锈蚀栓钉力学性能试验研究
余志武1，石卫华1, 2，匡亚川1
(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
2. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，410021)
摘要：通过对人工气候环境和恒电流加速锈蚀得到的锈蚀栓钉进行拉伸试验，研究2种加速锈蚀方法对锈蚀栓钉力学性能的影响，分析比较不同锈蚀程度的栓钉各项力学性能的变化规律。研究结果表明：人工气候环境和恒电流加速锈蚀方法可有效模拟自然环境引起的栓钉锈蚀；随着栓钉锈蚀程度的增加，屈服强度和极限强度减小，塑形性能下降，弹性模量降低。在试验结果分析基础上，建立锈蚀栓钉力学性能退化模型和本构关系模型，为侵蚀环境下钢-混凝土组合结构数值仿真、耐久性评估及寿命预测提供应用参考。
关键词：栓钉；锈蚀；力学性能；退化；本构关系
中图分类号：TU398；U448.21 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)01-0249-07
Experimental study on mechanical properties of corroded stud
YU Zhiwu1, SHI Weihua1, 2, KUANG Yachuan1
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)
Abstract: Through tension tests on the corroded studs that were obtained by artificial climate acceleration and galvanostatic acceleration, the effects of two acceleration corrosion methods on mechanical properties of corroded studs were studied and the mechanical properties of corroded studs with different corrosion degree were analyzed. The results show that the artificial climate acceleration and galvanostatic acceleration method can effectively simulate stud corrosion resulted from nature climate environment. It is also found that the higher the corrosion degree, the worse the mechanical properties, such as yield strength, ultimate strength, and modulus of elasticity. Based on the experimental results, the degradation models of mechanical properties and the constitutive relation model of corroded studs are built up, which will be valuable for numerical simulation, durability evaluation and life prediction of steel-concrete composite structures under erosion environment.
Key words: stud; corrosion; mechanical property; deterioration; constitutive relation
钢-混凝土组合结构普遍采用栓钉作为抗剪连接件[1-2]。组合结构运营过程中，常出现下述破损现象[3]：混凝土桥面板局部破损、负弯矩区混凝土板横向裂缝和结合面部位混凝土板纵向剪切裂缝；另外，在车辆等反复荷载作用下，钢板与混凝土间的结合面会产生滑移，甚至形成界面缝隙。侵蚀性介质从破损部位侵入后，引起栓钉锈蚀。由此导致栓钉力学性能退化以及栓钉与混凝土间黏结性能退化，直接降低栓钉连接件的抗剪连接作用，弱化钢梁与混凝土的组合效应，最终导致钢-混凝土组合结构性能劣化，如承载能力和刚度降低，从而影响到钢-混凝土组合结构的使用安全[3-4]。正确认识栓钉锈蚀后力学性能的变化规律，建立相应的本构模型，是栓钉连接件和钢-混凝土组合结构耐久性评估、寿命预测及数值仿真分析的基础。国内外学者对栓钉力学性能进行了试验研究[5-7]，提出了栓钉的2折线本构模型[8]和3折线本构模型[9]，但锈蚀栓钉的力学性能退化规律和本构模型尚未建立。本文作者采用人工气候环境和恒电流加速锈蚀方法，通过锈蚀栓钉的拉伸试验，研究不同加速锈蚀方法对锈蚀栓钉力学性能的影响，分析比较不同锈蚀程度下栓钉的力学性能指标变化规律，如屈服强度、极限强度、伸长率及弹性模量等，在此基础上建立锈蚀栓钉本钩关系模型，为锈蚀栓钉连接件性能退化研究提供必要基础。
1 试验设计
为研究锈蚀栓钉力学性能变化规律，最终建立锈蚀栓钉本构模型，通过对加速锈蚀方法获得的锈蚀栓钉进行拉伸试验。
1.1 试件来源
试验采用栓钉均来自浙江杭州华凌公司，栓钉材料为SWRCH15A。栓钉型号为M16×175，实测直径为15.92 mm。未锈蚀栓钉屈服强度为337.08 MPa，极限强度为482.5 MPa。为方便拉伸试验时试验机夹头夹住栓钉，锈蚀前切除栓钉头部，然后制作成试件进行加速锈蚀。
1.2 加速锈蚀方法
人工气候环境锈蚀方法是指在人工气候试验室中进行栓钉加速锈蚀试验，通过高温、高湿、盐水喷淋、红外灯照等人工方法模拟自然气候环境对结构的侵蚀作用。试验采用干湿循环方法进行加速锈蚀，“干”为高温干燥，温度为60 ℃，相对湿度为50%；“湿”为5%的NaCl溶液喷淋。循环制度为湿4 h，干44 h。
恒电流加速锈蚀方法是将试件中需锈蚀栓钉接直流电源的正极，以浸泡在NaCl溶液中的不锈钢为负极，通过NaCl溶液形成电解池。通电加速锈蚀装置如图1所示。该方法又被称为溶液模拟法[10]。锈蚀通过控制锈蚀电流密度和通电时间，可得到预定的锈蚀率的栓钉。通电时间可通过法拉第定律计算得出。
1.3 锈蚀率
锈蚀结束后取出栓钉，采用12%的盐酸溶液对栓钉进行酸洗除锈，用钢丝刷清除表面锈蚀产物后清水冲洗，采用3%的碳酸钠溶液中进行中和，最后用清水冲洗干净，擦干放入干燥器中存放4 h。用电子天平称取除锈后栓钉的质量。采用质量损失衡量各锈蚀栓钉的质量锈蚀率。每组试件栓钉数量为3个，锈蚀率取每组3个测量值的平均值。质量锈蚀率ρ计算公式为：
(1)
其中：m0为未锈蚀前栓钉的质量；mρ为锈蚀后栓钉实测的质量。
图1 恒电流加速锈蚀装置示意图
Fig. 1 Experimental setup of galvanostatic acceleration corrosion
1.4 拉伸试验
采用电子万能试验机进行栓钉拉伸试验。引伸计夹在栓钉中间部位，标距为50 mm。加载速率按GB 228—87(《金属拉伸方法》)中规定速率执行。加载过程中数据采集系统自动采集引伸计数据以及荷载-位移曲线。试件拉断后，采用游标卡尺测量5d标距范围内伸长量，计算伸长率δ5。
和钢筋的力学性能类似，栓钉的强度分实际强度和名义强度。实际强度为实际荷载与实际截面面积的比值；名义强度为实际荷载与公称截面面积的比值。本文屈服强度、极限强度和弹性模量均采用名义值表示。
2 试验结果及分析
2.1 破坏形态
栓钉破坏形态均表现为塑形破坏，图2所示为人工气候环境部分栓钉破坏形态对比。由图2可以看出：锈蚀率较小时，锈蚀栓钉存在明显断面颈缩现象；随着锈蚀率的增大，断面颈缩现象逐渐趋于不明显。
图2 锈蚀栓钉破坏现象(人工气候)
Fig. 2 Failure phenomenon of corroded studs
2.2 试验结果
试验试件共16组，每组3个栓钉，同组栓钉锈蚀环境、锈蚀方法和锈蚀时间相同。力学性能特征值取每组试验值的平均值。表1给出了2种锈蚀方法下锈蚀栓钉的力学性能试验结果。其中，0组表示无锈蚀栓钉，1~7组为人工气候环境锈蚀栓钉，8~15组表示恒电流加速锈蚀栓钉。由于栓钉材质为连续屈服材料，不具有明显的屈服点和屈服台阶，因此，其屈服强度以卸载后残余应变为0.2%予以确定[11]。
从表1可看出：同一种锈蚀方式下，随着锈蚀率增大，锈蚀栓钉的屈服荷载和极限荷载逐步下降，名义屈服强度和极限强度随之不断降低。锈蚀使栓钉杆身有效截面面积减小和锈坑周围的应力集中是引起屈服强度和极限强度降低的主要原因。
名义屈服强度和极限强度与锈蚀率的关系如图3和图4所示。人工气候环境锈蚀栓钉的相对屈服强度和极限强度的退化速率约为栓钉平均质量减小速率的2.177倍和2.066倍，而恒电流加速锈蚀栓钉的相对屈服强度和极限强度的退化速率约为1.871倍和1.688倍。同一种锈蚀方式下，名义屈服强度和极限强度与锈蚀率呈线性下降关系，屈服强度下降速率略高于极限强度下降速率。人工气候环境锈蚀下屈服强度和极限强度的下降速率要高于恒电流加速锈蚀条件下。这主要是由于人工气候环境加速锈蚀条件下不均匀锈蚀现象更突出，栓钉锈蚀形态更接近自然环境锈蚀。这一点与钢筋锈蚀形态一致[12]。
表1 锈蚀栓钉力学性能试验结果
Table 1 Mechanical property experimental results of corroded studs
图3 名义强度相对值与锈蚀率关系(人工气候)
Fig. 3 Relative nominal strength versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate
图4 名义强度相对值与锈蚀率关系(恒电流加速)
Fig. 4 Relative nominal strength versus corrosion degree by galvanostatic acceleration
2.3 不同锈蚀程度栓钉应力-应变曲线
图5所示为人工气候环境下不同锈蚀程度栓钉的应力-应变关系曲线。由图5可以看出：无论栓钉是否锈蚀，应变-应变曲线均表现出连续屈服的特性，没有明显屈服点。
栓钉的应力-应变关系可分为3个阶段，即：弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段。弹性阶段，应力从0增加到屈服强度，应力-应变呈线性，斜率即为名义弹性模量；弹塑性阶段，应力从屈服强度增加到极限强度，应力随应变的增加呈非线性增加；塑性阶段，应力基本不变，而应变急剧增加。
从试验获得的名义应力-应变曲线中可得到不同锈蚀程度栓钉的名义弹性模量[12](直线段斜率)。名义弹性模量相对值随锈蚀率的变化关系如图6所示。由图6可以看出：锈蚀率较小时，名义弹性模量相对值下降速度较快；锈蚀达到一定程度后，下降速度减缓。随着锈蚀率增加，锈蚀栓钉的名义弹性模量也呈现下降趋势。
图5 不同锈蚀程度栓钉应力-应变关系(人工气候)
Fig. 5 Stress-strain curves for studs with different corrosion degrees
图6 名义弹性模量相对值与锈蚀率关系(人工气候)
Fig. 6 Relative nominal elastic modulus versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate
2.4 塑性性能
屈强比和伸长率是衡量材料塑形性能的主要指标。栓钉锈蚀后，由于锈坑周围存在产生应力集中，塑形性能会发生退化现象。
从表1可以看出：人工气候环境加速条件下，当锈蚀率小于13.8%时，屈强比基本不变化；而当锈蚀率大于13.8%时，屈强比随锈蚀率的增大呈下降趋势，但下降幅度较低。恒电流加速锈蚀条件下，锈蚀率小于8.5%时，屈强比基本无变化，而当锈蚀率大于8.5%时，屈强比呈下降趋势，下降幅度较大。2种锈蚀条件下屈强比的变化规律基本一致。
图7所示为人工气候环境锈蚀条件下锈蚀栓钉伸长率与锈蚀率的变化规律。由图7可以看出：锈蚀栓钉伸长率随锈蚀率增大呈线性下降趋势，表明随着锈蚀率增大栓钉塑性降低，脆性增加。并且伸长率的降低速率要高于名义强度降低速率。这与锈蚀钢筋的变化规律一致[12-13]。
图7 伸长率相对值与锈蚀率关系(人工气候)
Fig. 7 Relative elongation versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate
上述分析表明：随着锈蚀程度的增加，栓钉塑性性能不断下降。
2.5 锈蚀方法适用性分析
人工气候环境下栓钉锈蚀为不均匀锈蚀，靠近保护层一侧锈蚀较背离保护层侧严重，锈蚀产物为红褐色。恒电流锈蚀栓钉也为不均匀锈蚀，靠近溶液侧锈蚀较远离溶液侧锈蚀严重，但锈坑不均匀分布程度低于人工气候环境。这与已有的2种锈蚀方法下钢筋锈蚀形态相同[14]。
2种锈蚀方法引起的栓钉力学性能变化规律相似，人工气候环境法退化速率要大于恒电流锈蚀法，但差别不大。因此，2种方法均可以较好地模拟自然环境锈蚀。
3 锈蚀栓钉力学性能退化模型
人工气候环境锈蚀和恒电流加速锈蚀方法获得的锈蚀栓钉，各项力学性能表现出相似的退化规律。锈蚀栓钉的名义屈服强度、名义极限强度可分别按照下式计算：
(2)
(3)
式中：f y,c和fu,c分别为锈蚀栓钉的名义屈服强度、名义极限强度；fy,0和fu,0分别为未锈蚀栓钉的屈服强度、极限强度；κr,y和κr,u分别为相对屈服强度影响函数和相对极限强度影响函数，其计算公式为：
人工气候环境：
(4)
(5)
恒电流加速锈蚀：
(6)
(7)
式中：
表示锈蚀栓钉的锈蚀率。
人工气候环境锈蚀条件下锈蚀栓钉伸长率和弹性模量的退化规律可分别按照下式计算：
(8)
(9)
式中：δs,c和Eu,c分别为锈蚀栓钉的伸长率和名义弹性模量；δs0和Eu0分别为未锈蚀栓钉的伸长率和弹性模量。
4 锈蚀栓钉本构关系模型
从图5可以看出：锈蚀栓钉的应力-应变关系与Nguyen的3折线本构模型[9]较为吻合。因此本文采用Nguyen模型来建立锈蚀栓钉的本构关系模型，如图8 所示。
图8 锈蚀栓钉本构关系模型
Fig. 8 Constitutive model for corroded studs
本构模型如下：
当0≤ ε＜εy时，
(10)
当εy ≤ ε ≤ εu时，
(11)
当ε＞εu时，
(12)
式中：σy和σu分别为锈蚀栓钉屈服强度、极限强度；εy和εu分别为锈蚀栓钉屈服强度、极限强度对应的应变，εy=2 000 με, εu=10εy；Es为锈蚀栓钉的名义弹性模量。
针对本文建立的锈蚀栓钉本构模型，选用不同锈蚀程度的栓钉，将力学性能特征值代入本构模型函数，即可绘制出锈蚀栓钉钢筋的应力-应变曲线。人工气候环境下部分锈蚀栓钉的应力-应变关系的理论曲线与试验曲线的比较见图9所示。由图9可以看出：理论应力-应变曲线与试验应力-应变曲线吻合良好。
图9 锈蚀栓钉的应力-应变曲线比较
Fig. 9 Comparison of stress-strain curve for corroded studs
5 结论
(1) 人工气候环境与恒电流加速锈蚀2种方法均能较好地模拟自然环境下栓钉锈蚀。人工气候环境锈蚀更接近自然环境锈蚀。
(2) 锈蚀栓钉的屈服强度和极限强度随锈蚀率的增加不断下降，下降速率与锈蚀方法有关。人工气候环境锈蚀栓钉的下降速率高于恒电流锈蚀栓钉。
(3) 随着锈蚀程度的逐渐增加，锈蚀栓钉的弹性模量和伸长率不断减小，塑性性能逐渐降低。
(4) 锈蚀栓钉后力学性能不仅与栓钉锈蚀率有关，还与栓钉的锈蚀形态有关。栓钉锈蚀后的力学性能退化主要是由于栓钉有效截面积减小和锈坑周围的应力集中引起的。
(5) 根据试验结果，得到锈蚀栓钉名义屈服强度、极限强度、弹性模量及伸长率的退化模型。并在此基础上，建立锈蚀栓钉的本构关系模型，为栓钉连接件和钢-混凝土组合结构耐久性研究建立了理论基础。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-12-28；修回日期：2013-03-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878216，51278496)
通信作者：余志武(1955-)，男，湖南临湘人，教授，博士生导师；从事结构耐久性研究；电话：13707318097；E-mail: zhwyu@csu.edu.cn
