疲勞荷載與腐蝕耦合作用下預應力桿體耐久性的試驗研究

【摘要】 預應力結構被越來越多的應用到隧道及邊坡加固工程中，這些工程因外界環境較復雜，常存在失效破壞現象。本文根據鋼筋疲勞破壞的規律及鋼筋銹蝕的理論，采用鋼筋軸向拉伸疲勞試驗;利用疲勞試驗所得試件，選取pH值和時間作為影響桿件腐蝕的主要因素，并對各因素正交組合后進行預應力桿件的室內加速腐蝕試驗，以分析疲勞荷載與腐蝕介質耦合作用下預應力桿體的疲勞銹蝕性能。

【關鍵詞】 預應力;疲勞荷載;腐蝕

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.05.013

Experimental Study on Durability of Prestress Bar Under

Fatigueload and Corrosive Media

ZHANG Wei-yi

（Shandong Transportation Institute，Jinan 250102，China）

Abstract： Prestressed structure are more and more used in bridge，tunnel and slope anchorage engineering. The external environment of these projects is generally complex，and it often has failure phenomenon. In this paper，according to the law of fatigue damage of steel bars and the theory of steel bar corrosion，axial tensile fatigue test，fatigue tests are performed for each specimen at different times. Based on the fatigue test，the pH value and time are chosen as the main factors which influence the corrosion of the anchor，and the indoor accelerated corrosion tests are carried out on the basis of orthogonal combination. To analyse fatigue corrosion behavior of prestressed concrete under the coupling of fatigue load and corrosive medium.

Key words： prestress;fatigueloads;corrosion

預應力混凝土結構由于其受力性能良好，能充分發揮材料的潛能，具有施工快速、安全、經濟等優點，已在解決我國公路建設工程難題中得到廣泛應用。然而，預應力混凝土結構功能衰退是一個不可逆的耐久性裂化過程。在過去預應力結構設計和計算中，并未考慮其長期耐久性問題。有關預應力結構及其桿體在腐蝕和疲勞耦合作用下的耐久性研究工作仍落后于實踐，大部分的設計只能依靠經驗和工程類比的方法來確定[1-4]。

本文在鋼筋疲勞破壞規律及鋼筋銹蝕理論研究的基礎上，設計了預應力桿體在疲勞荷載與腐蝕耦合作用下的試驗研究方法，基于室內腐蝕試驗成果，分析了預應力桿件在疲勞荷載及腐蝕介質耦合作用下的物理力學性能衰減規律，提出了單位長度腐蝕量與各影響因素之間的關系。

1 試驗簡介及試驗結果的處理

1.1 鋼筋軸向拉伸疲勞試驗

1.1.1 試件概況

試驗所用鋼筋試件共計20根，平均分為A、B兩組。分別選取兩組中的9根鋼筋，進行疲勞拉伸試驗。兩組中剩余的1根鋼筋用于比對。

試驗選用長約400 mm、直徑6.5 mm、極限抗拉強度460 Mpa的Q235鋼筋，依據每根鋼筋設計的受拉次數進行編號，在疲勞試驗前對試件進行長度、直徑、重量測量。

1.1.2 試驗方案

試驗參考GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》[5]，試驗采用控制荷載循環次數，按正弦波等幅加載，應力水平為0.8（即桿體極限強度的80%），荷載變幅在加載應力的基礎上±10%，加載頻率為10 Hz。試驗過程中，通過疲勞機的主控計算機來控制加載并采集波形和試驗數據。

1.2 室內腐蝕試驗

基于實際工況，對各影響因素進行排列組合設計。主要考慮因素為：1）pH為4的酸性環境、pH為9的堿性環境;2）試驗進行一個月、二個月、三個月三個腐蝕時間。室內加速腐蝕試驗中，在設定腐蝕時間達到后將鋼筋取出，去除表面鐵銹，再次測量鋼筋的直徑、質量。

本試驗的結果分析采用單位長度腐蝕量法，即腐蝕前的質量與長度的比值和腐蝕后的質量與長度的比值的差。如下式所示：

[lr=m-m=m-ML]

式中：[lr]——單位長度腐蝕量（g/cm）;

[m]——腐蝕前鋼筋單位長度質量（g/cm）;

[m]——腐蝕后鋼筋單位長度質量（g/cm）;

M——腐蝕后鋼筋的質量（g）;

L——腐蝕后鋼筋的長度（cm）。

2 試驗結果分析

2.1 鋼筋軸向拉伸疲勞試驗結果分析

根據試驗方案對試件進行不同次數的軸向拉伸疲勞試驗，試驗參數和結果記錄如表1所示。

根據試驗方案對鋼筋進行不同次數的軸向拉伸疲勞試驗，拉伸后鋼筋均變長，隨著疲勞拉伸次數的增加，鋼筋的伸長量、伸長率也增加，與此同時，鋼筋的直徑減小。在外觀規律性表現方面，對比疲勞試驗前后的鋼筋試件可以發現，試驗前后鋼筋表層由完整光亮變得暗淡，表面由完整變得破碎剝落，且破碎的程度隨試驗次數增加而愈發嚴重。

2.2 室內腐蝕試驗結果分析

A、B兩組鋼筋加速腐蝕一個月后，按照試驗設計的方案測量試件的重量、長度和直徑，計算其單位長度銹蝕量。

一個月后對取出的鋼筋試件觀察后發現，對于酸性腐蝕介質（pH=4）內的鋼筋，經過一個月的加速腐蝕，鋼筋表面主要表現為密集的條紋狀和絲狀腐蝕，其腐蝕紋理的走向與疲勞拉伸后表層裂紋的走向重合，且不同拉伸次數的鋼筋試件表現出相似的腐蝕現象。對于堿性腐蝕介質內的鋼筋，鋼筋表面大部分腐蝕較淺，少部分區域腐蝕較嚴重。腐蝕較嚴重區域存在少量的條紋，且不明顯。

對取出的鋼筋試件，計算其單位長度銹蝕量，繪制柱形圖，如圖1所示。

兩個月后取出鋼筋，進行觀察后發現，酸性介質中的鋼筋腐蝕較均勻，表層存在黑色腐蝕物質，腐蝕物質較軟，潮濕狀態下為泥狀，干燥狀態為粉狀;而堿性介質中的鋼筋表面存在有紅褐色氧化膜，氧化膜覆蓋在鋼筋外層，但厚度不均。

該氧化膜為鋼筋與腐蝕介質化學反應的結果，在此化學反應中，陽極區發生氧化反應：Fe→Fe2+2e-。在陰極區發生還原反應：O2+4e-+2H2O→4OH-。鋼筋銹蝕機理如圖2所示[6]。

對取出的鋼筋試件，計算其單位長度銹蝕量，繪制柱形圖，如圖3所示。

四個月后取出鋼筋，進行觀察后發現，酸性介質中的鋼筋表面覆蓋有較細碎紅褐色氧化物，濕潤狀態下呈軟泥狀，干燥情況下輕觸即掉落，如圖4所示。堿性介質中鋼筋表面生成一層較厚的深紅褐色氧化物，干燥后會整體脫落，如圖5所示。

對取出的鋼筋試件，計算其單位長度銹蝕量，繪制柱形圖，如圖6所示。

對腐蝕試件處理后，得到鋼筋在酸性介質和堿性介質中單位長度腐蝕量分布范圍，將數據匯總如表2所示。

2.3 腐蝕規律分析

通過外觀觀察發現，腐蝕初期試件表面主要表現為密集的條紋狀或絲狀，四個月后逐漸演化為點狀或坑槽狀腐蝕。在腐蝕裂紋的發展階段，金屬組織結構由于電化學反應產生變化，同時應力集中于裂紋尖端，組織結構被撕裂，最終形成坑槽狀的局部腐蝕孔洞。

通過對試驗所得數據分析可知，在同一腐蝕介質內的試件，不同時間節點的腐蝕量變化趨勢基本一致，但是堿性介質中的腐蝕速率較低，而酸性介質中的腐蝕速率整體呈增大趨勢，且疲勞拉伸次數多的試件，其單位長度腐蝕量一直保持著較大值。

3 結論

本文基于鋼筋銹蝕基本理論及鋼筋疲勞破壞規律，借助軸向拉伸疲勞試驗和室內加速腐蝕試驗，研究不同因素耦合作用下鋼筋的腐蝕規律，主要結論如下：

1）鋼筋伸長率隨疲勞拉伸次數增多而變大;外觀上表面由完整變得破碎剝落，且破碎程度隨拉伸次數增加而增大。

2）隨腐蝕時間增長，鋼筋表面開始為絲狀腐蝕，后為點狀及坑槽狀腐蝕，鋼筋表面也逐漸被暗紅色或紅色的氧化膜覆蓋。

3）單位長度腐蝕量隨著腐蝕介質pH值降低、疲勞拉伸次數增大及時間的延長，其腐蝕量將不斷增大，而腐蝕速率在降低。

【參考文獻】

[1] 趙長海.預應力錨固技術[M].武漢：中國水利水電出版社，2001：1-8.

[2] 程良奎，范景倫，韓軍，等.巖土錨固[M].北京：中國建筑工業出版社，2003：2-29.

[3] 劉西拉，宋曉冰.結構工程耐久性的基礎研究[C].//土建結構工程的安全性與耐久性.北京：清華大學，2001：148-154.

[4] 張思峰，宋修廣，李艷梅，等.邊坡預應力單錨索耐久性分析及其失效特性研究[J].公路交通科技，2011（9）：22-29.

[5] 金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法：GB 15248—2008[S].

[6] 張偉平，顧祥林，金賢玉，等.混凝土中鋼筋銹蝕機理及銹蝕鋼筋力學性能研究[J].建筑結構學報，2010（S1）：327-332.

【作者簡介】

張煒熠，男，1992年出生，助理工程師，碩士，研究方向為道路結構與材料。