氯鹽環境下鋼筋連接件受拉破壞特性研究

李迎珠，張 勤，李文杰，楊翹楚，李 佳，貢金鑫

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210024；2.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；3.大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

鋼筋連接件是保證混凝土結構整體性的重要構件，其受力性能直接關系著結構的安全性.隨著裝配式建筑在國內的大力發展，裝配式鋼筋混凝土結構節點連接件尤其是灌漿套筒鋼筋連接件的連接性能成為研究熱點[1-3].我國《裝配式混凝土建筑技術標準》(GBT 51231—2016)[4]給出常用的鋼筋連接方式主要有綁扎連接、焊接連接、機械連接(包括灌漿套筒連接)等幾類.針對不同類型鋼筋連接件的受力性能，目前已有學者就此開展了相關研究.如采用綁扎連接施工方便，但由于搭接重疊長度較長，對鋼筋直徑有所限制，且鋼筋重疊部分用量不經濟[5].焊接連接雖受力性能良好但其連接可靠性受實際工況的影響易不穩定，Sun和Feng[6]的研究表明，可靠的焊接件通常不存在力學和變形方面的缺陷；但也有研究[7]認為焊接產生的熱影響區、殘余應力及焊縫缺陷可能會引起鋼筋發生脆性破壞.機械連接的連接質量相對穩定，黃遠等[8]通過靜力拉伸試驗研究了鋼筋半灌漿套筒連接試件的力學性能，提出了防止試件發生鋼筋刮犁式拔出和套筒滑絲破壞的設計方法.鄭清林等[9]和Wu等[10]則分別探討了整體裝配式結構構件中灌漿套筒鋼筋連接件的力學性能與灌漿齡期、鋼筋類型及灌漿缺陷等因素之間的關系.盡管上述研究對鋼筋連接件的連接特性、影響因素及其適用性等方面進行了分析，但研究中尚未考慮鋼筋連接件所處的不利環境影響.事實上，現實環境中鋼筋混凝土結構在使用過程中會受到不同程度的腐蝕，這使得鋼筋連接區受力性能發生退化并成為整個結構的薄弱區，進而對結構整體的安全性產生不利影響.因此，研究鋼筋連接件在腐蝕環境下的力學性能劣化問題具有重要意義.

當前腐蝕環境下銹蝕鋼筋連接件受力性能劣化問題已引起了一些學者關注.徐港等[11]采用快速電化學腐蝕的方法對腐蝕環境下的鋼筋搭接連接性能展開研究，結果表明腐蝕后的搭接承載力顯著退化.Apostolopoulos等[12]和Tang等[13]對腐蝕后的焊接接頭性能展開研究，發現接頭的受力性能和延伸性能均隨著腐蝕率的增加而退化，并認為焊接接頭受力性能下降可能與焊縫處產生的應力集中相關.Yosuke A[14]等研究了氯離子濃度和預應力對灌漿預應力鋼筋腐蝕的影響，評價了預應力鋼在預應力作用下的腐蝕行為并給出了預應力作用下氯化物腐蝕的閾值.李佳等[5]對氯鹽腐蝕工況下不同鋼筋連接件的拉伸破壞形態及抗拉強度進行了試驗研究，結果表明鋼筋連接區的破壞形態與鋼筋連接方式及腐蝕程度關系密切.上述研究從不同角度對氯鹽腐蝕環境下各種鋼筋連接件的連接特性進行了研究討論，但總體來看系統性和深入性仍有待進一步提高.

為深入研究討論銹蝕鋼筋連接件的力學性能，本文重點對雙面電弧焊、冷擠壓套筒、鐓粗直螺紋套筒和灌漿套筒四種不同的鋼筋連接件在不同腐蝕程度下不同直徑時的破壞形態和受拉性能進行了研究，為氯鹽腐蝕環境下鋼筋連接件的進一步推廣應用提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計

綜合考慮不同連接方式、鋼筋直徑以及腐蝕程度的影響，共設計了54組不同工況連接件試件，每組數量為3，共162根.鋼筋連接件試件分別按《鋼筋焊接及驗收規程》(JGJ18—2012)[15]和《鋼筋機械連接技術規程》(JGJ107—2016)[16]加工制作.各鋼筋連接件直徑及腐蝕量工況詳情見表1.其中，A、B、C和D依次對應雙面電弧焊、冷擠壓套筒、鐓粗直螺紋套筒和灌漿套筒4種連接方式，16、20和25分別對應鋼筋直徑為16、20和25 mm，0、5、10、15和20分別對應理論腐蝕率為0%、5%、10%、15%和20%.

表1 試件設計參數

在試件進行加載前應磨掉涂裹的環氧樹脂，避免試件在拉伸過程中因夾持端的松動發生位移，影響試驗結果.此外為了方便量測拉伸試件的斷后伸長率，可以在鋼筋連接區域外的兩側每隔10 cm標記一段，如圖1所示.

圖1 試件量測標距示意圖

1.2 材料性能

試驗選擇HRB400螺紋鋼筋，其力學性能如表2所示.本試驗設計中雙面電弧焊試件的焊縫處材料與鋼筋母材一致，焊接長度統一為200 mm，所使用的冷擠壓套筒、鐓粗直螺紋套筒和灌漿套筒試件均滿足國家相關標準.表3給出了各鋼筋連接件套筒的具體力學性能.

表2 HRB400鋼筋機械性能

表3 各鋼筋試件連接區套筒機械性能

1.3 試件腐蝕及加載

采用電化學方法對鋼筋連接件進行加速腐蝕試驗，相關試驗原理及實施過程參見文獻[5].為了更接近自然環境下的鋼筋腐蝕，本文中電化學腐蝕試驗中采用的電流密度為0.02 mA/cm2，通電時間，通電時間由直徑、理論腐蝕率等變量根據法拉第定律得出[17].試驗前應采用丙酮清洗試件，通電腐蝕開始后，每隔48小時進行一次人工除銹，防止浮銹產物影響腐蝕進程.電化學腐蝕完成后，將試件用濃度10%的鹽酸溶液清洗、除銹、烘干，稱重并記錄腐蝕前后的試件質量，計算出質量損失率，本文所采用的理論腐蝕程度和試驗所得實際腐蝕程度均根據鋼筋連接件受腐蝕前后的質量損失率計算所得.

試件腐蝕后，采用1 000 kN電液伺服萬能材料試驗機進行拉伸試驗，如圖2所示，加載按位移控制，加載速率為1.0 mm/min.試件發生拉伸破壞后，拉伸試驗機自動停止加載并存儲荷載、位移等數據.需要注意的是，安裝試件時，應保持試驗裝置上下載荷端的頂板與試件端部距離為1 cm，保證試件的安裝牢固.

圖2 拉伸試驗裝置

圖3 鋼筋連接件酸洗后形態

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及拉伸破壞特征

2.1.1 電化學腐蝕試驗現象

電化學腐蝕結束后，連接件腐蝕區銹跡特征明顯，表面附著厚厚的暗灰色、形態疏松的銹蝕物(主要成分為未完全氧化的Fe3O4)，鹽酸清洗至試件表面光潔后，腐蝕區域的鋼筋均變細，且腐蝕程度越大，鋼筋表面銹坑分布越不均勻，銹蝕產物堆積越厚.不同種類的鋼筋連接件在腐蝕條件下的銹蝕損傷程度有所不同.雙面電弧焊試件腐蝕后，其連接區外觀上無明顯殘缺；冷擠壓套筒與鐓粗直螺紋連接件的銹蝕量隨腐蝕時間增加而不斷增大，其套筒外壁破損也逐漸明顯，并且鐓粗直螺紋試件受腐蝕最為嚴重，當理論腐蝕率達到20%時其外表面積銹損接近1/2，銹損嚴重部位可直接看到內部紋路，連接區兩端鋼筋明顯變細；而由于灌漿料的絕緣作用，灌漿套筒試件套筒兩側銹蝕區鋼筋表面并未出現銹蝕物，銹蝕物僅分布在套筒區域，酸洗后可觀察到隨腐蝕程度增大，連接區外壁坑蝕變長變深，銹坑位置及形態分布無規則.下圖為各種類鋼筋連接件酸洗后的形態圖.

2.1.2 拉伸試驗破壞特征

其破壞類型主要可分為鋼筋母材斷裂與連接區破壞兩大類.根據連接方式和腐蝕程度不同，連接區破壞可細分為三種類型：焊縫斷裂破壞、套筒斷裂破壞及粘結滑移破壞.不同類型鋼筋連接件的拉伸破壞形態如圖4所示.對于未腐蝕的對比試件，所有鋼筋連接件在拉伸破壞時均表現為鋼筋母材斷裂破壞，如圖4(a)所示，這表明在無腐蝕條件下，四種鋼筋連接件均能保證良好的連接性能.對于腐蝕后的試件，灌漿套筒連接件試件拉伸后的破壞形態均為如圖4(a)所示的鋼筋母材斷裂破壞，其拉伸試驗破壞特征與未腐蝕條件下的灌漿套筒連接件類似，但初始剛度與最大位移均有所減小，這表明由于灌漿料的絕緣作用在一定程度上阻止了銹蝕的擴散，同時其粘結作用保證了鋼筋與套筒間的較可靠連接，但腐蝕條件對鋼筋的拉伸性能有一定的削弱作用.腐蝕程度較小時，其余三種連接件大部分的破壞形態仍為鋼筋母材拉斷，腐蝕程度較高時部分試件則表現為連接區破壞.當理論腐蝕率增大為5%時，對于直徑16 mm的雙面電弧焊連接件，發生如圖4(b)所示的焊縫斷裂破壞，這主要是由于焊縫邊緣區域截面突變產生的應力局部增大與腐蝕效果疊加引起的[17]；而對于直徑16 mm的冷擠壓套筒連接件則主要發生如圖4(c)所示的粘結滑移破壞，這是由于銹蝕導致冷擠壓套筒試件連接區兩側出現裂縫，套筒內部螺紋也有所破壞，套筒與鋼筋間擠壓力減小，原先通過擠壓力固定在套筒內的鋼筋從套筒滑出；當理論腐蝕率達到15%時，對于直徑25 mm的冷擠壓套筒鋼筋連接件和直徑為25 mm的鐓粗直螺紋鋼筋連接件，其拉伸破壞形式主要表現為如圖4(d)和(e)所示的連接區套筒破壞，此時套筒內部螺紋與鋼筋咬合依然良好，但筒壁在電化學腐蝕下削弱嚴重，在拉伸試驗過程中的破壞瞬間套筒斷裂為二.部分理論腐蝕率達到20%的鐓粗直螺紋鋼筋連接件發生如圖4(f)所示的粘結滑移破壞，此腐蝕率工況下的鐓粗直螺紋試件連接區域套筒基本銹蝕貫通，內部直螺紋銹蝕嚴重，且套筒外表面積明顯減小，連接區幾乎完全喪失受拉性能.上述受拉破壞特征表明，當腐蝕程度足夠大時，連接區域的破壞比鋼筋母材斷裂更早發生.值得注意的是，隨著腐蝕程度的逐漸增大，直徑較大的鋼筋連接件的受拉性能受腐蝕影響削弱程度要明顯高于直徑較小的鋼筋連接件，這是因為當鋼筋直徑較大時其受腐蝕的接觸面越大，從而實際腐蝕程度也越大，以理論腐蝕率為10%的冷擠壓套筒為例，當直徑分別為16、20和25 mm時，其實際腐蝕率分別約為6.8%，7.1%和8.1%，實際腐蝕程度逐漸增強，為此直徑較大的鋼筋連接件更容易發生連接區域的破壞.

圖4 試件拉伸破壞形態

2.2 鋼筋連接件經腐蝕后的荷載-位移曲線

圖5給出了拉伸試驗下不同鋼筋連接件的荷載-位移曲線.需要說明的是，拉伸曲線的屈服點是根據連接件試件拉伸時第一次達到屈服應變時試件的位移和相應的荷載確定的，無明顯屈服平臺的試件則參照規范以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限[2]；而破壞點則是由試驗中試件破壞前的荷載峰值點確定的.

圖5 拉伸作用下各銹蝕試件荷載-變形曲線

由圖5得出，各連接件拉伸屈服前基本為彈性狀態，且直徑相同時隨著腐蝕程度的增加彈性階段荷載-位移曲線斜率逐漸減小.這表明，隨著腐蝕程度增大，鋼筋連接件的受拉剛度有所減小，且直徑越大時剛度減小越明顯；對于同類型鋼筋連接件，鋼筋直徑越大，腐蝕對拉伸性能的影響越明顯.隨著腐蝕程度的不斷增大，四種鋼筋連接件的極限荷載和極限變形均有不同程度的減小，屈服平臺逐漸縮短，后期變形能力顯著下降，越來越趨于脆性破壞.對于參照組未經腐蝕的試件，其荷載-變形曲線與鋼筋母材的拉伸曲線基本一致，有明顯的屈服平臺，表現為鋼筋母材拉斷破壞.對于雙面電弧焊連接件，當理論腐蝕率達到5%時屈服平臺即明顯縮短(參見圖5(a)).直徑為20 mm、理論腐蝕率為20%時，其屈服平臺幾乎消失，極限變形嚴重降低，降低幅度可達50%(參見圖5(b))，這是由于焊縫邊緣處的應力集中和腐蝕環境的共同影響導致連接件發生了焊縫斷裂破壞.對于理論腐蝕率達5%的冷擠壓套筒連接件，其屈服平臺雖有縮短，但縮短程度基本可忽略不計，幾乎不影響其拉伸荷載-變形曲線(參見圖5(d)～(f))；連接件拉伸試驗前期荷載-變形曲線與未腐蝕的冷擠壓套筒對照組連接件基本一致，但在極限變形達到對照組的約50%時會突然破壞，此時鋼筋從套筒滑出發生粘結滑移破壞；該現象也同樣出現在理論腐蝕率為5%和10%的鐓粗直螺紋連接件的拉伸曲線上(參見圖5(g)～(i)).對于腐蝕率較大(如腐蝕率為20%)時，冷擠壓套筒和鐓粗直螺紋連接件荷載-位移曲線的屈服平臺段基本消失，極限變形降低顯著，表現出明顯的脆性破壞特性(參見圖5(d)～(i)).這是由于連接區套筒隨著腐蝕程度的增大腐蝕嚴重，試件表現為連接區先于鋼筋破壞的套筒斷裂破壞.對于灌漿套筒連接件，其荷載-拉伸曲線屈服平臺明顯，極限荷載和極限變形有所下降但可忽略不計，體現出良好的變形能力，連接區灌漿套筒連接件在腐蝕環境下性能穩定，其拉伸曲線能與鋼筋母材的拉伸曲線基本保持一致(參見圖5(j)和5(k)).

由圖還可以看出，隨著腐蝕程度的增大，鐓粗直螺紋連接件的拉伸性能下降最為明顯，而灌漿套筒連接件的抗拉性能下降較為平緩，體現了較強的抗腐蝕能力.此外，隨著腐蝕程度增大，鋼筋直徑越大的連接件抗拉性能下降越迅速，連接區更容易先于鋼筋母材破壞.

2.3 屈服強度和破壞強度

2.3.1 屈服強度

為進一步分析腐蝕率對鋼筋連接件的力學性能的影響，圖8與圖9分別給出了拉伸荷載作用下的屈服強度和破壞強度與平均質量損失率之間的關系.特別指出，本文統一采用銹蝕鋼筋連接件拉伸試驗中屈服荷載與銹蝕鋼筋的等效截面面積之比來計算屈服強度[2].

fy=Py/Ad

(1)

式中：fy為銹蝕連接件的屈服強度(MPa)；Py為拉伸試驗中的屈服荷載(kN)；Ad為試件的等效截面面積.

由于電化學腐蝕后的鋼筋表面腐蝕情況很不均勻，由圖6所示，在實際測量中鋼筋腐蝕后的最小直徑無法準確確定，因此，屈服強度根據鋼筋等效截面面積予以計算.此外，盡管試件連接區與待連接母材的直徑有較大的差距，理論上二者的腐蝕率會有所不同；但文獻[5]的研究結果表明，相同腐蝕程度下僅連接區腐蝕和連接區與鋼筋母材共同腐蝕時的平均腐蝕率差距并不大(如圖7所示)，可近似認為相等.

圖6 電化學腐蝕鋼筋表面銹坑圖

圖7 平均質量損失率對比圖[5]

圖8為不同直徑的鋼筋連接件在不同腐蝕程度時的屈服強度.

圖8 試件屈服強度

由圖可看出，隨著平均質量損失率的增大，試件屈服強度呈降低趨勢，且直徑較大的鋼筋連接件比直徑較小時降低幅度大.當鋼筋直徑相同時，雙面電弧焊連接件在腐蝕環境下的屈服強度隨腐蝕程度的增大降低最快，其余三種連接件的屈服強度在腐蝕率較小時均下降較為平緩.這主要是由于雙面電弧焊連接件受焊接熱效應和殘余應力效應的疊加影響[17]，其拉伸屈服強度在腐蝕環境下的降低程度受腐蝕程度影響最大.當腐蝕率較大(如腐蝕率>10%)時，鐓粗直螺紋連接件屈服強度會出現急速降低情況，這是由于高腐蝕程度下其連接區域的套筒腐蝕嚴重極易被銹蝕穿通，連接區內部螺紋腐蝕嚴重，受拉性能幾乎完全喪失.

2.3.2 破壞強度

為綜合考慮腐蝕程度和鋼筋直徑對不同連接件破壞形態和連接性能的影響，本文統一采用破壞強度來表征不同銹蝕鋼筋連接件的極限承載能力和抗腐蝕能力.該強度定義為連接件受拉試驗中最大荷載與鋼筋連接件腐蝕后的等效截面面積之比[2].

ft=Pt/Ad

(2)

式中：ft為銹蝕連接件的破壞強度(MPa)；Pt為拉伸試驗中的破壞荷載(kN)；Ad為試件的等效截面面積.其中，鋼筋連接件等效截面面積根據破壞形式的不同分別采用鋼筋等效截面面積和連接區等效截面面積予以表征.

圖9給出了鋼筋連接件在不同腐蝕程度時的破壞強度變化趨勢.由圖9可看出，試件破壞強度隨腐蝕程度的增大而降低，且鋼筋直徑較大的連接件比鋼筋直徑較小的連接件降低更明顯；當鋼筋直徑相同時，雙面電弧焊鋼筋連接件的抗拉強度隨腐蝕程度的增大而迅速下降，冷擠壓套筒和鐓粗直螺紋套筒次之，而灌漿套筒的抗拉強度退化最為緩慢.由此推斷灌漿料的存在有效延緩了灌漿套筒連接件在氯鹽環境下的銹損程度，使得其抗拉強度退化程度要比其中三種連接方式的鋼筋連接件要小.當理論腐蝕率為10%時，鋼筋直徑為16 mm和20 mm的灌漿套筒連接件其破壞強度較未腐蝕對照組試件分別僅降低了1.3%和4.3%，幾乎可以忽略該水平的氯鹽腐蝕影響.

圖9 試件破壞強度

2.4 強度計算模型

根據上節分析，鋼筋連接件的屈服強度和破壞強度隨腐蝕程度的增加均呈指數函數下降趨勢，并與連接件的連接方式、腐蝕率、鋼筋直徑等參數相關.因此，本文統一采用下式來計算不同連接方式的銹蝕鋼筋連接件的屈服強度和破壞強度.

fx=f0x×[1-α×D×ηs×eβ×ηs]

(3)

式中：fx為銹蝕連接件的平均屈服強度(或破壞強度)(MPa)；f0x為經未腐蝕連接件的屈服強度(或破壞強度)(MPa)；ηs為試件平均腐蝕率(%)；D為鋼筋直徑(mm)；α、β分別表示與強度相關的系數.基于試驗研究，擬合優化確定的系數α、β值如表4所示.對于不同連接方式的鋼筋連接件，其系數取值不同.

表4 鋼筋連接件腐蝕后屈服強度和破壞強度的α、β系數值

將表4中對應的系數值分別代入式(1)得出不同腐蝕程度下不同直徑的各種鋼筋連接件屈服強度和破壞強度的計算值，并將計算值與試驗值相比較，如圖10(a)、(b)所示，二者吻合良好，可以采用式(1)對腐蝕環境下不同連接方式鋼筋連接件的平均屈服強度和破壞強度進行計算.

圖10 試件強度試驗值與計算值比較

3 結論

(1)氯鹽環境下，銹蝕鋼筋連接件的拉伸性能均退化明顯，退化程度隨著腐蝕率的增大而增大.不同鋼筋連接件在腐蝕程度相同時的耐腐蝕性能差異明顯，雙面電弧焊連接件的耐腐蝕性能最強，其次為灌漿套筒和冷擠壓套筒，鐓粗直螺紋最差；

(2)氯鹽環境下鋼筋連接件拉伸破壞形式主要分為鋼筋母材拉斷和連接區域破壞兩類.腐蝕率較小時，鋼筋連接件主要發生鋼筋母材拉斷破壞；隨著腐蝕程度增大，雙面電弧焊連接區會發生焊縫斷裂破壞；冷擠壓套筒會發生粘結滑移破壞；腐蝕程度進一步增大，冷擠壓套筒和鐓粗直螺紋會發生套筒斷裂破壞，鋼筋直徑越大越易發生連接區的破壞；灌漿套筒連接件主要發生母材拉斷破壞；

(3)鋼筋連接件拉伸荷載-變形曲線受腐蝕程度影響明顯，隨著腐蝕程度增大，屈服平臺縮短、屈服與破壞強度降低、極限變形減少.鐓粗直螺紋耐腐蝕能力最弱，腐蝕后屈服平臺明顯縮短，極限變形均下降50%以上；灌漿套筒連接件抗腐蝕能力最強，理論腐蝕率最大時其破壞強度依舊可達到未腐蝕試件的95%.