李双营，赵建昌

盐湖环境下受腐钢筋力学性能退化规律研究

李双营1,2，赵建昌2

（1. 青海民族大学 建筑工程学院，青海 西宁 810007；2. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

将不同直径的螺纹钢筋270根分别在5%的氯盐溶液、5%的硫酸盐溶液和5%的卤水溶液中，通过稳压直流电加速锈蚀，在不同龄期下用高精密天平称取质量，电子万能试验机拉伸钢筋，测量其锈蚀率、屈服强度、极限抗拉强度、延伸率等。测试数据表明：3种溶液中氯盐溶液的腐蚀最强，且锈蚀率15%为屈服强度的临界点，超过临界点时屈服平台消失，表现出明显的脆性，伸长率减小。在钢筋锈蚀机理的基础上得出钢筋锈蚀层厚度的数学模型，以及钢筋锈蚀的三段论、两段轮的本构关系，同时得出伸长率与锈蚀率、钢筋极限抗拉强度之间基本服从线性关系，进一步得出锈蚀钢筋力学系性能的退化规律。

锈蚀钢筋；盐湖溶液；力学性能；退化规律

Metha教授曾在“混凝土耐久性——五十年进展”报告中指出，当今世界混凝土破坏的原因，按重要性递减顺序排列是钢筋锈蚀冻害、物理化学作用[1]。美国材料咨询委员会在1987年的年度报告中指出，全美有25 300座混凝土桥处于不同程度损伤，以每年35 000座的速度在不断增加[2]。北京西直门立交桥在建成运行20年之后，钢筋锈蚀情况就十分严重，为了保证安全运行最终只能组织进行重修[3]。Maslehuddin将钢筋自然暴露于空气中加速锈蚀了6组不同直径和不同成分的钢筋，并研究了锈蚀后的力学性能，表明锈蚀对钢筋的真实屈服强度和极限强度的影响较小[4]。袁迎曙通过加速锈蚀获取了不同锈蚀程度的钢筋并进行拉伸试验，结果表明锈蚀率小于5%的均匀锈蚀钢筋力学性能变化不明显，锈坑对钢筋的力学性能有明显影响[5]。青海盐湖位于柴达木盆地的中南部，是一个含有晶间卤水的大盐滩，盐湖表层为20~30 cm厚的硬盐壳，盐壳下部是多孔性的纯盐层，厚度约10~23.5 m，盐层平均孔隙率为29.5%，空隙中充满晶间卤水。该卤水水位较高，一般高于地表约0.2~0.8 m[6]。经调查，青海察尔汗盐湖属于氯盐型、茶卡盐湖属于硫酸盐型、青海小型的盐湖属于卤水。在氯盐、硫酸盐、卤水环境下锈蚀钢筋退化规律的对比很少有学者研究，本文对3种环境下钢筋的退化规律进行对比，得出相关结论，供工程技术人员参考。

1 试验方案

1.1 钢筋的锈蚀试验

钢筋试样母材为HPB335级直径分别是12、14、16 mm的月牙纹钢筋各90根，共270根，分别在5%的氯盐溶液（模拟察尔汗盐湖）、5%的硫酸盐盐溶液（模拟茶卡盐湖）、5%的卤水溶液（模拟其他盐湖）中锈蚀试验[7]。

1.2 锈蚀钢筋的质量称取

按照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》（GB1T50082-2009）的要求，用12%的盐酸溶液对钢筋进行酸洗，酸洗后经清水漂净，再用石灰水中和，并用电子天平（精确至0.01 g）称取钢筋质量，计算钢筋的质量损失率，经钢筋的端部贴好标签。

式中，0为锈前钢筋质量；c为锈后经酸洗烘干后的钢筋质量。

1.3 钢筋拉伸试验

锈蚀钢筋拉伸试验采用上海华龙仪器有限公司生产的DN300微机控制的电子万能试验机做。预加载的加载方式采用荷载控制，其加载速度控制为5 mm/min的等应变加载，取屈服强度的20%~30%为控制值；预加载结束后，卸载至荷载为零进行正式加载，加载方式采用位移控制，加载采用国标GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，加载速度在屈服之前采用 3 km/s，达到屈服后用位移控制速率为0.05 mm/s，测量钢筋屈服强度、抗拉强度、伸长率[9]。

1.4 钢筋的加速锈蚀

用电线将直流稳压流电源的正负极分别与钢筋上焊接的电线及用作阴极的铜片相连，并分别放入质量分数为5%的氯盐溶液（模拟察尔汗盐湖）、5%的硫酸盐盐溶液（模拟茶卡盐湖）、5%的卤水溶液（模拟其他盐湖）中进行通电加速腐蚀[10]。

2 钢筋的氯盐和硫酸盐溶液中的腐蚀机理

钢筋在氯盐和硫酸盐溶液中的反应如下：

3 试验数据分析

3.1 钢筋的锈蚀程度

3.1.1 不同钢筋在不同溶液中的锈蚀程度

（1）相同直径的钢筋在不同的溶液中的锈蚀率有所不同，依次为在氯盐溶液中腐蚀率>在卤水溶液中腐蚀率>在硫酸盐溶液中腐蚀率；

（2）在相同腐蚀介质条件下，直径较小的面积减少率要明显大于直径较大的钢筋，这是由于对同一类型的钢筋，从表面开始向钢筋内部锈蚀的速度大致是相同的，但同样的锈蚀深度对直径较小的钢筋所占的比例相对较大，因而面积减少率相对较大，而同样的锈蚀深度对直径较大的钢筋所占比例相对较小，因而面积减少率较小。

表1 腐蚀钢筋的数据统计

注：y为实测的钢筋屈服强度，u为实测钢筋极限强度，10为钢筋伸长后的长度，yr为钢筋实测屈服强度与理论屈服强度比，ur为钢筋实测极限强度与理论极限强度比，10r为钢筋伸长后长度与原长度比。

图1 钢筋在不同溶液中的腐蚀情况

图2 不同直径的钢筋在卤水溶液中的腐蚀情况

3.1.2 钢筋锈蚀层厚度的数学模型

（3）

将式（3）代入式（2）整理可得

3.1.3 锈蚀层轮廓线与钢筋初始表面间厚度的数学模型

3.2 不同锈蚀程度的钢筋应力-应变曲线

随着锈蚀程度的逐渐增加，应力-应变（-）曲线将发生明显的变化（图3），表现出钢筋的屈服强度基本不变，但是变得越来越不明显，屈服平台逐渐变短甚至逐渐消失，屈服后强度增加不多，即屈强比增大，断后应变即极限抗拉强度随锈蚀率的增加明显减少（屈服强度和抗拉强度非常接近），同时表现出明显的脆性。

从实验数据可得：相同直径的钢筋在不同溶液中屈服强度大致相同，但是屈服时间不同：氯盐溶液屈服时间>卤水溶液屈服时间>硫酸盐溶液屈服时间，这与在不同溶液中钢筋的锈蚀率相一致；不同直径的钢筋在相同溶液中的屈服强度大致相同，但随着直径的增加其伸长率减小。

图3 腐蚀钢筋在卤水溶液中不同周期下的应力-应变曲线

3.2.2 钢筋锈蚀的本构模型

根据实验数据，当钢筋锈蚀率较小、屈服平台尚未消失时，采用三线型模型图4(a)；当锈蚀率超过某一临界点时，强化应变退化到与屈服应变重合，屈服平台消失取双线型模型图4(b)。

图4 模型

3.2.3 屈服平台的退化临界点：

本文对270根锈蚀钢筋拉伸试验的荷载-变形曲线及相应的锈蚀率进行统计分析后，得到不同环境锈蚀条件下锈蚀钢筋屈服平台消失时的锈蚀率临界点[14]，见表2。

表2 锈蚀钢筋屈服平台消失时的锈蚀率临界点

3.2.4 锈蚀钢筋力学性能退化模型

文献[15]利用450根锈蚀钢筋力学性能试验结果，并收集已有试验数据，建立锈蚀钢筋力学性能试验数据库，假设钢筋屈服平台随锈蚀率线性缩短，建立锈蚀钢筋确定性的应力-应变关系模型如下：

3.3 不同环境下伸长率与钢筋锈蚀程度的关系

钢筋锈蚀后，伸长率均有明显下降。本次试验量测了所有钢筋的极限伸长率从数据可以看出，当钢筋的锈蚀率小于5%时，钢筋的伸长率基本上大于规范最小允许值；当截面损失率大于15%时，钢筋的伸长率则小于规范最小允许值。

其中，为钢筋的极限伸长率，为钢筋的锈蚀率。

图6 钢筋在氯盐溶液中钢筋伸长率与极限抗拉强度的关系

服从线性关系：

4 结论

（1）不同溶液中钢筋的锈蚀率依次是：在氯盐溶液锈蚀率>在卤水溶液锈蚀率>在硫酸盐溶液锈蚀率；不同直径的钢筋在相同溶液中的锈蚀率不同，直径小得钢筋锈蚀率大于直径大的钢筋。

（2）应力-应变曲线将发生明显的变化，表现出钢筋的屈服强度基本不变，但是变得越来越不明显，屈服平台逐渐变短甚至逐渐消失，屈服后强度增加不多，即屈强比增大，极限抗拉强度随锈蚀率的增加明显减少（屈服强度和抗拉强度非常接近），同时表现出明显的脆性。相同直径的钢筋在不同溶液中屈服强度大致相同，但是屈服时间不同：氯盐溶液屈服时间>卤水溶液屈服时间>硫酸盐溶液屈服时间，这与在不同溶液中钢筋的锈蚀率相一致；不同直径的钢筋在相同溶液中的屈服强度大致相同，但随着直径的增加其伸长率减小，并得出钢筋锈蚀的本构模型。

（3）通过实验统计得出不同环境锈蚀条件下锈蚀钢筋屈服平台消失时的锈蚀率临界点，总结前人的经验得出锈蚀钢筋力学性能退化模型。

（4）通过实验数据统计出钢筋伸长率与钢筋锈蚀率、钢筋极限屈服强度之间的数学关系式。

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Study on degradation law of mechanical properties of corroded steel bars in salt lake environment

LI Shuangying1,2, ZHAO Jianchang2

(1. School of Architecture Engineering, Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

270 steel bars with different diameters of 12, 14 and 16 are accelerated to corrode in 5% chloride solution, 5% sulfate solution and 5% halogen solution by DC voltage stabilization. A different age periods, the quality is weighed by high precision balance, the steel bar is stretched by electronic universal testing machine, and the corrosion rate, yield strength, ultimate tensile strength and elongation are measured. The test data show that the chloride solution in the three solutions has the strongest corrosion, and the corrosion rate of 15% is the critical point of yield strength. When it exceeds the critical point, the yield platform disappears, showing obvious brittleness, and the elongation decreases. On the basis of the mechanism of steel corrosion, the mathematical model of the thickness of steel corrosion layer, the constitutive relationship of the three-stage theory and the two-stage wheel of steel corrosion are obtained. At the same time, the linear relationship between elongation, corrosion rate and ultimate tensile strength of steel bar is found, and the degradation law of mechanical properties of corroded steel bar is further obtained.

corroded steel bar; salt lake solution; mechanical properties; degradation law

TU375

A

1002-4956(2019)11-0050-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.013

20190-05-21

国家自然科学基金资助项目（51368053）

李双营（1977—），男，山西方山，在读博士研究生，讲师，副院长，研究方向为混凝土的耐久性。E-mail: 641024633@qq.com

赵建昌（1962—），男，陕西咸阳，教授，博士研究生导师，研究方向为混凝土的耐久性。E-mail: zhaojchang@163.com