室内外2种环境下锈蚀钢筋的物理力学试验分析

杨光,胡轩浙,谭俊,王云洋,李明

(湖南文理学院 土木建筑工程学院,湖南 常德,415000)

钢筋长时间裸露在自然环境下其有效直径、重量等物理参数以及伸长率、屈服强度、极限强度等力学性能均会因锈蚀产生劣化,造成重量尺寸等物理性状偏差过大,力学性能下降,若直接使用则会对钢筋混凝土结构的可靠性和耐久性带来安全隐患[1]。

钢筋锈蚀现象主要是由局部的点蚀开始再逐步扩展至钢筋的全部表面,锈蚀现象并不是均匀分布的,形态各异的部分点蚀或蚀坑缺陷会对钢筋的力学性能产生决定性的影响[2],针对锈蚀后钢筋的物理力学性质的影响,国内外学者已开展了大量试验研究。钢筋锈蚀后会减小钢筋的有效截面积和质量,进而影响钢筋的力学性质,随着钢筋锈蚀程度的增大钢筋的力学性质呈减小趋势[3-4]。部分学者对钢筋不均匀锈蚀后的力学特性进行分析,建立了线性的[5]和非线性[6]的应力应变本构模型。钢筋锈蚀后表面的生锈物质会引起体积发生膨胀、剥离等现象,在钢筋自身性能劣化的同时对周围包裹的混凝土产生膨胀应力并减小钢筋混凝土材料间的粘结力[7],进而影响钢筋混凝土结构的使用寿命,不少学者研究了钢筋混凝土结构内因钢筋锈蚀出现材料组合性能劣化下降的情况[8],并根据钢筋的锈蚀劣化规律对其使用寿命进行了探索分析和预测[9]。

目前,国内外研究人员主要采用外加电流和模拟气候环境这2种人工干预的方法来加速钢筋锈蚀以获得不同锈蚀程度及锈蚀缺陷的试验材料[4],对在长时间裸露在自然状态下锈蚀钢筋的物理力学性能研究鲜有报道。本文通过对在室内外2种不同环境中裸露在自然状态下长达4年时间的锈蚀钢筋进行试验对比及统计分析,探索其物理力学性质变化规律,以期为评估钢筋锈损及物理力学性能变化情况提供参考依据。

1 试验概况

在停工时间长达4年的某建筑工地上选取室内潮湿环境和室外露天环境下自然锈蚀的2种不同直径规格的HRB335钢筋:室内潮湿环境下锈蚀均匀的公称直径为12 mm的钢筋和公称直径为22 mm的钢筋各10根;室外露天环境下锈蚀均匀的公称直径为12 mm的钢筋和公称直径为22 mm的钢筋各10根。用切割机将选取的锈蚀钢筋切割成长度不小于500 mm的试样,并对试件端头进行平整化处理。对不同环境和公称直径的钢筋试样进行编组编号,编组分别为:(1)室内潮湿环境φ12钢筋A组;(2)室外露天环境φ12钢筋B组;(3)室内潮湿环境φ22钢筋A组;(4)室外露天环境φ22钢筋B组,如图1所示。

图1 试验钢筋试件及分组

对钢筋试件先后进行除锈→称重测量→长度、直径测量→拉伸试验→伸长率测量。具体测试方法为:(1)先用钢丝球刷洗锈蚀钢筋试件表面锈蚀物,浸泡在除锈液中30 min后用蒸馏水冲洗干净并用吸水滤纸吸干,然后在电烘箱中烘干,最后用电子天平依次称量钢筋除锈后的试件质量,重量读数精确至0.01 g;(2)使用钢直尺测量各钢筋试件的长度,长度读数精确至1 mm,使用数显游标卡尺测量各钢筋试件的直径,直径读数精确至0.01 mm,钢筋试件的长度和直径分别测量3次后取平均值;(3)采用50 mm定值作为原始标距,并用打点机在试件上打点标记,以便试验完成后测量其伸长率。使用液压万能试验机拉伸试验时,加载过程按钢筋拉伸试验执行标准[10]控制。试件拉断后,用游标卡尺测量试件断后伸长量,最后计算钢筋试件的断后伸长率。

2 结果与分析

2.1 钢筋锈蚀率测量

称重法是目前最常用的测量锈蚀钢筋锈蚀率的方法,通过直接比较钢筋锈蚀前和钢筋锈蚀后的质量差来获取锈蚀钢筋锈蚀程度的大小。与人工加速钢筋锈蚀试验不一样的是在施工现场截取的钢筋试样在未锈蚀前的质量和强度信息是未知的,只能通过钢筋铭牌上的出厂信息获取。根据钢筋的铭牌得出钢筋φ12钢筋的公称横截面积为113.1 mm2,理论质量为0.888 kg/m;φ22钢筋的公称横截面积为380.1 mm2,理论质量为2.980 kg/m。

钢筋锈蚀率也可用名义质量锈蚀率δ来表示[2],其计算公式为

式中:m0为试件的理论质量;mc为试件除锈后的质量。

经过计算统计,各试件的锈蚀率δ分布和各组试件的平均锈蚀率情况如图2所示。

图2 各组锈蚀钢筋试件锈蚀率统计分析图

由图2可知:(1)经过4年时间的锈蚀,钢筋试件在室外露天环境下除锈后的质量与理论质量的偏差超出规范允许值,不能当成正常状态的钢筋继续使用[12],即φ12钢筋B组超出-6%的规范允许偏差值,φ22钢筋B组超出-4%的规范允许偏差值;(2)相同直径大小的钢筋试件的平均锈蚀在室外露天环境要比在室内潮湿环境的平均锈蚀高,反映出室外露天环境下钢筋的平均锈蚀率比室内潮湿环境下的锈蚀率增加显著,φ12钢筋组的平均锈蚀率提高223.05%,φ22钢筋组的平均锈蚀率提高185.27%,说明直径小的钢筋在室外露天环境下较直径大的钢筋质量损失更大。

2.2 伸长率试验

利用液压万能试验机对各锈蚀钢筋试件进行拉伸试验,钢筋的断后伸长率A的计算式为[10]

式中:L0为钢筋拉断前的原始标距;Lu为钢筋的断后标距。

不同环境下锈蚀钢筋的伸长率离散情况较大,试件出现断裂的位置也不尽一致,试件除了部分夹具附近断裂外,也有试件出现在锈蚀情况相对严重的地方断裂,钢筋试件拉伸断裂情况如图3所示。

图3 锈蚀钢筋试件拉伸试验断裂后情况

通过测量和计算得到各试件的断后伸长率A和各组试件的平均断后伸长率,统计分析情况如图4所示。

图4 各组锈蚀钢筋试件伸长率统计分析图

由图4可知:(1)相同直径大小的钢筋试件,锈蚀率低的钢筋试件的平均伸长率比锈蚀率高的钢筋试件的平均伸长率大,即钢筋在室内潮湿环境下钢筋的伸长率比室外露天环境钢筋的伸长率大,反映了锈蚀率大的钢筋塑性变形能力会降低;(2)室外露天环境与室内潮湿环境对比下,φ12钢筋组的平均伸长率劣化值为16.69%,大于φ22钢筋组的平均伸长率劣化值7.94%,同样说明直径小的钢筋在室外露天环境下受锈蚀影响较大,进而伸长率的劣化值相对较大。

2.3 钢筋强度数据分析

锈蚀钢筋的拉伸试验强度分别用名义屈服强度ReL′、名义极限强度Rm′表示[2],计算公式分别为

式中:Fyc为锈蚀钢筋的屈服荷载;S0为钢筋锈蚀前理论截面面积;Fm为锈蚀钢筋拉断后的极限荷载。

通过液压万能试验机自带的数据采集系统记录下每根钢筋试件的屈服荷载大小和极限荷载大小,再利用式(3)、(4)得到各试件的名义屈服强度ReL′和名义极限强度Rm′以及各组试件的平均名义屈服强度和平均名义极限强度统计分析情况如图5所示。

图5 各组锈蚀钢筋试件名义屈服强度和名义极限强度统计分析图

由图5可知:对比室内潮湿环境与室外露天环境,随着钢筋试件的锈蚀率提高,各组锈蚀钢筋试件的名义屈服强度和名义极限强度都有不同程度的劣化减小。

3 锈蚀率与强度指标间相关性分析

为进一步分析不同自然环境下钢筋的锈蚀率与拉伸力学强度指标间的联系,根据试验的结果采用最小二乘法的原理确定不同直径大小的钢筋在不同环境下锈蚀率与名义屈服强度及名义极限强度之间的线性回归方程,并得到指标间的相关性系数,如图6所示。

图6 各组锈蚀钢筋试件钢筋锈蚀率与强度拟合关系图

由图6可知:(1)不同自然环境下钢筋的锈蚀率与拉伸强度值的线性相关系数为负值,表明随着钢筋的锈蚀率增加,钢筋的名义屈服强度和名义极限强度值是逐渐劣化减小的;(2)钢筋锈蚀率与拉伸强度相关性系数值在0.5～1.0之间,表明钢筋锈蚀率与拉伸强度值之间关系为强相关性[12];(3)同种直径大小的钢筋在室外露天环境下比在室内潮湿环境锈蚀率与拉伸强度的线性相关性绝对值大,表明随着环境因素对钢筋锈蚀率的影响增大,锈蚀率大的钢筋对其拉伸强度影响更显著。

4 物理力学指标的概率统计分析

为了探索环境因素对钢筋锈蚀的影响形态,检验分析相同自然环境条件下对不同直径大小钢筋锈蚀后的物理力学参数值影响的概率分布,采用文献[13]推荐的偏斜度、峰度检验法检验指标参数是否服从正态分布。

偏斜度的计算公式为[13]

峰度的计算公式为[13]

设

拒绝域为[13]

当偏度系数u1和峰度系数u2的绝对值均小于1.96时,则认为分析的数据在概率分布统计上服从正态分布。

通过利用公式(5)、(10)对不同直径大小的钢筋在相同自然环境下锈蚀后的物理力学指标进行概率分布检验,结果如表1所示。由表1可知,在同种环境下,不同直径钢筋锈蚀后的锈蚀率、伸长率、名义屈服强度、名义极限强度数值虽然具有离散性,但在概率统计上均服从正态分布。

表1 锈蚀钢筋物理力学指标统计分布规律

5 结论

(1)随着钢筋锈蚀率的增加,钢筋的物理力学性质均出现不同程度的劣化,公称直径较小的锈蚀钢筋试件在室外露天环境下质量损失和伸长率劣化速率更大。

(2)对钢筋锈蚀率和拉伸强度之间相关性关系进行线性拟合,表明钢筋锈蚀率与其名义屈服强度和名义极限强度值之间关系呈负的强相关性。

(3)不同直径大小的钢筋在相同环境下锈蚀后的物理力学指标在概率统计上服从正态分布。

由于钢筋在自然环境中的锈蚀与外部环境、自身抗锈蚀能力、时间等复杂因素有关,本文所取钢筋试件的试验工况较单一,钢筋锈蚀率与锈蚀时间及钢筋自身特性等的关系有待进一步研究。