【摘要】 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)被越來越多的應(yīng)用到隧道及邊坡加固工程中，這些工程因外界環(huán)境較復(fù)雜，常存在失效破壞現(xiàn)象。本文根據(jù)鋼筋疲勞破壞的規(guī)律及鋼筋銹蝕的理論，采用鋼筋軸向拉伸疲勞試驗(yàn);利用疲勞試驗(yàn)所得試件，選取pH值和時(shí)間作為影響桿件腐蝕的主要因素，并對(duì)各因素正交組合后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力桿件的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，以分析疲勞荷載與腐蝕介質(zhì)耦合作用下預(yù)應(yīng)力桿體的疲勞銹蝕性能。

【關(guān)鍵詞】 預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于其受力性能良好，能充分發(fā)揮材料的潛能，具有施工快速、安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已在解決我國(guó)公路建設(shè)工程難題中得到廣泛應(yīng)用。然而，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)功能衰退是一個(gè)不可逆的耐久性裂化過程。在過去預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算中，并未考慮其長(zhǎng)期耐久性問題。有關(guān)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)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(shí)踐，大部分的設(shè)計(jì)只能依靠經(jīng)驗(yàn)和工程類比的方法來確定[1-4]。

本文在鋼筋疲勞破壞規(guī)律及鋼筋銹蝕理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了預(yù)應(yīng)力桿體在疲勞荷載與腐蝕耦合作用下的試驗(yàn)研究方法，基于室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)成果，分析了預(yù)應(yīng)力桿件在疲勞荷載及腐蝕介質(zhì)耦合作用下的物理力學(xué)性能衰減規(guī)律，提出了單位長(zhǎng)度腐蝕量與各影響因素之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介及試驗(yàn)結(jié)果的處理

1.1 鋼筋軸向拉伸疲勞試驗(yàn)

1.1.1 試件概況

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

試驗(yàn)選用長(zhǎng)約400 mm、直徑6.5 mm、極限抗拉強(qiáng)度460 Mpa的Q235鋼筋，依據(jù)每根鋼筋設(shè)計(jì)的受拉次數(shù)進(jìn)行編號(hào)，在疲勞試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行長(zhǎng)度、直徑、重量測(cè)量。

1.1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)參考GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》[5]，試驗(yàn)采用控制荷載循環(huán)次數(shù)，按正弦波等幅加載，應(yīng)力水平為0.8（即桿體極限強(qiáng)度的80%），荷載變幅在加載應(yīng)力的基礎(chǔ)上±10%，加載頻率為10 Hz。試驗(yàn)過程中，通過疲勞機(jī)的主控計(jì)算機(jī)來控制加載并采集波形和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)

基于實(shí)際工況，對(duì)各影響因素進(jìn)行排列組合設(shè)計(jì)。主要考慮因素為：1）pH為4的酸性環(huán)境、pH為9的堿性環(huán)境;2）試驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)月、二個(gè)月、三個(gè)月三個(gè)腐蝕時(shí)間。室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)中，在設(shè)定腐蝕時(shí)間達(dá)到后將鋼筋取出，去除表面鐵銹，再次測(cè)量鋼筋的直徑、質(zhì)量。

本試驗(yàn)的結(jié)果分析采用單位長(zhǎng)度腐蝕量法，即腐蝕前的質(zhì)量與長(zhǎng)度的比值和腐蝕后的質(zhì)量與長(zhǎng)度的比值的差。如下式所示：

[lr=m-m=m-ML]

式中：[lr]——單位長(zhǎng)度腐蝕量（g/cm）;

[m]——腐蝕前鋼筋單位長(zhǎng)度質(zhì)量（g/cm）;

[m]——腐蝕后鋼筋單位長(zhǎng)度質(zhì)量（g/cm）;

M——腐蝕后鋼筋的質(zhì)量（g）;

L——腐蝕后鋼筋的長(zhǎng)度（cm）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼筋軸向拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)試件進(jìn)行不同次數(shù)的軸向拉伸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果記錄如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)鋼筋進(jìn)行不同次數(shù)的軸向拉伸疲勞試驗(yàn)，拉伸后鋼筋均變長(zhǎng)，隨著疲勞拉伸次數(shù)的增加，鋼筋的伸長(zhǎng)量、伸長(zhǎng)率也增加，與此同時(shí)，鋼筋的直徑減小。在外觀規(guī)律性表現(xiàn)方面，對(duì)比疲勞試驗(yàn)前后的鋼筋試件可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)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(yàn)次數(shù)增加而愈發(fā)嚴(yán)重。

2.2 室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

A、B兩組鋼筋加速腐蝕一個(gè)月后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案測(cè)量試件的重量、長(zhǎng)度和直徑，計(jì)算其單位長(zhǎng)度銹蝕量。

一個(gè)月后對(duì)取出的鋼筋試件觀察后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于酸性腐蝕介質(zhì)（pH=4）內(nèi)的鋼筋，經(jīng)過一個(gè)月的加速腐蝕，鋼筋表面主要表現(xiàn)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(shù)的鋼筋試件表現(xiàn)出相似的腐蝕現(xiàn)象。對(duì)于堿性腐蝕介質(zhì)內(nèi)的鋼筋，鋼筋表面大部分腐蝕較淺，少部分區(qū)域腐蝕較嚴(yán)重。腐蝕較嚴(yán)重區(qū)域存在少量的條紋，且不明顯。

對(duì)取出的鋼筋試件，計(jì)算其單位長(zhǎng)度銹蝕量，繪制柱形圖，如圖1所示。

兩個(gè)月后取出鋼筋，進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，酸性介質(zhì)中的鋼筋腐蝕較均勻，表層存在黑色腐蝕物質(zhì)，腐蝕物質(zhì)較軟，潮濕狀態(tài)下為泥狀，干燥狀態(tài)為粉狀;而堿性介質(zhì)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(zhì)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，在此化學(xué)反應(yīng)中，陽(yáng)極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe→Fe2+2e-。在陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)：O2+4e-+2H2O→4OH-。鋼筋銹蝕機(jī)理如圖2所示[6]。

對(duì)取出的鋼筋試件，計(jì)算其單位長(zhǎng)度銹蝕量，繪制柱形圖，如圖3所示。

四個(gè)月后取出鋼筋，進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，酸性介質(zhì)中的鋼筋表面覆蓋有較細(xì)碎紅褐色氧化物，濕潤(rùn)狀態(tài)下呈軟泥狀，干燥情況下輕觸即掉落，如圖4所示。堿性介質(zhì)中鋼筋表面生成一層較厚的深紅褐色氧化物，干燥后會(huì)整體脫落，如圖5所示。

對(duì)取出的鋼筋試件，計(jì)算其單位長(zhǎng)度銹蝕量，繪制柱形圖，如圖6所示。

對(duì)腐蝕試件處理后，得到鋼筋在酸性介質(zhì)和堿性介質(zhì)中單位長(zhǎng)度腐蝕量分布范圍，將數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

2.3 腐蝕規(guī)律分析

通過外觀觀察發(fā)現(xiàn)，腐蝕初期試件表面主要表現(xiàn)為密集的條紋狀或絲狀，四個(gè)月后逐漸演化為點(diǎn)狀或坑槽狀腐蝕。在腐蝕裂紋的發(fā)展階段，金屬組織結(jié)構(gòu)由于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生變化，同時(shí)應(yīng)力集中于裂紋尖端，組織結(jié)構(gòu)被撕裂，最終形成坑槽狀的局部腐蝕孔洞。

通過對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析可知，在同一腐蝕介質(zhì)內(nèi)的試件，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的腐蝕量變化趨勢(shì)基本一致，但是堿性介質(zhì)中的腐蝕速率較低，而酸性介質(zhì)中的腐蝕速率整體呈增大趨勢(shì)，且疲勞拉伸次數(shù)多的試件，其單位長(zhǎng)度腐蝕量一直保持著較大值。

3 結(jié)論

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

1）鋼筋伸長(zhǎng)率隨疲勞拉伸次數(shù)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(shù)增加而增大。

2）隨腐蝕時(shí)間增長(zhǎng)，鋼筋表面開始為絲狀腐蝕，后為點(diǎn)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(zhǎng)度腐蝕量隨著腐蝕介質(zhì)pH值降低、疲勞拉伸次數(shù)增大及時(shí)間的延長(zhǎng)，其腐蝕量將不斷增大，而腐蝕速率在降低。

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【作者簡(jiǎn)介】

張煒熠，男，1992年出生，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榈缆方Y(jié)構(gòu)與材料。