精軋螺紋鋼筋在鐵路大中跨橋、大型框架結(jié)構(gòu)、公路、大型水利連續(xù)梁、民用建筑連續(xù)梁等工程中應(yīng)用廣泛。精軋螺紋鋼筋在張拉施工過程中發(fā)生斷裂會(huì)造成人員傷亡，因此對(duì)精軋螺紋鋼筋的質(zhì)量控制至關(guān)重要。某快速路懸臂結(jié)構(gòu)的多根PSB930預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋在張拉錨固完成后出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象(見圖1)，斷裂位置為張拉端錨墊板后方附近，斷裂鋼筋存在明顯腐蝕現(xiàn)象。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法，查明了鋼筋斷裂的原因,并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
將鋼筋斷口清洗后，對(duì)其進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：鋼筋斷口為典型的I型裂紋斷口，斷裂起源于表面螺紋根部，裂紋沿螺紋根部的內(nèi)擴(kuò)展，斷面大部分較光滑，未見頸縮現(xiàn)象，屬于典型的脆性斷裂。
1.2 化學(xué)成分分析
在斷口附近取樣，使用等離子體發(fā)射光譜儀和紅外碳硫分析儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂鋼筋化學(xué)成分符合GB/T 20065—2016《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》的要求。
1.3 微觀分析
1.3.1 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
使用掃描電鏡對(duì)鋼筋斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂源區(qū)主要呈沿晶特征，擴(kuò)展區(qū)呈解理和準(zhǔn)解理特征，斷裂源區(qū)鋼筋表面局部存在腐蝕坑。
對(duì)斷裂源區(qū)附著物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：附著物主要含有Fe元素和O元素，還存在少量S元素和Cl元素，為腐蝕產(chǎn)物。
1.3.2 表面質(zhì)量檢查
在鋼筋斷口附近取樣，使用鹽酸水溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行除銹處理，然后用體視顯微鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行微觀觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷裂源區(qū)附近表面存在腐蝕坑，非斷裂源區(qū)鋼筋表面無明顯腐蝕坑；斷裂源區(qū)附近螺紋根部存在裂紋。
1.3.3 金相檢驗(yàn)
在鋼筋斷口附近取樣，將試樣腐蝕后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣近表面處組織為回火馬氏體，心部組織為珠光體+貝氏體+少量鐵素體；斷裂源區(qū)附近縱截面可觀察到腐蝕坑，部分深度達(dá)到0.31mm。
1.4 力學(xué)性能測(cè)試
在斷裂鋼筋上取樣，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。取與斷裂鋼筋同批次的正常鋼筋進(jìn)行松弛和疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表2，3可知：該批次鋼筋的力學(xué)性能符合 GB/T 20065—2016的要求。
采用顯微硬度計(jì)對(duì)斷裂鋼筋的近表面處和心部進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)力為4.90N，試驗(yàn)力保持時(shí)間為10s，測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知：鋼筋近表面處的硬度遠(yuǎn)高于心部的硬度。
2、 綜合分析
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該斷裂鋼筋的化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足 GB/T 20065—2016的要求。斷裂起源于表面螺紋根部螺紋根部屬于結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中處。斷裂源區(qū)主要呈沿晶脆性斷裂特征，斷面存在腐蝕產(chǎn)物,其含有Fe、O、S、Cl等元素。鋼筋近表面處組織為回火馬氏體,硬度約為500HV，斷裂源區(qū)附近部分腐蝕坑深度達(dá)到0.31mm。在冷卻過程中,鋼筋表面的冷卻速率大于心部的冷卻速率，鋼筋表面首先形成馬氏體，而心部一般不會(huì)形成馬氏體。一般來說，硬度較高的馬氏體對(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感，鋼筋表面的腐蝕坑進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中，說明鋼筋的斷裂與應(yīng)力腐蝕有關(guān)。
應(yīng)力腐蝕是指某種金屬在應(yīng)力和特定的腐蝕條件下產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，應(yīng)力和腐蝕環(huán)境相互作用，促進(jìn)了裂紋的生成和擴(kuò)展。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土呈強(qiáng)堿性，鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，使鋼筋處于不被腐蝕的鈍化狀態(tài)。鈍化膜一旦遭到破壞，鋼筋就會(huì)處于脫鈍狀態(tài)，在足夠水和氧氣的條件下，會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋被腐蝕。在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的工作過程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，高應(yīng)力狀態(tài)會(huì)提高鋼筋的腐蝕活性和腐蝕速率，并與腐蝕耦合形成應(yīng)力腐蝕。
結(jié)合預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的使用情況可知，該預(yù)張力系統(tǒng)固定端鋼筋提前固定在混凝土中，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后對(duì)其進(jìn)行張拉和灌漿作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工記錄可知，鋼筋固定與張拉和灌漿相隔時(shí)間大于28d，部分甚至達(dá)到6個(gè)月。鋼筋固定后在預(yù)應(yīng)力管道中也未對(duì)其采取保護(hù)措施，空氣中的水氣與雨水進(jìn)入預(yù)應(yīng)力管道，與氧氣共同作用，導(dǎo)致鋼筋表面腐蝕并形成腐蝕坑，隨著腐蝕坑的不斷擴(kuò)大，相鄰的腐蝕坑會(huì)相互交錯(cuò)形成更深、更大的點(diǎn)腐蝕，當(dāng)點(diǎn)腐蝕擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)變成裂紋。張拉錨固后，鋼筋的對(duì)中性難以控制，張拉端錨墊板后方附近鋼筋內(nèi)部除受了拉應(yīng)力外還會(huì)存在一定的剪切應(yīng)力，在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下，鋼筋螺紋根部腐蝕坑處等應(yīng)力集中位置發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂，腐蝕裂紋向鋼筋內(nèi)部擴(kuò)展到一定深度，最終導(dǎo)致鋼筋斷裂。
3、 結(jié)論與建議
鋼筋近表面處的組織為回火馬氏體，對(duì)應(yīng)力腐蝕較為敏感，且鋼筋在安裝后未采取有效保護(hù)措施，導(dǎo)致表面出現(xiàn)腐蝕坑。此外，對(duì)中性不良使鋼筋在張拉后受到額外的剪切應(yīng)力，在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下，裂紋在鋼筋螺紋根部腐蝕坑處萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼筋斷裂。
預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)在安裝后規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)完成張拉和灌漿作業(yè)，以防止鋼筋腐蝕，且在張拉前需采取有效的防腐蝕保護(hù)措施。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制鋼筋的對(duì)中性。在生產(chǎn)制造時(shí)采取適當(dāng)?shù)墓に嚕苊猱a(chǎn)生應(yīng)力集中。
作者：尹亞豪，郭磊，陳曉東，蘇建鋒，劉洋
單位：中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第9期
