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腐蚀对超高强度钢筋静力性能的影响

摘要：通过抗拉、抗压试验，研究了腐蚀对超高强度(UHS，屈服强度在1000MPa以上)钢筋静力性能的影响。采用加速腐蚀技术来获得不同腐蚀程度的超高强度钢筋。试验共涉及79个试件(拉伸试验16个，压屈试验63个)。通过对试验结果的回归分析，定量分析了腐蚀对超高碳钢抗拉、抗压性能的影响。根据试验结果，建立了超高压钢筋的应力-应变经验曲线模型。该模型能在考虑锈蚀的影响较好地再现超高压钢筋的单调性能，可简便地用于配有超高压钢筋且已被锈蚀的钢筋混凝土结构的承载能力分析。

要点：研究了UHS腐蚀钢筋的力学性能；定量研究了腐蚀对UHS钢筋性能的影响；提出了改进的UHS钢筋应力-应变模型；通过UHS钢筋试验结果验证了改进后的模型

第一章 前言

土木结构中的钢筋混凝土构件的设计大多采用普通钢筋。在某些情况下，这种设计将导致较大的截面面积，或钢筋混凝土构件的钢筋过量问题，对于高层和大跨度结构的钢筋混凝土构件尤为显著[1,2]。最近,高强度,甚至于超高强度(UHS,屈服强度1000MPa以上)钢筋已经被用于民用建筑的建设,给混凝土建筑行业带来了各种好处，如减少加固构件的数量,减少制作材料成本,增加结构的可用空间[3 ,4]。高强度和超高强度钢筋在结构设计中的应用可在钢筋混凝土梁、剪力墙、桥墩、梁柱节点及框架结构中见到[2,3,5,6]。

另一方面，土木结构在使用过程中不可避免地会受到环境腐蚀的影响。钢筋混凝土结构的腐蚀会导致混凝土开裂甚至剥落，配筋截面会减小。所有这些不利影响最终都会导致钢筋混凝土结构承载能力的降低。例如，腐蚀桥梁和钢筋混凝土框架的抗震性能研究表明，腐蚀对于退化结构的弯矩承载力、曲率延性和有效刚度有显著影响。地震激励和腐蚀之间的相互作用可能会导致钢筋混凝土结构出现不利的破坏机制[7-10]。锈蚀对钢筋混凝土结构的影响在世界范围内带来了巨大的维修和加固费用[11]。根据陈的报告，全球每年用于维修和翻新锈蚀钢筋混凝土结构的费用约为1000亿美元[12]。仅在2010年，美国就花费了1300亿美元来修复它的地面交通基础设施[13]。

一个对于锈蚀钢筋混凝土结构剩余承载力的严格评估对于业主或政府官员去制定相应的养护、加固或拆除等政策都具有重要意义。

为了有效地评估锈蚀钢筋混凝土结构的承载能力，必须对锈蚀材料的力学性质进行严格的评估。钢筋是钢筋混凝土结构中最重要的受力构件。因此，钢筋的力学性能和锈蚀对钢筋混凝土结构承载能力的影响是评价锈蚀钢筋混凝土结构承载能力的重要指标。

在过去的几十年中，对这一课题进行了广泛的研究，其中大部分集中在法向强度钢筋上。Kashani等人 [14] 和张等人进行了拉伸试验，以量化腐蚀对锈蚀钢筋屈服应力和极限应力的影响。 Du等人 [16]对锈蚀钢筋的延性进行了试验。 Ou等人 [17]和夏[18]等人研究了锈蚀钢筋的屈服应力、屈服应变、极限应力、极限应变、弹性模量和伸长率等破坏模式和力学性能。 李等人 [19]提出了一种描述锈蚀钢筋力学性能的理论本构模型。它们的结果表明，由于腐蚀，钢筋的力学性质显著减少。Apostolopoulos 和 Papadopoulos [20] 以及 Apostolopoulos[21]进行了低周疲劳试验，以研究腐蚀钢筋的疲劳行为.. 结果表明，钢筋的强度、延性和低周疲劳寿命随腐蚀程度的增加而显著降低。zhang等人 文[15]进行了高周疲劳试验，认为钢筋的疲劳寿命随腐蚀程度和应变范围的增加而减小。 他们还提出了一个经验模型来预测腐蚀增强钢的疲劳寿命。

关于钢筋在压屈作用下的力学性质，大多数研究仅集中在非腐蚀条件下。Cosenza and Prota[22]对正常强度钢筋进行了抗压试验，发现大长细比 的受压钢筋在屈服前弯曲。从理论上分析了临界细长率对屈曲的影响.Monti-Nuti[23]研究了不同长细比的法向强度钢筋的压屈行为。 提出了一种考虑非弹性屈曲影响的解析模型。Dhakal和Maekawa[24]研究了不同几何和力学性能的正强钢筋的压应力-应变曲线。 结果表明，包括屈曲在内的钢筋平均压屈包络仅取决于长细比的乘积和屈服强度的平方根。 本文提出了一个模型来模拟具有任何几何和力学性能的钢筋的压屈应力-应变关系。

Kashani等人[14]首先研究了腐蚀对钢筋在压屈作用下的力学性质的影响。提出了一种预测锈蚀钢筋后屈曲行为的数学模型。然而，他们只研究了正常强度的钢筋。据作者所知，关于腐蚀UHS钢筋的力学性能的报道很少。如上所述，用UHS钢筋设计的钢筋混凝土结构在混凝土建筑行业中越来越受欢迎。实际上，在工程施工中，UHS钢筋的直径小于正常强度钢筋，腐蚀可能会给UHS钢筋带来更严重的影响。超高强度钢筋混凝土结构在腐蚀作用下的力学性能对评价其残余承载力具有重要意义。

本文研究了腐蚀对UHS钢筋拉伸和压屈性能的影响。单调加载试验涉及到广泛的长细比和腐蚀程度。本研究的主要目的是：（1）研究在单调加载下腐蚀UHS钢筋的破坏模式和力学特性；（2）量化腐蚀对UHS钢筋拉伸和压屈性能的影响；（3）提出UHS钢筋的经验应力应变模型，以考虑长细比和腐蚀程度的影响。

第二章 试验安排

2.1样本详情

为了研究锈蚀UHS钢筋的力学性质，单调试验共涉及79个试样（16个用于拉伸试验，63个用于压屈试验）。 对于拉伸试验，测试了3个非腐蚀试样和13个不同腐蚀程度的腐蚀试样。在压屈试验中，采用了9种长细比(L/D=5,7，8,10，12，14，16，20和25)。在每个长细比下，考虑四个腐蚀程度来量化腐蚀的影响。试件的详细试验安排总结见表2.1

试件直径为13mm，是UHS RC结构常用的几何尺寸。根据中国标准[25]，如表2.2所示，测量了UHS钢筋的力学性能。其中，伸长率()是通过标记在试样无支撑长度上的等距标签来测量的。弹性模量定义为通过拉伸试验得到的应力-应变曲线线性部分的斜率。利用应力与应变在线性阶段的比值计算斜率的值。

采用加速腐蚀技术快速模拟钢筋的劣化过程。图2.2给出了试验室加速腐蚀过程。 将UHS加强钢连接到外部电源的正极端，并将不锈钢板连接到负极端。试样和不锈钢板都淹没在氯化钠溶液中（作为电解质，以离子移动）。钢筋的两个端子是用防锈漆涂的，以防止这些地方的腐蚀。这是一种常见的做法，可以避免在试验过程中试样和夹持之间的滑移。

根据法拉第定律调整电化学腐蚀的持续时间：

(2-1)

其中，是试样的质量损失；M是铁的摩尔质量(即为56g/mol)；z是铁元素的价位(即为 2)；F是法拉第常数. t是电化学腐蚀的持续时间；i是电流的大小，可以用i=is来计算，其中i是电流密度(即为0.05[26])，S是钢筋的表面积。

在电化学腐蚀后，根据中国规范[27]对试样进行了完全去除腐蚀产物的清洗。刚毛刷是机械清洗中最常用的一种。然后，用酸洗、刷洗和自来水连续冲洗的方法来清洗腐蚀钢筋。最后，在测量前采用干燥工艺进行测定。图2.2显示了清洗后腐蚀试样的一些样品。

表2.1 试件详情

表2.2 UHS钢筋的拉伸性能

图2.1 腐蚀模拟程序

图2.2 UHS加强钢腐蚀后

锈蚀钢筋的腐蚀程度通常定义为试样的质量损失与非腐蚀试样的原始质量之比[17]

100% （2-2）

其中，q是试样的腐蚀程度（%），是试样的原始质量。

值得注意的是公式（2-2）是试样腐蚀的宏观指标。而实际上，腐蚀往往是随机的且不均匀地分布在钢筋上。为了验证该指示剂的适用性，采用腐蚀程度为24.45%的试样(通过公式获得)，沿长度方向切成几小片，用数字游标卡尺测量各切片的长度和残留直径，并使用高精度称重设备测量质量。

图2.3给出了每个切片沿长度方向的残余直径和质量损失。可以看出，每个切片的残余直径和质量损失在11.6mm和24.45%的平均值附近略有变化。这表明试样的腐蚀沿钢筋长度表现出不均匀的特征。然而，与平均值相比，每个切片之间的质量损失方差相当小。因此，简单地说，分析的过程，宏观指标的方程。 本研究采用公式（2-2）来评估每个试样的腐蚀程度。

值得注意的是，尽管加速腐蚀技术在钢筋腐蚀研究中得到了广泛的应用，但通过这种技术得到的腐蚀模式可能与混凝土内的腐蚀钢筋不同。对于混凝土内部的钢筋，腐蚀可能沿轴向集中在某些位置，其分布可能比通过加速腐蚀技术获得的试样更不均匀。

（a）锈蚀钢筋的残余直径

（b）锈蚀钢筋的质量损失

图2.3 沿钢筋长度的腐蚀分布

2.2试验装置与测量方法

试验采用通用试验机(Q BS-300)在位移控制模式下进行，杆头速度为0.05mm/s。通过液压控制握把固定试样的两个端子。该装置的夹持压力约为20MPa，夹持长度为80毫米。这些设置保证了标本的两个终端在试验期间保持固定。

在拉伸试验中，采用50mm量规长度的伸长计测量非腐蚀试样的变形。记录的值来计算试样的轴向应变。而对于腐蚀试样，钢筋的断裂可能发生在最弱的截面上，最弱的点往往出现在量规长度之外，如其他研究[16，28]所示。因此，腐蚀UHS钢筋的拉伸应变是通过使用试样在整个无支撑长度上的总变形比(用线性变差转换器，LVDT测量)来获得的。

对于压屈试验，已知拉伸仪记录的值在试样屈曲后没有物理意义[22]。因此，在屈曲前，将引伸计附在试样的中间部分，以测量轴向应变。同时，采用LVDT与引伸计一起获得试样屈曲后的平均应变，如图2.4所示，试样的平均应变定义为试样(由LVDT记录)在试样的整个无支撑长度(L)上的总变形, 关于应力，它是由试样(A0)的初始截面表面的施加载荷(F)之比得到的。

图2.4 压屈测试装置

第三章 拉伸试验结果及讨论

3.1观测结果

图3.1在拉伸试验后显示了不同腐蚀程度的试样的断裂形貌。可以看出，试样的断裂形态随腐蚀程度的变化而显著变化。无腐蚀试样的断裂形态(Q=0%)在断裂后呈杯锥状。而轻微腐蚀试样的断口(Q=10.48%)呈杯锥状，呈轻微楔形。随着腐蚀程度的增加(当q=29.28%，Q=35.78%)，试样断裂后呈楔形。 因此，可以得出结论：受拉钢筋随腐蚀程度增加而呈现脆性断裂的趋势。

通过拉伸试验，得到了无腐蚀UHS钢筋的力学性质，如图3.2所示并汇总于表2.1。为了与法向强度钢筋的力学性质进行比较，文献[29-31]给出的法向强度钢筋的结果也被反应在图3.2中。显然，正强度增强钢的延性比UHS增强钢更突出。可以看出，法向强度和UHS增强钢的拉伸应力-应变曲线都由四个部分组成：线性弹性区、屈服平台、应变硬化区和后超相应力区。从图中3.2可以看出UHS钢筋的弹性模量与普通钢筋的弹性模量相同。正常强度钢筋的屈服平台通常是水平的。而UHS钢的屈服平台不明显，且比普通强度钢筋短得多。至于应变硬化区，且与普通强度钢筋相比，UHS钢筋也反应的并不明显。这一趋势验证了以往研究的结果，表明随着屈服应力的增加，该区域会变短[24]。此外，UHS钢筋的后期应力区域比正常强度钢筋更明显。综上所述，UHS钢筋的力学性质可概括为高强度、长后应力区、低延性和短屈服平台。

3.2腐蚀的影响

图7给出了锈蚀钢筋的拉伸应力-应变曲线。图 3.3(a)显示了文献[17]中的正强钢筋结果。可以看出，不同腐蚀程度的曲线具有相似的形状。但钢筋的屈服强度、极限应力和延性随腐蚀程度的增加而降低。钢筋的屈服平台随着腐蚀程度的增加而逐渐缩短，一旦腐蚀程度达到一定的大值，直到最终消失。[18,32–34]。

至于UHS钢筋（图3.3(b)）曲线的形状因腐蚀程度的不同而有很大差异。腐蚀UHS钢筋不存在屈服平台和应变硬化区。与正常强度钢筋相比，应力后区更为明显。此外，UHS钢筋的极限应力、断裂应力和延性随腐蚀程度的增加而显著降低。对于质量损失分别为10.48%、17.3% 、32.6%和41.12%的腐蚀UHS钢筋，其极限应力降低分别为29.1%、34.0%、46.0%和55.5%。 即使腐蚀相当轻微，UHS钢筋的断裂应变也明显降低。例如，质量损失为10.48%的锈蚀钢筋表明断裂应变减少了70.5%。

值得注意的是，质量损失为17.24%的试样显示出50.5%的极限应力降低，而28.53%的质量损失试样的值为40.2%。这是由于最弱截面的局部非均匀点蚀所致，不能用等式（2）的宏观指标来捕捉。这种现象在以往对正强度钢筋的研究中也有观察到[17]。

3.2.1残余应力和断裂应力

残余极限应力和断裂应力是腐蚀钢筋预测腐蚀结构残余承载能力的重要力学性能。研究腐蚀对这两种力学性能的影响，即归一化极限应力和断裂应力。

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