自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验_张伟平

第22卷 第2期2009年3月
中 国 公 路 学 报
China Journal of Hig hw ay and T ransport
Vol.22 No.2
M ar.2009
文章编号:1001-7372(2009)02-0053-06
收稿日期:2008-06-12
基金项目:教育部科学技术研究重点项目(105070)作者简介:张伟平(1973-),男,浙江金华人,副教授,工学博士,博士后,E -mail:weiping_zh @tong 。

自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验
张伟平1,李士彬1,2,顾祥林1,朱慈勉1
(1.同济大学建筑工程系,上海 200092; 2.山东建筑大学土木工程学院,山东济南 250101)
摘要:为研究锈后钢筋疲劳性能退化规律,在考虑锈蚀率和应力范围影响的基础上,对28根混凝土中自然锈蚀钢筋试件进行轴向拉伸疲劳试验。

经统计回归,建立了考虑锈蚀率影响的锈蚀钢筋疲劳曲线方程,给出了不同保证率、不同预期疲劳寿命下自然锈蚀钢筋容许应力范围的建议值。

同时,通过锈蚀钢筋疲劳断口扫描电镜的对比分析,解释了锈蚀钢筋疲劳性能的退化规律。

研究结果表明:锈后钢筋应力范围与疲劳寿命的对数关系仍呈线性,但疲劳寿命显著降低,且应力范围越大其降低幅度越大;断口瞬时断裂区面积比随着应力水平的提高而增加,且锈蚀越严重,其增长速度越快。

关键词:桥梁工程;自然锈蚀钢筋;轴向拉伸疲劳试验;疲劳寿命;容许应力范围中图分类号:U 441.4 文献标志码:A
Experiment on Axial Tensile Fatigue of Naturally Corroded Steel Bar
ZH ANG We-i ping 1,LI Sh-i bin 1,2,GU Xiang -lin 1,ZH U C-i mian 1
(1.Department of Building Eng ineer ing,T ong ji U niversit y,Shanghai 200092,China;2.Schoo l o f Civil Eng ineering ,Shandong Jianzhu U niv ersity ,Jinan 250101,Shandong,China)
Abstract:In order to study degener ate rule o f fatig ue pr operties of cor roded steel bar,considering the corro ded ratio and stress rang e,tensile fatig ue tests w ere conducted o n 28naturally co rroded
steel bars em bedded in concrete.Regr ession equation o f the fatigue curve w as established fo r cor roded steel bars on the basis o f taking into account the effect o f reinforcement corrosion on the fatigue proper ties.Then,sugg ested values of the allow able str ess r anges cor respo nding to different targ et fatig ue lives under the specified ensuring pr obability were pr opo sed for co rroded steel bars.Through the com pariso n analysis of fatigue ruptur e section of co rroded steel bar by scanning electro n m icroscope,deg enerate rule of fatigue pro perties of co rroded steel bar w as ex plored.Results indicate that the relatio nship betw een str ess r ange and fatig ue life on a logarithmic scale fo r steel bars w ith differ ent corrosion degr ees show s linear as uncorro ded ones.H ow ev er,a sig nificant reduction of the fatigue life w hich increases w ith the increase o f stress rang e is o bser ved for co rroded steel bars.T he impact of r einfor cement cor rosion on fatig ue pro perties is backed up by the ratio o f ar ea betw een instantaneous r upture zone and fatig ue ruptur e section w hich g oes up w ith the increasing of stress level and corro ded degree.
Key words:bridg e eng ineering;naturally corro ded steel bar;ax ial tensile fatig ue test;fatig ue life;allow able stress rang e
0引言
钢筋锈蚀已成为混凝土结构耐久性退化的主要原因之一。

混凝土中钢筋发生锈蚀后,钢筋有效截面积减小,锈蚀钢筋力学性能发生劣化,混凝土保护层锈胀开裂甚至脱落,混凝土与钢筋之间的黏结性能发生退化乃至丧失,最终导致锈蚀钢筋混凝土构件承载能力降低、使用功能衰退。

伴随着桥梁结构的老龄化以及交通流量的增加、车载的增大、使用环境的恶化,大量锈蚀钢筋混凝土桥梁迫切需要进行安全性评价和剩余疲劳寿命预测,而研究锈蚀钢筋的疲劳性能是正确评价并延长疲劳荷载下锈蚀钢筋混凝土构件使用寿命的基本前提。

锈蚀钢筋静力拉伸试验表明[1-2],随着钢筋锈蚀的发生与发展,钢筋屈服强度和极限强度降低、延伸率减小,屈服平台缩短甚至消失。

尽管对锈蚀钢筋静力性能的退化已有大量研究,但对其疲劳性能的研究却很少[3]。

曹建安等[4]从实际桥梁退换下的老化构件中截取锈蚀钢筋进行了疲劳试验。

试验结果表明,钢筋锈蚀后,由于有效截面积减小及屈服强度和变形能力降低等因素,其疲劳强度明显降低,而且锈蚀钢筋疲劳极限应力现象趋于消失。

由于钢筋数量有限,该试验在进行结果分析时未考虑钢筋锈蚀率的影响。

国外学者[5-6]通过拉压低周疲劳试验发现锈蚀钢筋疲劳寿命和延性均显著降低。

基于此,本文中笔者从实际老化混凝土构件中获取28根自然锈蚀钢筋试件,固定应力比为0.1,在IN ST RON8502型全数字控制电液伺服疲劳试验机上进行单轴拉伸疲劳试验,分析锈蚀钢筋轴向拉伸疲劳性能退化规律,建立考虑锈蚀率影响的自然锈蚀钢筋疲劳曲线方程,并给出不同保证率、不同预期疲劳寿命下的自然锈蚀钢筋容许应力范围的建议值,为锈蚀钢筋混凝土桥梁剩余寿命的评估奠定基础。

1试验
1.1试件概况
自然锈蚀钢筋试件取自于1983年建成的上海某厂房屋顶花架梁,混凝土中的钢筋锈蚀主要是由碳化引起的。

该屋顶花架梁常年闲置,可以忽略荷载历史对试验结果的影响,这与桥梁中钢筋锈蚀与疲劳荷载的同步作用有所不同。

清除锈蚀钢筋表面的混凝土后,用切割机将其截成长约400mm的试件,共计32根。

在切取钢筋试件时,尽可能使试件锈蚀最严重部位位于中间,并除去两端的毛刺。

花架梁原始设计图纸中标明,钢筋在锈前为公称直径6.5m m的光圆钢筋,这与花架梁破型后得到的基本未发生锈蚀的钢筋状况相吻合。

受现场条件限制,没有取到未锈蚀的对比试件。

为弥补这个缺陷,将同批7根锈蚀较轻且较均匀的钢筋(称为A0系列)精加工成直径4.00mm左右的光圆试件,其中3根用于测试未锈蚀钢筋的静力性能,3根用于测定未锈蚀钢筋的疲劳性能,1根用于推算锈蚀前钢筋的密度和化学成分。

实测得到的锈前钢筋屈服强度平均值、极限强度平均值分别为267.4、423.3M Pa,极限延伸率平均值为23.6%,密度为7.85@103kg#m-3,五大元素含量(质量分数,后文同)见表1。

表1实测钢筋五大元素含量
Tab.1Contents of Five Chemical Elements of
Tested Steel Bars
化学元素C Si M n S P
含量/%0.4400.2200.5800.0150.008 1.2钢筋锈蚀率的测定
收集所有自然锈蚀钢筋试件,按照5普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法6(GBJ82)85)要求,用质量分数为12%的盐酸溶液对锈蚀钢筋试件进行酸洗,清除钢筋表面的锈蚀产物和混凝土。

然后,经清水漂洗后用石灰水中和,再以清水冲洗干净。

放入干燥器中存放4h后取出,用电子天平称取钢筋试件的锈后质量m c,用钢尺量取每根试件的实际长度,并用尼龙绳在钢筋的端部系好塑料标签。

利用实测试件的长度、锈前公称直径和实测密度,计算自然锈蚀钢筋试件的锈前质量m0。

按照式(1)计算锈蚀钢筋试件的质量损失率(锈蚀率)G s
G s=m0-m c
m0
@100%(1)锈蚀率实测结果见表2。

从表2可以看出,自然锈蚀钢筋的锈蚀率在14.5%~37.9%之间。

1.3轴向拉伸疲劳试验
钢筋轴向拉伸疲劳试验均在山东大学力学工程测试中心的INSTRON8502型全数字控制电液伺服疲劳试验机上进行(图1)。

试验时采用荷载控制,按正弦波加载,应力比(最小应力与最大应力的代数比值)统一取0.1,应力水平(锈蚀钢筋最大应力与锈前钢筋极限强度之比)取0.4~0.6,加载频率为5~10H z。

疲劳试验机的加载范围为-250~250kN,荷载精度为0.5%,
54中国公路学报2009年
表2
锈蚀钢筋疲劳试验参数及结果
Tab.2
Test Parameters and Results f or Fatigue Test of Corroded Steel Bars
系列
编号
钢筋序号长度/mm 锈后质量/g
锈前质量/g 锈后直径/mm
锈前直径/
m m 平均锈蚀率/%荷载均值/kN 荷载幅值/kN 应力范围/
M Pa 频率/Hz 疲劳寿命/次A 0
N1
15019.1 4.540.00 2.33 1.90235.482703877N215019.1 4.540.00 2.10 1.72211.8103631565N315018.9 4.500.00 1.83 1.50188.3105244688A 15
A 20
A 25
A 30
A 35
N4N5
N6N7N8N9N10N11
N12N13N14N15N16
N17N18N19N20N21
N22N23N24N25
N26N27N28
414410460413424407407407408409410407408410410406407385409408407326423407408
919110192939084858485858079798079767075757658727066107.8106.8119.8107.6110.5106.0106.0106.0106.3106.5106.8106.0106.3106.8106.8105.8106.0100.3106.5106.3106.084.9110.2106.0106.3
5.97
6.005.976.015.965.995.795.825.785.815.805.655.605.595.635.625.505.435.455.465.505.375.255.285.12
6.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.506.50
15.6214.7915.7114.4815.8015.1120.7719.8320.9620.2220.4124.5425.6726.0325.0925.3028.3230.2029.6029.4328.3131.7034.6633.9737.90
3.953.553.073.062.632.663.823.763.373.332.903.573.483.182.982.723.423.273.022.942.612.742.342.061.62
3.232.902.522.522.152.183.133.072.762.722.373.142.852.602.442.232.782.682.472.402.132.241.951.691.32
230.7205.2179.6176.2153.9153.2235.3231.1210.6205.7179.9233.4230.8212.0196.4179.9233.9231.1211.6205.4179.6197.7179.5154.0128.3
8101010101088101010881010108810101010101010
65204710825852637046511837454794234567462552293807821628846421188102828095753773076816611247441560331276793107490432552525828126709432653344482630000005000000
图1
钢筋疲劳试验装置Fig.1
Setup f or Fatigue Test of Steel Bars
应变精度为0.005%。

试验前,首先根据实测锈蚀率将锈蚀钢筋分为
5组,即A 15、A 20、A 25、A 30、A 35系列,对应的锈蚀率分别约为15%、20%、25%、30%、35%,每组有4~6根钢筋,对应于不同的应力范围(最大应力与最小应力的代数差)以获取不同锈蚀率钢筋的疲劳曲线。

钢筋的质量锈蚀损失率等于平均截面锈蚀损失率,因此利用实测钢筋质量损失率G s 和锈前公称直径D 0,可以按式(2)获得锈蚀钢筋平均截面积A sc
A sc =14
P D 20(1-G s )(2)
由于难以获得锈蚀钢筋最小截面或破坏截面的实际面积,本文中对锈蚀钢筋应力和强度均值采用
平均截面积衡量的名义应力和名义强度。

根据应力水平、应力比、锈前钢筋极限强度和锈蚀钢筋的平均截面积计算疲劳加载均值和幅值。

钢筋试件疲劳试验参数见表2。

55
第2期 张伟平,等:自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验
2试验结果分析
固定应力比情况下未锈蚀钢筋的等幅疲劳性能
通常用双对数坐标系下应力范围S r 和疲劳寿命N 的关系(疲劳曲线)表示,见式(3)
lg N =A -m lg (S r /M Pa )
(3)
式中:m 、A 均为材料常数。

图2为不同锈蚀率钢筋的疲劳曲线,为考虑锈蚀钢筋均匀截面积损失的影响,将S r 用按钢筋均匀锈蚀计算获得的名义应力范围S cr 代替。

从图2可以看出:不同锈蚀程度钢筋的疲劳曲线在双对数坐标系下仍呈线性;与未锈蚀钢筋相比,同等应力范围下随锈蚀发展,
锈蚀钢筋的疲劳寿命显著降低。

图2自然锈蚀钢筋的S cr -N 疲劳曲线Fig.2
S cr and N Fatigue Curves f or Naturally
C orroded Steel Bars
图3为不同应力范围下钢筋锈蚀率与疲劳寿命对数值的关系。

图3进一步说明,当名义应力范围恒定时,随着钢筋锈蚀率的增加,自然锈蚀钢筋疲劳
寿命的对数值线性递减。

需要说明的是,此时疲劳寿命绝对值骤减,譬如,当S r =180M Pa 时,与未锈蚀钢筋(A 0系列)相比,对应于A 15、A 20、A 25、A 30、A 35系列的自然锈蚀钢筋,疲劳寿命对数值分别减小4.4%、6.6%、7.8%、9.2%、15.9%,而其绝对值分别降低了49.7%、64.1%、70.2%、75.8%、91.5%。

钢筋锈蚀率达到15%左右后,受钢筋疲劳断裂控制的既有锈损混凝土桥梁构件,在服役至使用年限的一半后便可能需要替换或加固。

此外,图2中自然锈蚀钢筋的疲劳曲线斜率m 随锈蚀率的增大而增大,这表明,同等锈蚀率条件下名义应力范围越大,锈蚀对疲劳寿命的影响越大。

随着经济的发展,在过去几十年里交通流量和车辆载质量不断增加,导致桥梁构件中钢筋承受的应力范围呈增大的趋势,因此,实际锈蚀对既有桥梁构件疲劳寿命的影响程度要比上述等幅疲劳荷载作用下
的锈蚀钢筋疲劳试验预测结果更严重。

即使交通流
图3钢筋锈蚀率对疲劳寿命对数值的影响Fig.3
Influences of C orroded Ratios of Steel Bar on Logarithmic Values of F atigue Lives
量和载质量没有明显增加,由于锈蚀引起的截面损失也会导致钢筋的名义应力范围有所增大。

3疲劳曲线方程和容许应力范围
表2中任意系列自然锈蚀钢筋中2个试件的平均锈蚀率都是不同的。

由图2可见,自然锈蚀钢筋的疲劳曲线在双对数坐标系下仍为直线,假设疲劳曲线中的参数A 、m 均与截面锈蚀率线性相关,基于表2的试验结果,经多元线性回归可建立自然锈蚀钢筋的疲劳曲面方程,即不同锈蚀率钢筋的疲劳曲
线方程,如式(4)所示,其相关系数为0.9716 lg N =(15.138+0.086G s )- (3.687+0.051G s )lg (S cr /M Pa )-k R A (4)式中:k 为保证率影响系数,假定疲劳寿命的对数值服从正态分布,则保证率为50%、95%、97.7%时k 分别等于0、1.645、2;R A 为自然锈蚀钢筋疲劳寿命统计样本的标准差,统计回归得R A =0.2426e
1.754G
s。

根据式(4),给定钢筋锈蚀率和应力范围可以预测指定保证率下的锈蚀钢筋疲劳寿命。

反之,给定钢筋锈蚀率和预期疲劳寿命可以确定指定保证率下的锈蚀钢筋容许应力范围。

表3为不同锈蚀率钢筋在不同保证率、不同疲劳寿命下的容许应力范围建议值(应力比为0.1)。

4疲劳断口形貌分析
从疲劳断裂的钢筋断裂处截取长约1cm 的试
样,在酒精溶液中对试件断口进行超声波清洗,然后采用日本产DSCN2215型金相显微镜进行钢筋断口宏观形貌的扫描,采用日本产S -2360N 型电子显微镜进行钢筋断口微观形貌的扫描电镜分析。

宏观形貌分析表明,锈蚀钢筋和未锈蚀钢筋疲劳断口均具有明显的裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区(瞬断区),见图4。

锈蚀钢筋的疲劳断裂一
56中 国 公 路 学 报 2009年
表3
自然锈蚀钢筋容许应力范围建议值
Tab.3
Suggested Values of Allowable Stress Range of Naturally C orroded Steel Bars
保证率
/%
预期疲劳寿命/106次
不同锈蚀率(%)下的容许应力范围/M Pa 0510152025303550.0
95.0
97.7
12
3
51012
351012
3510
300.92249.34223.37194.47161.15234.53194.34174.10151.57125.60222.25184.16164.98143.64119.02
267.42224.30202.37177.78149.11206.71173.38156.43137.42115.26195.53164.01147.98129.99109.03
241.09204.39185.56164.30139.28185.72157.45142.95126.57107.30175.55148.83135.13119.64101.43
219.95188.24171.85153.22131.13168.16143.91131.38117.14100.25158.69135.81123.98110.5594.61
202.66174.92160.48143.97124.26153.59132.56121.63109.1294.18144.68124.87114.56102.7888.70
188.32163.76150.91136.15118.40141.32122.90113.26102.1888.86132.83115.52106.4596.0483.51
176.25154.31142.78129.47113.36130.82114.53105.9896.0884.13122.66107.4099.3790.1078.89
165.97146.22135.78123.68108.96121.70107.2299.5790.6979.90113.82100.2893.1184.8274.73
图4锈蚀钢筋疲劳断口典型宏观形貌Fig.4
Typical Macro -patterns for Fatigue Rupture
Sections of C orroded Steel Bars
般经历蚀坑生核、蚀坑发展到短裂纹生核、短裂纹发展、长裂纹发展直至突然断裂4个重要的阶段。

锈蚀钢筋疲劳断裂面基本发生在较大锈坑处,锈坑附
近截面急剧变化产生的应力集中促成疲劳裂纹的产生与扩展,从而降低疲劳寿命。

此外,锈蚀钢筋疲劳断裂一般发生在最薄弱的截面,该截面实际面积小于平均截面积,这说明沿钢筋纵向的不均匀锈蚀会进一步削弱钢筋的疲劳性能。

微观形貌分析表明,在锈蚀钢筋的疲劳裂纹源区可见到放射条纹和沟线汇集于表面锈蚀坑,随锈
蚀率和应力水平的增加,源区数量逐渐呈增加趋势,为多个疲劳源同时萌生。

在疲劳裂纹扩展区,为韧窝形貌和疲劳辉纹,同等应力水平下锈蚀率越大,疲劳辉纹越少。

图5为一组典型的疲劳断口电子显微镜扫描图片。

图5锈蚀钢筋疲劳断口典型微观形貌Fig.5
Typical Micro -patterns for Fatigue Rupture
Sections of Corroded Steel Bars
57
第2期 张伟平,等:自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验
将锈蚀钢筋疲劳断口的扫描图片导入图形分析
软件,然后分别量测整个断口和瞬时断裂区的面积,最后计算瞬时断裂区占钢筋断口的面积比,即瞬时断裂区面积比。

图6为2组不同锈蚀率钢筋的应力
水平与瞬时断裂区面积比的关系曲线。

从图6可以看出,随着应力水平的提高,应力范围相应增大,瞬时断裂区面积比也增加,且锈蚀越严重,瞬时断裂区面积比增长越快。

一方面,锈蚀率越大,相同应力水平增量引起的瞬时断裂区面积比的增长越显著,这解释了相同应力范围(应力水平)下,随着钢筋锈蚀率的增大,疲劳寿命显著降低的试验现象;另一方面,相同锈蚀率下,应力水平越高,钢筋锈蚀引起的瞬时断裂区面积比的增长越明显,这解释了同等锈蚀率下,应力水平越大,疲劳寿命的降低幅度越大的
试验现象。

图6应力水平-瞬时断裂区面积比的关系曲线Fig.6
Relation C urves of Stress Levels and Area Ratios of Instantaneous Rupture Zone
5结语
(1)自然锈蚀钢筋拉伸疲劳试验表明,随着锈蚀
的发生与发展,自然锈蚀钢筋的名义应力范围与疲劳寿命在双对数坐标系下仍保持线性关系,但在同等应力范围条件下,锈蚀钢筋的疲劳寿命急剧下降,其下降幅度随着应力范围的增大而增大。

(2)经统计回归分析,建立了自然锈蚀钢筋的应力范围-疲劳寿命-钢筋锈蚀率间的疲劳曲面方程,并给出了不同保证率、不同预期疲劳寿命下自然锈蚀钢筋容许应力范围的建议值。

(3)随锈蚀率或应力水平增加,疲劳裂纹源区数量逐渐增加,疲劳辉纹逐渐减少,瞬时断裂区面积比增大,且应力水平越高、锈蚀率越大,瞬时断裂区面积比增大越显著,这从微观上解释了锈蚀钢筋疲劳性能的退化规律。

参考文献:References:
[1] 张伟平,商登峰,顾祥林.锈蚀钢筋力学性能研究现状
分析[J].工业建筑,2005,35(增):706-709.
ZHA N G W e-i ping,SHA N G D eng -feng ,G U Xiang -lin.Stat e -o f -the -art o f the M echanical Pr operties of Cor -roded Steel Bar s[J].Industrial Construction,2005,35(S):706-709.[2]
张伟平,商登峰,顾祥林.锈蚀钢筋应力-应变关系研究[J].同济大学学报:自然科学版,2006,34(5):586-592.
ZHA N G W e-i ping,SHA N G D eng -feng ,G U Xiang -lin.St ress -str ain Relationship of Corr oded Steel Bars [J].Jo ur nal of T ong ji U niversit y:Nat ur al Science,2006,34(5):586-592.[3]
王大宏,范 猛.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算[J].建筑科学与工程学报,2006,23(3):61-65.WA N G Da -hong ,FA N M eng.F lex ur al Bear ing Cap -acity Calculation o f Co rr oded Reinfor ced Co ncr ete
Beams[J].Journal of A rchitecture and Civ il Eng in -eer ing,2006,23(3):61-65.
[4]
曹建安,文雨松.锈蚀钢筋的疲劳试验研究[J].长沙铁道学院学报,1998,16(4):15-18.
CA O Jian -an,WEN Yu -song.Fatigue Experimental Study on Cor rosion Reinfo rcement [J ].Jour nal o f Changsha Railway U niver sity,1998,16(4):15-18.[5]
A PO ST OL O POU L O S C A ,PA P ADA O PO U LO S M P.T ensile and Lo w Cycle Fatigue Behav ior o f Cor ro ded Reinforcing Steel Bar s S400[J ].Constructio n and Building M aterials,2007,21(4):855-864.[6]
A POST OL OP OU L O S C A.M echanical Behavio r o f Co rr oded Reinfor cing Steel Bar s S500s T em pcor e U nder L ow Cycle Fat igue[J].Constructio n and Build -ing M aterials,2007,21(7):1447-1456.
58中 国 公 路 学 报 2009年。