﻿ HRB400E钢筋在受力状态下的锈蚀特征及力学性能退化规律模型构筑

# HRB400E钢筋在受力状态下的锈蚀特征及力学性能退化规律模型构筑Corrosion Characteristics and Model Construction of Degradation Law of Mechanical Properties of HRB400E Steel Bars under Stress State

Abstract: In this study, HRB400E specimens are pre-stressed according to four different stress levels, accel-erated corrosion simulation experiment, mechanical property test and microscopic observation by a stress device. The experimental results show that the corrosion degree of reinforcement gradually increases with the increase of stress level of reinforcement. Tensile strength and yield strength of steel bars have different degradation trends; elongation degradation is obvious, and for steel bars with higher stress level after rust, crystalline phase structure is loose and ferrite content increases.

1. 引言

2. 试验材料与方法

Figure 1. Soldering leads, seal insulation, test connectivity

Figure 2. Experimental schematic

3. 试验结果与讨论

3.1. 受力钢筋的腐蚀分析

Figure 3. Polarization curves under different stress states

Table 1. Rebar polarization curve parameters

3.2. 力学性能分析

Table 2. Mechanical properties of corroded steel bars subjected to different pre-stressing in the same corrosive environment

Figure 4. Stress-displacement curve

Figure 5. Stress-yield limit line chart

Table 3. Stretching after breaking of steel bars with different stress levels

(a) 截面对比 (b) 整体对比

Figure 6. Steel bar fracture comparison chart

3.3. 锈后钢筋的XRD衍射及金相实验

(a) (b) (c) (d)

Figure 7. Energy spectrum fitting result

(a) 原始钢筋 (b) 未受力钢筋 (c) 加力33 MPa (d) 加力67 MPa (e) 加力100 MPa (f) 加力150 MPa

Figure 8. Metallographic image analysis

3.4. 力学性能退化模型

Table 4. Mechanical properties of corroded steel bars subjected to different pre-stressing stresses in the same corrosive environment

Table 5. Degradation of mechanical index of steel bars subjected to different pre-stress levels in the same corrosive environment

${\text{f}}_{\text{yc}}=\left(-0.0136x+1.01\right){f}_{c}$ (1)

${\text{f}}_{\text{uc}}=\left(-0.0098x+1.0121\right){f}_{u}$ (2)

${\delta }_{\text{sc}}=\left(-0.0507x+1.0427\right){f}_{s}$ (3)

Figure 9. Relationship between mechanical properties and stress levels

1) 随着钢筋应力水平的增加，锈蚀程度有明显的增加，钢筋的屈服强度，抗拉强度呈现出逐渐下降的趋势。

2) 断后伸长率呈现显著下降的规律。试件断后伸长率的下降程度远大于试件屈服强度、极限强度的下降程度。

4. 结论

1) 钢筋的加速模拟锈蚀实验表明，预加应力越大钢筋的腐蚀速率越大。从腐蚀时间上来看，腐蚀速率在前期上升随后有小幅的下降后来再次上升，这是腐蚀初期，腐蚀到一定程度大量的腐蚀物阻碍了腐蚀性离子侵入钢筋表层，造成对钢筋腐蚀的阻碍作用；随着时间的增长，腐蚀产物溶解，使得大量腐蚀性离子与钢筋发生化学反应，腐蚀速率再次增大。

2) 通过XRD衍射检测分析，锈蚀后的产物有Fe2O3及少量的FeO、Fe3O4，在相同的腐蚀环境及腐蚀时长条件下，预加应力越大钢筋锈蚀后所含有的Fe2O3越多，锈蚀越严重。

3) 锈蚀后钢筋的晶相组织同样会发生变化，受力越大的钢筋铁素体含量越大，并随着受力增加铁素体含量有显著的增加。最明显的现象是各部分组织会变得松散，晶格间距增大，使钢筋局部锈蚀增加，大大降低了钢筋的力学性能。

4) 锈蚀后钢筋的力学性能测试表明，预加力越大钢筋锈蚀后力学性能退化越严重，其中断后伸长率的退化最为严重，随着预加力的增大逐渐由延性破坏转变为脆性破坏。在均匀锈蚀情况下，钢筋的力学性能与腐蚀程度呈现一定程度的线性正相关性；但在不均匀锈蚀情况下则呈现非线性相关性，即出现了力学性能急速退化的现象。钢筋在局部锈蚀严重的情况下，将增加附加弯距，从而导致承载能力的急剧下降，增加了桥梁瞬时倒塌的危险性。

5) 通过试验研究所得到的应力状态对钢筋锈蚀状态的影响规律及建立的锈蚀钢筋力学性能退化规律模型，可以为钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁的现实状况研判、养护维修、寿命预测提供科学的依据，对提高桥梁的耐久性具有现实意义及实用价值。

1) 受助于交通运输部公路科学研究所科技创新专项资金项目，项目名称：受力钢筋锈蚀的评价方法、标准及力学性能退化模型；项目编号：2018-E0011；

2) 北京高等学校高水平人才交叉培养计划项目：基于受力钢筋电化学信号的锈蚀度与力学性能理论计算模型的实桥应用及分级评价；项目编号：2019100170416。

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