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【摘要】 预应力结构被越来越多的应用到隧道及边坡加固工程中，这些工程因外界环境较复杂，常存在失效破坏现象。本文根据钢筋疲劳破坏的规律及钢筋锈蚀的理论，采用钢筋轴向拉伸疲劳试验;利用疲劳试验所得试件，选取pH值和时间作为影响杆件腐蚀的主要因素，并对各因素正交组合后进行预应力杆件的室内加速腐蚀试验，以分析疲劳荷载与腐蚀介质耦合作用下预应力杆体的疲劳锈蚀性能。
【关键词】 预应力;疲劳荷载;腐蚀
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.05.013
Experimental Study on Durability of Prestress Bar Under
Fatigueload and Corrosive Media
ZHANG Wei-yi
（Shandong Transportation Institute，Jinan 250102，China）
Abstract： Prestressed structure are more and more used in bridge，tunnel and slope anchorage engineering. The external environment of these projects is generally complex，and it often has failure phenomenon. In this paper，according to the law of fatigue damage of steel bars and the theory of steel bar corrosion，axial tensile fatigue test，fatigue tests are performed for each specimen at different times. Based on the fatigue test，the pH value and time are chosen as the main factors which influence the corrosion of the anchor，and the indoor accelerated corrosion tests are carried out on the basis of orthogonal combination. To analyse fatigue corrosion behavior of prestressed concrete under the coupling of fatigue load and corrosive medium.
Key words： prestress;fatigueloads;corrosion
預应力混凝土结构由于其受力性能良好，能充分发挥材料的潜能，具有施工快速、安全、经济等优点，已在解决我国公路建设工程难题中得到广泛应用。然而，预应力混凝土结构功能衰退是一个不可逆的耐久性裂化过程。在过去预应力结构设计和计算中，并未考虑其长期耐久性问题。有关预应力结构及其杆体在腐蚀和疲劳耦合作用下的耐久性研究工作仍落后于实践，大部分的设计只能依靠经验和工程类比的方法来确定[1-4]。
本文在钢筋疲劳破坏规律及钢筋锈蚀理论研究的基础上，设计了预应力杆体在疲劳荷载与腐蚀耦合作用下的试验研究方法，基于室内腐蚀试验成果，分析了预应力杆件在疲劳荷载及腐蚀介质耦合作用下的物理力学性能衰减规律，提出了单位长度腐蚀量与各影响因素之间的关系。
1 试验简介及试验结果的处理
1.1 钢筋轴向拉伸疲劳试验
1.1.1 试件概况
试验所用钢筋试件共计20根，平均分为A、B两组。分别选取两组中的9根钢筋，进行疲劳拉伸试验。两组中剩余的1根钢筋用于比对。
试验选用长约400 mm、直径6.5 mm、极限抗拉强度460 Mpa的Q235钢筋，依据每根钢筋设计的受拉次数进行编号，在疲劳试验前对试件进行长度、直径、重量测量。
1.1.2 试验方案
试验参考GB/T 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》[5]，试验采用控制荷载循环次数，按正弦波等幅加载，应力水平为0.8（即杆体极限强度的80%），荷载变幅在加载应力的基础上±10%，加载频率为10 Hz。试验过程中，通过疲劳机的主控计算机来控制加载并采集波形和试验数据。
1.2 室内腐蚀试验
基于实际工况，对各影响因素进行排列组合设计。主要考虑因素为：1）pH为4的酸性环境、pH为9的碱性环境;2）试验进行一个月、二个月、三个月三个腐蚀时间。室内加速腐蚀试验中，在设定腐蚀时间达到后将钢筋取出，去除表面铁锈，再次测量钢筋的直径、质量。
本试验的结果分析采用单位长度腐蚀量法，即腐蚀前的质量与长度的比值和腐蚀后的质量与长度的比值的差。如下式所示：
[lr=m-m=m-ML]
式中：[lr]——单位长度腐蚀量（g/cm）;
[m]——腐蚀前钢筋单位长度质量（g/cm）;
[m]——腐蚀后钢筋单位长度质量（g/cm）;
M——腐蚀后钢筋的质量（g）;
L——腐蚀后钢筋的长度（cm）。
2 试验结果分析
2.1 钢筋轴向拉伸疲劳试验结果分析
根据试验方案对试件进行不同次数的轴向拉伸疲劳试验，试验参数和结果记录如表1所示。
根据试验方案对钢筋进行不同次数的轴向拉伸疲劳试验，拉伸后钢筋均变长，随着疲劳拉伸次数的增加，钢筋的伸长量、伸长率也增加，与此同时，钢筋的直径减小。在外观规律性表现方面，对比疲劳试验前后的钢筋试件可以发现，试验前后钢筋表层由完整光亮变得暗淡，表面由完整变得破碎剥落，且破碎的程度随试验次数增加而愈发严重。 2.2 室内腐蚀试验结果分析
A、B两组钢筋加速腐蚀一个月后，按照试验设计的方案测量试件的重量、長度和直径，计算其单位长度锈蚀量。
一个月后对取出的钢筋试件观察后发现，对于酸性腐蚀介质（pH=4）内的钢筋，经过一个月的加速腐蚀，钢筋表面主要表现为密集的条纹状和丝状腐蚀，其腐蚀纹理的走向与疲劳拉伸后表层裂纹的走向重合，且不同拉伸次数的钢筋试件表现出相似的腐蚀现象。对于碱性腐蚀介质内的钢筋，钢筋表面大部分腐蚀较浅，少部分区域腐蚀较严重。腐蚀较严重区域存在少量的条纹，且不明显。
对取出的钢筋试件，计算其单位长度锈蚀量，绘制柱形图，如图1所示。
两个月后取出钢筋，进行观察后发现，酸性介质中的钢筋腐蚀较均匀，表层存在黑色腐蚀物质，腐蚀物质较软，潮湿状态下为泥状，干燥状态为粉状;而碱性介质中的钢筋表面存在有红褐色氧化膜，氧化膜覆盖在钢筋外层，但厚度不均。
该氧化膜为钢筋与腐蚀介质化学反应的结果，在此化学反应中，阳极区发生氧化反应：Fe→Fe2+2e-。在阴极区发生还原反应：O2+4e-+2H2O→4OH-。钢筋锈蚀机理如图2所示[6]。
对取出的钢筋试件，计算其单位长度锈蚀量，绘制柱形图，如图3所示。
四个月后取出钢筋，进行观察后发现，酸性介质中的钢筋表面覆盖有较细碎红褐色氧化物，湿润状态下呈软泥状，干燥情况下轻触即掉落，如图4所示。碱性介质中钢筋表面生成一层较厚的深红褐色氧化物，干燥后会整体脱落，如图5所示。
对取出的钢筋试件，计算其单位长度锈蚀量，绘制柱形图，如图6所示。
对腐蚀试件处理后，得到钢筋在酸性介质和碱性介质中单位长度腐蚀量分布范围，将数据汇总如表2所示。
2.3 腐蚀规律分析
通过外观观察发现，腐蚀初期试件表面主要表现为密集的条纹状或丝状，四个月后逐渐演化为点状或坑槽状腐蚀。在腐蚀裂纹的发展阶段，金属组织结构由于电化学反应产生变化，同时应力集中于裂纹尖端，组织结构被撕裂，最终形成坑槽状的局部腐蚀孔洞。
通过对试验所得数据分析可知，在同一腐蚀介质内的试件，不同时间节点的腐蚀量变化趋势基本一致，但是碱性介质中的腐蚀速率较低，而酸性介质中的腐蚀速率整体呈增大趋势，且疲劳拉伸次数多的试件，其单位长度腐蚀量一直保持着较大值。
3 结论
本文基于钢筋锈蚀基本理论及钢筋疲劳破坏规律，借助轴向拉伸疲劳试验和室内加速腐蚀试验，研究不同因素耦合作用下钢筋的腐蚀规律，主要结论如下：
1）钢筋伸长率随疲劳拉伸次数增多而变大;外观上表面由完整变得破碎剥落，且破碎程度随拉伸次数增加而增大。
2）随腐蚀时间增长，钢筋表面开始为丝状腐蚀，后为点状及坑槽状腐蚀，钢筋表面也逐渐被暗红色或红色的氧化膜覆盖。
3）单位长度腐蚀量随着腐蚀介质pH值降低、疲劳拉伸次数增大及时间的延长，其腐蚀量将不断增大，而腐蚀速率在降低。
【参考文献】
[1] 赵长海.预应力锚固技术[M].武汉：中国水利水电出版社，2001：1-8.
[2] 程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：2-29.
[3] 刘西拉，宋晓冰.结构工程耐久性的基础研究[C].//土建结构工程的安全性与耐久性.北京：清华大学，2001：148-154.
[4] 张思峰，宋修广，李艳梅，等.边坡预应力单锚索耐久性分析及其失效特性研究[J].公路交通科技，2011（9）：22-29.
[5] 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法：GB 15248—2008[S].
[6] 张伟平，顾祥林，金贤玉，等.混凝土中钢筋锈蚀机理及锈蚀钢筋力学性能研究[J].建筑结构学报，2010（S1）：327-332.
【作者简介】
张炜熠，男，1992年出生，助理工程师，硕士，研究方向为道路结构与材料。
【关键词】 预应力;疲劳荷载;腐蚀
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.05.013
Experimental Study on Durability of Prestress Bar Under
Fatigueload and Corrosive Media
ZHANG Wei-yi
（Shandong Transportation Institute，Jinan 250102，China）
Abstract： Prestressed structure are more and more used in bridge，tunnel and slope anchorage engineering. The external environment of these projects is generally complex，and it often has failure phenomenon. In this paper，according to the law of fatigue damage of steel bars and the theory of steel bar corrosion，axial tensile fatigue test，fatigue tests are performed for each specimen at different times. Based on the fatigue test，the pH value and time are chosen as the main factors which influence the corrosion of the anchor，and the indoor accelerated corrosion tests are carried out on the basis of orthogonal combination. To analyse fatigue corrosion behavior of prestressed concrete under the coupling of fatigue load and corrosive medium.
Key words： prestress;fatigueloads;corrosion
預应力混凝土结构由于其受力性能良好，能充分发挥材料的潜能，具有施工快速、安全、经济等优点，已在解决我国公路建设工程难题中得到广泛应用。然而，预应力混凝土结构功能衰退是一个不可逆的耐久性裂化过程。在过去预应力结构设计和计算中，并未考虑其长期耐久性问题。有关预应力结构及其杆体在腐蚀和疲劳耦合作用下的耐久性研究工作仍落后于实践，大部分的设计只能依靠经验和工程类比的方法来确定[1-4]。
本文在钢筋疲劳破坏规律及钢筋锈蚀理论研究的基础上，设计了预应力杆体在疲劳荷载与腐蚀耦合作用下的试验研究方法，基于室内腐蚀试验成果，分析了预应力杆件在疲劳荷载及腐蚀介质耦合作用下的物理力学性能衰减规律，提出了单位长度腐蚀量与各影响因素之间的关系。
1 试验简介及试验结果的处理
1.1 钢筋轴向拉伸疲劳试验
1.1.1 试件概况
试验所用钢筋试件共计20根，平均分为A、B两组。分别选取两组中的9根钢筋，进行疲劳拉伸试验。两组中剩余的1根钢筋用于比对。
试验选用长约400 mm、直径6.5 mm、极限抗拉强度460 Mpa的Q235钢筋，依据每根钢筋设计的受拉次数进行编号，在疲劳试验前对试件进行长度、直径、重量测量。
1.1.2 试验方案
试验参考GB/T 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》[5]，试验采用控制荷载循环次数，按正弦波等幅加载，应力水平为0.8（即杆体极限强度的80%），荷载变幅在加载应力的基础上±10%，加载频率为10 Hz。试验过程中，通过疲劳机的主控计算机来控制加载并采集波形和试验数据。
1.2 室内腐蚀试验
基于实际工况，对各影响因素进行排列组合设计。主要考虑因素为：1）pH为4的酸性环境、pH为9的碱性环境;2）试验进行一个月、二个月、三个月三个腐蚀时间。室内加速腐蚀试验中，在设定腐蚀时间达到后将钢筋取出，去除表面铁锈，再次测量钢筋的直径、质量。
本试验的结果分析采用单位长度腐蚀量法，即腐蚀前的质量与长度的比值和腐蚀后的质量与长度的比值的差。如下式所示：
[lr=m-m=m-ML]
式中：[lr]——单位长度腐蚀量（g/cm）;
[m]——腐蚀前钢筋单位长度质量（g/cm）;
[m]——腐蚀后钢筋单位长度质量（g/cm）;
M——腐蚀后钢筋的质量（g）;
L——腐蚀后钢筋的长度（cm）。
2 试验结果分析
2.1 钢筋轴向拉伸疲劳试验结果分析
根据试验方案对试件进行不同次数的轴向拉伸疲劳试验，试验参数和结果记录如表1所示。
根据试验方案对钢筋进行不同次数的轴向拉伸疲劳试验，拉伸后钢筋均变长，随着疲劳拉伸次数的增加，钢筋的伸长量、伸长率也增加，与此同时，钢筋的直径减小。在外观规律性表现方面，对比疲劳试验前后的钢筋试件可以发现，试验前后钢筋表层由完整光亮变得暗淡，表面由完整变得破碎剥落，且破碎的程度随试验次数增加而愈发严重。 2.2 室内腐蚀试验结果分析
A、B两组钢筋加速腐蚀一个月后，按照试验设计的方案测量试件的重量、長度和直径，计算其单位长度锈蚀量。
一个月后对取出的钢筋试件观察后发现，对于酸性腐蚀介质（pH=4）内的钢筋，经过一个月的加速腐蚀，钢筋表面主要表现为密集的条纹状和丝状腐蚀，其腐蚀纹理的走向与疲劳拉伸后表层裂纹的走向重合，且不同拉伸次数的钢筋试件表现出相似的腐蚀现象。对于碱性腐蚀介质内的钢筋，钢筋表面大部分腐蚀较浅，少部分区域腐蚀较严重。腐蚀较严重区域存在少量的条纹，且不明显。
对取出的钢筋试件，计算其单位长度锈蚀量，绘制柱形图，如图1所示。
两个月后取出钢筋，进行观察后发现，酸性介质中的钢筋腐蚀较均匀，表层存在黑色腐蚀物质，腐蚀物质较软，潮湿状态下为泥状，干燥状态为粉状;而碱性介质中的钢筋表面存在有红褐色氧化膜，氧化膜覆盖在钢筋外层，但厚度不均。
该氧化膜为钢筋与腐蚀介质化学反应的结果，在此化学反应中，阳极区发生氧化反应：Fe→Fe2+2e-。在阴极区发生还原反应：O2+4e-+2H2O→4OH-。钢筋锈蚀机理如图2所示[6]。
对取出的钢筋试件，计算其单位长度锈蚀量，绘制柱形图，如图3所示。
四个月后取出钢筋，进行观察后发现，酸性介质中的钢筋表面覆盖有较细碎红褐色氧化物，湿润状态下呈软泥状，干燥情况下轻触即掉落，如图4所示。碱性介质中钢筋表面生成一层较厚的深红褐色氧化物，干燥后会整体脱落，如图5所示。
对取出的钢筋试件，计算其单位长度锈蚀量，绘制柱形图，如图6所示。
对腐蚀试件处理后，得到钢筋在酸性介质和碱性介质中单位长度腐蚀量分布范围，将数据汇总如表2所示。
2.3 腐蚀规律分析
通过外观观察发现，腐蚀初期试件表面主要表现为密集的条纹状或丝状，四个月后逐渐演化为点状或坑槽状腐蚀。在腐蚀裂纹的发展阶段，金属组织结构由于电化学反应产生变化，同时应力集中于裂纹尖端，组织结构被撕裂，最终形成坑槽状的局部腐蚀孔洞。
通过对试验所得数据分析可知，在同一腐蚀介质内的试件，不同时间节点的腐蚀量变化趋势基本一致，但是碱性介质中的腐蚀速率较低，而酸性介质中的腐蚀速率整体呈增大趋势，且疲劳拉伸次数多的试件，其单位长度腐蚀量一直保持着较大值。
3 结论
本文基于钢筋锈蚀基本理论及钢筋疲劳破坏规律，借助轴向拉伸疲劳试验和室内加速腐蚀试验，研究不同因素耦合作用下钢筋的腐蚀规律，主要结论如下：
1）钢筋伸长率随疲劳拉伸次数增多而变大;外观上表面由完整变得破碎剥落，且破碎程度随拉伸次数增加而增大。
2）随腐蚀时间增长，钢筋表面开始为丝状腐蚀，后为点状及坑槽状腐蚀，钢筋表面也逐渐被暗红色或红色的氧化膜覆盖。
3）单位长度腐蚀量随着腐蚀介质pH值降低、疲劳拉伸次数增大及时间的延长，其腐蚀量将不断增大，而腐蚀速率在降低。
【参考文献】
[1] 赵长海.预应力锚固技术[M].武汉：中国水利水电出版社，2001：1-8.
[2] 程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：2-29.
[3] 刘西拉，宋晓冰.结构工程耐久性的基础研究[C].//土建结构工程的安全性与耐久性.北京：清华大学，2001：148-154.
[4] 张思峰，宋修广，李艳梅，等.边坡预应力单锚索耐久性分析及其失效特性研究[J].公路交通科技，2011（9）：22-29.
[5] 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法：GB 15248—2008[S].
[6] 张伟平，顾祥林，金贤玉，等.混凝土中钢筋锈蚀机理及锈蚀钢筋力学性能研究[J].建筑结构学报，2010（S1）：327-332.
【作者简介】
张炜熠，男，1992年出生，助理工程师，硕士，研究方向为道路结构与材料。