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user: 3. 试验结果与讨论 3.1. 受力钢筋的腐蚀分析 图3是同一腐蚀环境下的不同应力水平钢筋的极化曲线分析，由图可知随着应力水平的增加，极化曲线图向下方移动，动电位扫描拟合出的极化曲线越往右下偏移，说明腐蚀越严重，其中未受力钢筋极化曲线处于最上方，说明同比下腐蚀较为微弱，加力33 MPa和加力67 MPa的极化曲线接近重合，说明两者的腐蚀情况相近，而加力100 MPa和150 MPa的钢筋腐蚀较为明显，整体的极化曲线向下方移动，可以得到以下结论：未受力的腐蚀速度最低，随着应力水平的增加，腐蚀程度有上升的趋势，应力最大的腐蚀的越严重，这与实验前的预期结果基本吻合。 图3. 不同应力状态下的极化曲线 在腐蚀的过程中，阳极和阴极反应速率以特定的电流密度在电极表面发生耦合，阴阳两电极之间电子交换的速率叫做腐蚀电流密度icorr，此数值越大表明腐蚀越快。观察下表1可知腐蚀电流密度icorr在9.11~61.533 μA/cm 2 之间的变化趋势呈现出逐步增大的现象，前后差值为52.423 μA/cm 2 。对应表1，大致可定性判断：未受力的钢筋腐蚀电流密度为9.11 mA，属于高腐蚀状态，并逐渐加剧，对比来看加力为150 MPa的钢筋腐蚀电流密度为61.533 mA，试件处于极高腐蚀状态。 Table 1 Rebar polarization curve parameter 加力状态 未受力 33 MPa 67 MPa 100 MPa 150 MPa Ecorr/V −0.67294 −0.67854 −0.68 −0.68395 −0.68462 Icorr/(mA/cm 2 ) 0.00911 0.02169 0.024621 0.043032 0.061533 C R /(mm/A) 0.13645 0.25445 0.28884 0.50482 0.72185 表1. 钢筋极化曲线参数 通过腐蚀电流密度可以得到年腐蚀率C R [ 3 ] ，可以更加直观地表示钢筋在盐酸溶液中的腐蚀快慢，在不同应力水平下的钢筋自腐蚀电位和腐蚀电流密度都不相同，自腐蚀电位可以反映钢筋锈蚀容易程度，自腐蚀电位越趋向于正方向说明钢筋的抗腐蚀能力 [ 4 ] 越强，反之越容易被腐蚀，观察表1可知，加力150 MPa的钢筋自腐蚀电位最低，说明150 MPa的钢筋易受到腐蚀，相反未受力的钢筋自腐蚀电位比较大，耐蚀性好。 通过上表1可已看出受力钢筋试件的腐蚀电流密度随应力水平的增加逐渐增大。电流密度逐渐增大，可反映出加力越大钢筋的腐蚀越严重。而年腐蚀速与腐蚀电流密度是成正相关，未受力钢筋的年腐蚀率为0.13645 mm/a，加力为33 MPa、67 MPa、100 MPa及150 MPa的年腐蚀率分别为0.25445 mm/a、0.2884 mm/a、0.50482 mm/a及0.72185 mm/a，随着钢筋应力的增大钢筋表面原始微缺陷在逐渐增大 [ 5 ] ，腐蚀溶液更快的渗透进入钢筋内部，腐蚀产物迅速产生，因此，其腐蚀速率随应力的增大而增大。 3.2. 力学性能分析 力学性能试验 [ 6 ] 是用来衡量钢筋是否能够正常使用的最直接的手段，尤其是建造桥梁所用到的钢筋更应该研究锈蚀后钢筋性能退化的影响，找到受力钢筋锈蚀后的退化规律。此处力学性能分析，是指同一腐蚀环境下、同样长的腐蚀时间，不同预加应力水平的锈蚀钢筋 [ 7 ] 力学性能的变化分析研究。实验数据如表2所示。 Table 2 Mechanical properties of corroded steel bars subjected to different pre-stressing in the same corrosive environmen 性能指标 应力状态 屈服强度MPa 抗拉强度MPa 伸长率% 原始钢筋 475.88 635.3 28.16 未受力 465.88 629.25 26.12 33 MPa 461.6 623.10 25.25 67 MPa 455.36 621.10 23.43 100 MPa 450.86 616.10 22.67 150 MPa 444.84 608.21 20.61 表2. 同一腐蚀环境不同预加应力锈蚀钢筋的力学性能指标 根据实验数据绘制出图4所示的应力–位移曲线图(位移指试验机上下两夹具开始加力后得位移量)。锈蚀试验已经验证应力水平越大其钢筋的锈蚀率越大，也就是在相同的环境下相同的锈蚀时间其锈蚀度越大。通过下图5观察可以得到以下结论：在相同的腐蚀环境下钢筋锈蚀后的屈服强度随着预加应力的增大而有非常明显的下降，即原始钢筋的屈服强度为470.86 MPa，未受力钢筋的屈服强度为453.08 MPa，预加力33 MPa的钢筋屈服强度为448.31 MPa，预加力67 MPa的钢筋屈服强度为432.48 MPa，预加力100 MPa的钢筋屈服强度为450.5 MPa，预加力150 MPa的钢筋屈服强度为430.72 MPa，由此可以看出钢筋锈蚀对力学性能 [ 8 ] 的影响很大，原始钢筋与受150 MPa应力的钢筋相比屈服极限强度下降了40.14 MPa，如此大的差距应该深深的引起我们的重视。 图4. 应力–位移曲线图 图5. 应力–屈服极限折线图 根据伸长率公式 A = ( L U − L 0 ) / L 0 × 100 % ，其中L U 为断后标距，L 0 为原始标距。从实验数据中选取每组受力钢筋的伸长量进行计算得到下表3所示。 Table 3 Stretching after breaking of steel bars with different stress level 钢筋加载类型 原始钢筋 未受力锈蚀钢筋 33 MPa应力锈蚀钢筋 67 MPa应力锈蚀钢筋 100 MPa应力锈蚀钢筋 150 MPa应力锈蚀钢筋 伸长率(%) 28.16 26.12 25.25 23.43 22.67 20.61 表3. 不同应力水平钢筋锈蚀后得断后伸长量 通过对钢筋断后伸长量的比较，可以得出：未锈蚀钢筋的断后伸长率为28.16%高于浸泡在腐蚀溶液中的钢筋，而且还有如下规律，随着钢筋锈蚀前预加力增大，其锈蚀度增大、断后伸长率降低。原始钢筋的伸长率比加力最大的150 MPa钢筋多了7.55%，约为9.06 mm。观察钢筋的颈缩现象如图6同样可以发现，原始钢筋((a)图左边)有很明显的颈缩现象，塑性变形很好，随着预加应力的增加锈蚀严重，颈缩现象变得不明显，塑性变形下降，表现为脆性断裂 [ 9 ] [ 10 ] ((a)图右边加力为150 MPa锈后钢筋)，整体的对比图如(b)所示。锈蚀严重的钢筋塑性变差很容易发生毫无预警的脆性断裂，带来不可预知的后果。 图6. 钢筋断裂对比图 3.3. 锈后钢筋的XRD衍射及金相实验 通过X衍射仪器对不同应力水平的钢筋锈蚀后产物进行比较分析，将得到分析数据整理后导入到origin绘图软件中，通过整体分析后的局部放大形式，对衍射图谱进行优化，根据拟合出的曲线观测可能物质有FeO、Fe 2 O 3 、Fe 3 O 4 。 所有的能谱图在衍射角为15˚前后都出现了一个较为明显的峰，预加力为33 MPa的钢筋锈蚀产物中，在30˚衍射角同样出现了一个较为明显的峰，可以在XRD分析软件jade中分析得到这些峰代表的是什么元素。其中Fe 2 O 3 ·nH 2 O就是俗称的铁锈。 如图7所示，(a)为预加力33 MPa的钢筋锈后产物分析能谱图，图中绿色线为Fe 3 O 4 ，在后面平稳区域含量较少，分析原因是在切割钢筋的时候产生的高温使切割表面瞬间生成了Fe 3 O 4 。蓝色线代表的是Fe 2 O 3 ，在第一个峰处刚好吻合，也说明了此时的主要物质就是Fe 2 O 3 ，众所周知铁锈的主要成分是Fe 2 O 3 ，除此之外还含有少量褐色线代表FeO，FeO是钢筋在生产中与氧气结合产生的。(b)为预加力67 MPa的钢筋锈后产物能谱图，图中蓝色线为Fe 2 O 3 ，可以看出图(b)相比于图(a)中蓝色线数量有了明显的增加，即加力为67 MPa时铁锈的数量有了明显的增多，腐蚀更为严重。(c)为预加力100 MPa的钢筋，蓝色线为Fe 2 O 3 ，每根线几乎都与能谱图的波峰重合，蓝色线的比重再次增加，(d)为预加力150 MPa的钢筋，(d)图的蓝色线是最密集的，几乎充满了每个波峰，也就是说(d)图的钢筋腐蚀是最严重的。通过XRD衍射的检测，从钢筋锈蚀后的表面附着物微观分析，同样证实了随着加力的增大，钢筋的锈蚀越来越严重。 如图8所示：通过对锈蚀后的钢筋进行金相检测，研究钢筋内部组织的变化，(a)为原始钢筋金相图，(c)为预加力33 MPa锈蚀后的金相图，(d)为预加力67 MPa锈蚀后的金相图，(e)为预加力100 MPa锈蚀后的金相图，(f)为预加力150 MPa锈蚀后的金相图，通过高倍数金相显微镜观察得到以下结论：晶相中的黑色铁素体明显增多，珠光体越来越分散，晶体的间距随着腐蚀的程度的增大而增大，预加力150 MPa的钢筋与原始钢筋相比组织趋于分散，表面也含有少量的蚀坑，当钢筋受到外力作用时，这些缺陷都会导致钢筋力学性能发生变化 [ 11 ] 。 图7. 能谱图拟合结果 图8. 金相组分图 3.4. 力学性能退化模型 经过30天的腐蚀后，进行力学性能试验，将实验数据整理如下表4所示。 Table 4 Mechanical properties of corroded steel bars subjected to different pre-stressing stresses in the same corrosive environmen 性能指标 应力状态 屈服强度MPa 抗拉强度MPa 伸长率% 原始钢筋 475.88 635.3 28.16 未受力 465.88 629.25 26.12 33 MPa 461.6 623.10 25.25 67 MPa 455.36 621.10 23.43 100 MPa 450.86 616.10 22.67 150 MPa 444.84 608.21 20.61 表4. 同一腐蚀环境不同预加应力锈蚀钢筋的力学性能指标 Table 5 Degradation of mechanical index of steel bars subjected to different pre-stress levels in the same corrosive environmen 性能指标 应力状态 屈服强度退化程度% 抗拉强度退化程度% 伸长率退化程度% 原始钢筋 0 0 0 未受力 2.1 1.0 7.2 33 MPa 3.0 1.9 10.3 67 MPa 4.3 2.2 16.8 100 MPa 5.2 3.0 19.5 150 MPa 6.5 4.3 26.8 表5. 同一腐蚀环境下不同预加应力水平钢筋的力学指标退化表 根据上表5的各项力学性能数据绘制出二位平面离散点图，从图上来看基本上呈线性变化规律，因此，利用最小二乘法线性回归的力学性能变化规律斜直线如图9所示，得到钢筋腐蚀后的屈服强度，抗拉强度，断后伸长率与预加应力水平的关系式为： f yc = ( − 0.0136 x + 1.01 ) f c (1) f uc = ( − 0.0098 x + 1.0121 ) f u (2) δ sc = ( − 0.0507 x + 1.0427 ) f s (3) 图9. 力学性能与应力水平的关系 由图9可知，在同一腐蚀环境下不同应力水平的钢筋力学性能随着应力水平的增大表现出如下特征： 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。