的純鹽層，厚度約10~23.5 m，鹽層平均孔隙率為29.5%，空隙中充滿晶間鹵水。該鹵水水位較高，一般高于地表約0.2~0.8 m[6]。經調查，青海察爾汗鹽湖屬于氯鹽型、茶卡鹽湖屬于硫酸鹽型、青海小型的鹽湖屬于鹵水。在氯鹽、硫酸鹽、鹵水環境下銹蝕鋼筋退化規律的對比很少有學者研究，本文對3種環境下鋼筋的退化規律進行對比，得出相關結論，供工程技術人員參考。

1 試驗方案

1.1 鋼筋的銹蝕試驗

鋼筋試樣母材為HPB335級直徑分別是12、14、16 mm的月牙紋鋼筋各90根，共270根，分別在5%的氯鹽溶液（模擬察爾汗鹽湖）、5%的硫酸鹽鹽溶液（模擬茶卡鹽湖）、5%的鹵水溶液（模擬其他鹽湖）中銹蝕試驗[7]。

1.2 銹蝕鋼筋的質量稱取

按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》（GB1T50082-2009）的要求，用12%的鹽酸溶液對鋼筋進行酸洗，酸洗后經清水漂凈，再用石灰水中和，并用電子天平（精確至0.01 g）稱取鋼筋質量，計算鋼筋的質量損失率，經鋼筋的端部貼好標簽。

式中，0為銹前鋼筋質量；c為銹后經酸洗烘干后的鋼筋質量。

1.3 鋼筋拉伸試驗

銹蝕鋼筋拉伸試驗采用上海華龍儀器有限公司生產的DN300微機控制的電子萬能試驗機做。預加載的加載方式采用荷載控制，其加載速度控制為5 mm/min的等應變加載，取屈服強度的20%~30%為控制值；預加載結束后，卸載至荷載為零進行正式加載，加載方式采用位移控制，加載采用國標GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，加載速度在屈服之前采用 3 km/s，達到屈服后用位移控制速率為0.05 mm/s，測量鋼筋屈服強度、抗拉強度、伸長率[9]。

1.4 鋼筋的加速銹蝕

用電線將直流穩壓流電源的正負極分別與鋼筋上焊接的電線及用作陰極的銅片相連，并分別放入質量分數為5%的氯鹽溶液（模擬察爾汗鹽湖）、5%的硫酸鹽鹽溶液（模擬茶卡鹽湖）、5%的鹵水溶液（模擬其他鹽湖）中進行通電加速腐蝕[10]。

2 鋼筋的氯鹽和硫酸鹽溶液中的腐蝕機理

鋼筋在氯鹽和硫酸鹽溶液中的反應如下：

3 試驗數據分析

3.1 鋼筋的銹蝕程度

3.1.1 不同鋼筋在不同溶液中的銹蝕程度

（1）相同直徑的鋼筋在不同的溶液中的銹蝕率有所不同，依次為在氯鹽溶液中腐蝕率>在鹵水溶液中腐蝕率>在硫酸鹽溶液中腐蝕率；

（2）在相同腐蝕介質條件下，直徑較小的面積減少率要明顯大于直徑較大的鋼筋，這是由于對同一類型的鋼筋，從表面開始向鋼筋內部銹蝕的速度大致是相同的，但同樣的銹蝕深度對直徑較小的鋼筋所占的比例相對較大，因而面積減少率相對較大，而同樣的銹蝕深度對直徑較大的鋼筋所占比例相對較小，因而面積減少率較小。

表1 腐蝕鋼筋的數據統計

注：y為實測的鋼筋屈服強度，u為實測鋼筋極限強度，10為鋼筋伸長后的長度，yr為鋼筋實測屈服強度與理論屈服強度比，ur為鋼筋實測極限強度與理論極限強度比，10r為鋼筋伸長后長度與原長度比。

圖1 鋼筋在不同溶液中的腐蝕情況

圖2 不同直徑的鋼筋在鹵水溶液中的腐蝕情況

3.1.2 鋼筋銹蝕層厚度的數學模型

（3）

將式（3）代入式（2）整理可得

3.1.3 銹蝕層輪廓線與鋼筋初始表面間厚度的數學模型

3.2 不同銹蝕程度的鋼筋應力-應變曲線

隨著銹蝕程度的逐漸增加，應力-應變（-）曲線將發生明顯的變化（圖3），表現出鋼筋的屈服強度基本不變，但是變得越來越不明顯，屈服平臺逐漸變短甚至逐漸消失，屈服后強度增加不多，即屈強比增大，斷后應變即極限抗拉強度隨銹蝕率的增加明顯減少（屈服強度和抗拉強度非常接近），同時表現出明顯的脆性。

從實驗數據可得：相同直徑的鋼筋在不同溶液中屈服強度大致相同，但是屈服時間不同：氯鹽溶液屈服時間>鹵水溶液屈服時間>硫酸鹽溶液屈服時間，這與在不同溶液中鋼筋的銹蝕率相一致；不同直徑的鋼筋在相同溶液中的屈服強度大致相同，但隨著直徑的增加其伸長率減小。

圖3 腐蝕鋼筋在鹵水溶液中不同周期下的應力-應變曲線

3.2.2 鋼筋銹蝕的本構模型

根據實驗數據，當鋼筋銹蝕率較小、屈服平臺尚未消失時，采用三線型模型圖4(a)；當銹蝕率超過某一臨界點時，強化應變退化到與屈服應變重合，屈服平臺消失取雙線型模型圖4(b)。

圖4 模型

3.2.3 屈服平臺的退化臨界點：

本文對270根銹蝕鋼筋拉伸試驗的荷載-變形曲線及相應的銹蝕率進行統計分析后，得到不同環境銹蝕條件下銹蝕鋼筋屈服平臺消失時的銹蝕率臨界點[14]，見表2。

表2 銹蝕鋼筋屈服平臺消失時的銹蝕率臨界點

3.2.4 銹蝕鋼筋力學性能退化模型

文獻[15]利用450根銹蝕鋼筋力學性能試驗結果，并收集已有試驗數據，建立銹蝕鋼筋力學性能試驗數據庫，假設鋼筋屈服平臺隨銹蝕率線性縮短，建立銹蝕鋼筋確定性的應力-應變關系模型如下：

3.3 不同環境下伸長率與鋼筋銹蝕程度的關系

鋼筋銹蝕后，伸長率均有明顯下降。本次試驗量測了所有鋼筋的極限伸長率從數據可以看出，當鋼筋的銹蝕率小于5%時，鋼筋的伸長率基本上大于規范最小允許值；當截面損失率大于15%時，鋼筋的伸長率則小于規范最小允許值。

其中，為鋼筋的極限伸長率，為鋼筋的銹蝕率。

圖6 鋼筋在氯鹽溶液中鋼筋伸長率與極限抗拉強度的關系

服從線性關系：

4 結論

（1）不同溶液中鋼筋的銹蝕率依次是：在氯鹽溶液銹蝕率>在鹵水溶液銹蝕率>在硫酸鹽溶液銹蝕率；不同直徑的鋼筋在相同溶液中的銹蝕率不同，直徑小得鋼筋銹蝕率大于直徑大的鋼筋。

（2）應力-應變曲線將發生明顯的變化，表現出鋼筋的屈服強度基本不變，但是變得越來越不明顯，屈服平臺逐漸變短甚至逐漸消失，屈服后強度增加不多，即屈強比增大，極限抗拉強度隨銹蝕率的增加明顯減少（屈服強度和抗拉強度非常接近），同時表現出明顯的脆性。相同直徑的鋼筋在不同溶液中屈服強度大致相同，但是屈服時間不同：氯鹽溶液屈服時間>鹵水溶液屈服時間>硫酸鹽溶液屈服時間，這與在不同溶液中鋼筋的銹蝕率相一致；不同直徑的鋼筋在相同溶液中的屈服強度大致相同，但隨著直徑的增加其伸長率減小，并得出鋼筋銹蝕的本構模型。

（3）通過實驗統計得出不同環境銹蝕條件下銹蝕鋼筋屈服平臺消失時的銹蝕率臨界點，總結前人的經驗得出銹蝕鋼筋力學性能退化模型。

（4）通過實驗數據統計出鋼筋伸長率與鋼筋銹蝕率、鋼筋極限屈服強度之間的數學關系式。

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Study on degradation law of mechanical properties of corroded steel bars in salt lake environment

LI Shuangying1,2, ZHAO Jianchang2

(1. School of Architecture Engineering, Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

270 steel bars with different diameters of 12, 14 and 16 are accelerated to corrode in 5% chloride solution, 5% sulfate solution and 5% halogen solution by DC voltage stabilization. A different age periods, the quality is weighed by high precision balance, the steel bar is stretched by electronic universal testing machine, and the corrosion rate, yield strength, ultimate tensile strength and elongation are measured. The test data show that the chloride solution in the three solutions has the strongest corrosion, and the corrosion rate of 15% is the critical point of yield strength. When it exceeds the critical point, the yield platform disappears, showing obvious brittleness, and the elongation decreases. On the basis of the mechanism of steel corrosion, the mathematical model of the thickness of steel corrosion layer, the constitutive relationship of the three-stage theory and the two-stage wheel of steel corrosion are obtained. At the same time, the linear relationship between elongation, corrosion rate and ultimate tensile strength of steel bar is found, and the degradation law of mechanical properties of corroded steel bar is further obtained.

corroded steel bar; salt lake solution; mechanical properties; degradation law

TU375

A

1002-4956(2019)11-0050-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.013

20190-05-21

國家自然科學基金資助項目（51368053）

李雙營（1977—），男，山西方山，在讀博士研究生，講師，副院長，研究方向為混凝土的耐久性。E-mail: 641024633@qq.com

趙建昌（1962—），男，陜西咸陽，教授，博士研究生導師，研究方向為混凝土的耐久性。E-mail: zhaojchang@163.com