环境侵蚀与荷载耦合作用下钢材力学性能探讨

樊卫江，周 敉，安风明

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：樊卫江（1987－），男，长安大学公路学院硕士研究生，建筑与土木工程专业。

周 敉（1977－），男，长安大学公路学院副教授，桥梁与隧道专业。

安风明（1987－），男，长安大学公路学院硕士研究生，建筑与土木工程专业。

摘 要：钢混组合桩因其施工上的优点广泛应用于大跨径桥梁、码头、钻井平台中，但因其材料受工作环境侵蚀，该结构耐久性面临突出问题。为了合理设计钢护筒，解决护筒参与受力的定量分析问题，本文通过试验对Cl－侵蚀和不同应力水平耦合作用下的钢材力学性能进行了研究。通过对普通热轧钢筋材在不同加载量级和不同腐蚀时间（10h20h30）h耦合作用下的试验研究和数据回归分析，得出了关于钢筋屈服强度值fsd、质量损失率w与荷载量级σ和时间t的双参数近似计算式及锈蚀前后钢筋本构关系变化曲线，并且得出结论：腐蚀时间越长钢筋腐蚀程度越明显；荷载作用加快了钢筋腐蚀的速率，导致钢筋屈服强度降低，质量损失增加，伸长率降低，延性变差。

关键词：钢筋锈蚀试验；时间与荷载耦合作用；数据拟合；钢材本构关系

Abstract：Steel－concrete composite pile construction are widely used in large－span bridges，docks，drilling platforms by its advantages，but the durability of the structure are facing the serious problems，because of material eroded by the work envi－ronment．In order to design steel casing rationally and quantitative analysis the problem considering the force of Casings，It was studied by testing the mechanical properties of the steel under different stress levels coupling Cl－erosion．We obtained an approximate formula about Steel yield strength values（σ），and mass loss rate（w）which has two parameter（one is time the other is the load magnitude）and a constitutive relation curve about corroded and uncorroded steels by doing the research a－bout the ordinary hot－rolled steel and the analysis of data under the coupling effect of different load magnitude and different time．We also get some conclusions：If steel is corroded more time，it will be corroded more obvious；Loads accelerated steel corrosion rate and result in the reduce of steel yield strength；furthermore，The increasing of the mass loss rate and the de－creasing of elongation and ductility deteriorates are also caused by it．

Key words：Steel corrosion test；Time and load coupling effect；Data fitting；Steel constitutive relations

1 前言

大跨径桥梁跨海工程、港口码头作业平台等重大国家基础建设项目正在大力开展，它关系到一个地区的交通便利程度和经济发展情况，甚至关系到一个区域的经济发展规划。对大跨径桥梁、港口码头工程来讲，桩基础以其承载力高、沉降小、施工方便、适用条件广泛等优点广泛应用于上述工程，尤其是钢混合桩基础在这些结构物中得到了广泛的应用，但是钢混合桩基础多用在江水、海水等氯离子侵蚀环境，工作环境较为恶劣，因此其外露钢护筒很容易受到海水中氯离子的腐蚀，在腐蚀达到一定程度后，将影响钢混合桩的整体受力性能，进而在地震、船撞击等偶然荷载作用下，其抵抗能力将会降低，因此研究在环境侵蚀与荷载耦合作用下钢护筒的性能状况很有必要。

20世纪六七十年代国外学者Pourbaix， Hausmann、uhlig等就钢筋混凝土中钢筋的锈蚀问题进行了探讨，着重研究了钢筋脱钝的电化学机理，认为混凝土的碳化及钢筋表面过量的氯离子是引起钢筋脱钝的主要原因。钢筋锈蚀后力学性能方面的研究成果是IShiguro［1］介绍了日本的关于S—N曲线的部分研究成果，结果表明：锈蚀后的钢筋，其塑性性能降低，主要体现在屈服平台的缩短甚至消失、屈强比的增大以及伸长率的降低。Hani R．Samaha和Kenneth C．Hover对在受压荷载作用下的混凝土材料中氯离子的运动规律进行了研究［2］，结果表明：荷载的水平在高于构件的极限承载力达到75％时，混凝土构件的导电量将提高20％以上，而荷载的水平在低于构件的极限承载力75％时，混凝土构件的导电量将不受到荷载影响。国内方面，文献［3－4］对金属构件同时受到腐蚀环境与疲劳应力耦合作用下研究金属损伤主要影响因素时，指出力学因素和化学因素会协同作用对金属造成损伤。何世钦、王海超、贡金鑫对荷载与锈蚀作用下的钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了研究［5－6］，研究表明：荷载对钢筋锈蚀有明显的影响，荷载作用使梁锈蚀加速，钢筋产生不均匀锈蚀，梁的挠度增大，破坏形态发生改变，剩余承载力降低。袁迎曙、余索对锈蚀钢筋混凝土简支梁进行了试验研究［7］，其试验结果表明梁的承载能力和延性有明显退化现象，其破坏形态向脆性破坏转化。邢锋、冷发光等人对处于拉弯状态的混凝土中氯离子的侵蚀性能进行了研究［8］，试验结果显示：在拉应力作用下，混凝土中氯离子的侵蚀速度将会加快。孙洋、刁波对侵蚀环境与荷载耦合作用下钢筋混凝土梁斜截面承载力研究［9］，试验表明：在施加不同量级的荷载、置于质量分数为3％的氯化钠和0．34％的硫酸镁混合溶液的条件下，预加荷载水平越高，抗剪承载力降低越多；环境作用引起箍筋锈蚀造成混凝土与钢筋之间粘结性能退化从而降低了混凝土梁的延性及刚度。论文还给出了锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面承载力计算公式。张伟平、商登峰等就锈蚀钢筋应力－应变关系研究［10］，结果表明：锈蚀后弹性模量基本不变化，名义屈服强度、极限强度按照线性退化，极限延伸率按照近似指数关系退化，论文给出了在试验室和大气环境下锈蚀后钢筋屈服强度和极限强度和极限延伸率的近似公式。综上所述，以上国内外研究成果主要集中于侵蚀环境与荷载耦合作用下混凝土梁中钢筋腐蚀的影响因素、腐蚀后的钢筋性能、腐蚀后混凝土梁的承载能力方面，而对于像钢护筒－钢筋混凝土混合桩这种钢材直接暴露于侵蚀环境中并承受荷载作用下钢材锈蚀后的性能研究资料还较少。本文利用研究钢筋在侵蚀环境下的性能变化来参照分析钢护筒（钢材）在环境侵蚀与荷载耦合作用下的性能规律，通过模拟海水侵蚀环境中钢筋受到荷载和时间耦合作用时钢筋性能的变化情况，对实验数据近似拟合出了关于钢筋屈服强度值fsd、质量损失率w与荷载量级σ和时间t的双参数近似计算式，对后续研究侵蚀环境中钢筋在荷载和时间耦合作用时有一定的参考意义。

2 试验

本文主要通过室内模型试验研究模拟海水环境（人工配制质量分数为5％盐水）钢筋在侵蚀环境中受到不同荷载量级和不同腐蚀时间时的锈蚀情况，研究荷载量级、时间量对钢筋腐蚀屈服强度、质量损失程度、钢筋伸长率等指标的影响。

2．1 试验设计

试验用材料：①直径为14mm HRB400的带肋钢筋长度50cm 12根、长度70cm 27根（如图1所示）；②工字钢基座3个、③夹片锚具3套、④36Ah电瓶一台、⑤溶液箱一个、⑥Na Cl若干。

2．2 试验安排

试验工况由不同加载量级和不同腐蚀时间相互组合而成如表1所示，每组工况有3根钢筋。试验的具体步骤分为以下4步：⑴在溶液箱配置5％的Na Cl溶液；⑵将试验台座经过防腐处理后，将试验钢筋一端车丝后通过螺母固定，另一端安装夹片锚具利用张拉千斤顶张拉到预加力；⑶将试验台座浸泡在Na Cl溶液箱中，将钢筋和电瓶通过导线相连接并按照规定时间进行通电腐蚀；⑷待通电时间达到要求后，取出台座并缓慢松动一侧螺母并取下钢筋冲洗晾干后测其屈服强度、质量损失率、伸长率等指标。试验装置如图1、图2所示。

表1 试验工况详细列表

3 试验结果与分析

文章对10组试验工况的钢筋进行力学实验，得出其具体力学性能，如表2所示。

根据表2数据绘制不同工况下钢筋屈服强度、失重率、伸长率变化曲线，如图3（a－c）所示。

图1 试验装置示意图

图2 钢材初应力施加和锚固装置

表2 钢筋力学性能

注：上表中σ＝0MPa、σ＝30MPa、σ＝60MPa是指试验钢筋两端加荷等级，钢筋失重率、钢筋延伸率下降值均与工况1数据比较所得。

根据文献［10］研究随着锈蚀率的增加，钢筋的弹性模量变化不大，再结合文献［11－12］可绘制出钢筋锈蚀前（工况1）和锈蚀后（工况4、7、10）钢筋本构关系变化曲线，如图3（d－f）所示。

根据试验数据回归分析表明：不同加载量级时，屈服强度回归直线斜率也不相同，外荷载σ＝0MPa时，回归直线斜率为－0．898；σ＝30MPa时，回归直线斜率为－1．245；σ＝60MPa时，回归直线斜率为－1．289。即加荷量级越大，屈服强度值减小越快（如图4）。

图3

图4 σ＝0、σ＝30、σ＝60腐蚀20h钢筋试样

为了消除由外加荷载持续加载（本试验最长为30h）对钢筋屈服强度测定值的影响程度，我们做了如下试验：在钢筋两端加载σ＝100MPa（持荷1 h后卸载），重新测定屈服强度值和正常测试屈服强度值没有差别。对于钢筋伸长率也可得出类似的结论，例如腐蚀时间30h、σ＝60MPa时（如图5）钢筋伸长率下降30．57％，这说明腐蚀时间t、荷载量级σ对钢筋的延性有明显的影响，将会导致钢筋的脆性增加，对结构产生不利的影响。

图5 σ＝60腐蚀30h钢筋试样

利用Matlab软件对试验数据进行拟合曲面分析（如图6～图7）可分别得到关于钢筋屈服强度fsd、质量损失率w（％）和腐蚀时间t、荷载量级σ的关系式：

fsd＝630．5－0．8265t－0．3356σ－0．0065tσ＋0．001402σ2 　（1）

W＝3．43＋1．508t＋1．49σ＋0．1237t2＋0．6169tσ＋0．15σ2（2）

式中：t，σ分别表示腐蚀时间（h）和荷载量级（MPa）

4 结论

1）处于腐蚀环境下的钢材力学性能与腐蚀时间和荷载量级均有密切关系。

图6 屈服强度测定值拟合曲面

图7 质量损失率拟合曲面

2）处于腐蚀环境中的钢材，荷载对腐蚀具有加剧作用，施加荷载较不施加荷载的腐蚀过程快，施加荷载水平越高，腐蚀过程快，荷载的作用是加快了钢材的电化学腐蚀过程。对于这一现象的可能原因是加载量级越大，钢材表面纤维产生微伸长量越大进而产生微缺陷，从而浸泡在Na Cl溶液时，Cl－与钢筋表面接触越充分，所以腐蚀速率会更快，这也能解释在腐蚀时间相同时，钢筋两端加载比不加载时腐蚀要严重。

3）钢材伸长率也和腐蚀时间t、荷载量级σ有关系，处于高应力长时间工作状态下的钢材锈蚀后对其延性有明显的影响，将会导致钢材的脆性增加，当有地震、撞击等偶然荷载作用时对跨海大桥、港口码头等高桩结构在受力时带来不利影响。

由于实验条件有限，本次研究仅对荷载量级σ＝0、σ＝30、σ＝60，腐蚀时间为10h、20h、30h相互组合的工况进行研究，得到了处于腐蚀环境下的钢筋性能与腐蚀时间和荷载量级均有密切关系的结论，通过数据回归分析，得出了关于钢材屈服抗压强度值fsd、质量损失率w与荷载量级σ和时间t双参数的两个近似关系式，对于更高荷载量级和更长的腐蚀时间的研究没有进一步的讨论，这需要在以后进一步的试验研究中讨论。

参考文献

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