基于全场应变测量的腐蚀钢棒的拉伸性能及随机本构模型

《Corrosion Science》：Tensile Behavior and Stochastic Constitutive Model for Corroded Steel Bars Based on Full-Field Strain Measurements

　　摘要
沿海地区的钢筋混凝土（RC）结构容易受到氯化物引发的钢筋腐蚀。这种不均匀的腐蚀形态表现为局部坑蚀，不仅会降低材料的机械性能，还会使钢筋的降解行为变得更加随机。为了研究这些效应，研究人员使用电化学加速腐蚀方法制备了80根具有不同腐蚀率和直径的变形钢筋。随后采用三维（3D）扫描技术量化腐蚀形态参数，并进行了统计分析。接着进行了单调拉伸试验，并利用数字图像相关（DIC）技术获得的全场应变数据来研究腐蚀形态对机械性能的影响。结果表明，腐蚀后钢筋的残余截面积遵循对数正态分布，而腐蚀不均匀性系数则遵循Gumbel分布，其分布参数取决于平均截面积腐蚀率和钢筋直径。随着平均截面积腐蚀率的增加，钢筋的名义强度和应变显著降低。应变能力的下降比强度的下降更为明显，在平均截面积腐蚀率约为30.2%时，屈服平台逐渐缩短并最终消失。因此，建立了一个基于这一现象的随机拉伸本构模型，并通过ABAQUS有限元模拟进行了验证，为RC结构的生命周期可靠性评估提供了基础。

引言
位于沿海地区的钢筋混凝土结构特别容易受到氯化物的侵蚀，这会导致钢筋腐蚀，这是影响RC构件和结构性能的主要因素之一[1]、[2]、[3]、[4]。近期研究采用实验、数值和数据驱动方法探讨了腐蚀引起的开裂[5]、[6]、[7]、粘结力下降[8]、[9]以及腐蚀RC结构的机械性能退化[10]、[11]、[12]。由于混凝土孔隙结构的复杂性、环境因素以及混凝土覆盖层厚度的变化，钢筋的腐蚀形态往往是不均匀的，尤其是在被氯离子侵蚀的情况下。这种不均匀的腐蚀表现为沿钢筋长度和周围出现高度局部化的、分布不规则的腐蚀坑。严重坑蚀部位的应力集中会显著降低钢筋的强度和变形能力[13]，从而损害RC结构的性能[14]。腐蚀钢筋（CSB）的机械性能直接受到其腐蚀形态的影响[15]。近年来，许多实验研究了自然腐蚀和人为损伤钢筋的机械退化机制。准确预测CSB的拉伸行为（包括屈服点、屈服平台和极限点）对于评估腐蚀RC结构的性能至关重要。大多数研究集中在CSB在单调加载和循环加载下的拉伸行为[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。测试结果一致表明，CSB通常在截面面积最小的部位发生失效，这归因于应力集中[15]、[16]。随着腐蚀率的增加，变形能力的下降比强度的下降更为明显，这是由于腐蚀形态的分布不均匀所致。基于这些测试结果，提出了屈服强度、极限强度和极限应变的经验公式[17]、[18]、[19]。然而，尽管不同研究观察到的趋势相似，但从测试数据得出的回归公式仍存在明显差异，主要是由于不同研究中记录的钢筋腐蚀形态存在差异。此外，在大多数上述研究中，应变计和引伸计仅用于测量钢筋特定范围内的平均应变。但这些传统方法通常只能捕捉钢筋的局部平均应变，无法充分说明应变分布与钢筋不均匀腐蚀形态之间的关系。此外，应变计往往在钢筋断裂前就已失效，而引伸计则通常在钢筋出现明显颈缩之前被取出，从而导致无法完整评估加载过程中的钢筋应变。因此，钢筋拉伸应力-应变关系中的某些关键变形参数（如屈服平台和极限应变）未能得到充分研究。

由于混凝土内部结构和环境条件的变化，钢筋的腐蚀是一个随机过程，导致腐蚀形态的随机分布，这是CSB机械性能退化的主因。在以往的研究中，人们使用称重分段法[24]、液体置换技术[25]、[26]和游标卡尺[27]等传统方法来研究腐蚀分布的均匀性，但这些方法操作不便且结果误差较大。随着光学摄影技术的发展，许多研究人员采用光学表面测量技术获取CSB的三维腐蚀形态，并发展了概率分布模型[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。Kashani等人[28]发现坑蚀效应是一个随时间变化的现象，对数正态分布模型可以描述包括坑蚀效应在内的CSB几何特性不均匀分布。Tang等人[29]使用3D激光扫描仪确定了CSB的平均和最小残余截面积，并发现腐蚀并未影响基于最小残余截面积的屈服强度和极限强度。Li等人[30]利用CSB的三维图像对不均匀腐蚀形态进行了统计分析。基于腐蚀钢筋外几何形状的3D扫描结果，一些研究人员[35]、[36]开发了CSB的三维有限元模型（FEM）以研究其失效过程和坑蚀的局部效应。虽然先进的光学摄影技术已被用于表征CSB的不均匀腐蚀形态，从而为揭示其机械性能退化机制奠定了基础，但不均匀腐蚀形态与不均匀应变分布之间的关系尚未明确。现有的钢筋应力-应变关系仍依赖于基于质量损失腐蚀率或平均截面积腐蚀率或最小残余面积的经验公式，这些公式没有考虑腐蚀形态随机分布对CSB机械性能的影响。因此，它们无法用于腐蚀RC结构的可靠性分析。为了研究腐蚀形态不均匀分布对CSB机械行为的影响，并进一步开发一个能够考虑腐蚀内在随机性的适当力学模型，本研究在CSB的拉伸试验中同时采用了3D激光扫描和3D数字图像相关（DIC）测量技术。根据测试结果，建立了腐蚀形态参数的概率分布模型。通过腐蚀形态分布和全场应变分布揭示了腐蚀形态对CSB机械行为的影响。随后，提出了一个考虑腐蚀形态不均匀性和随机性的CSB随机拉伸本构模型，并通过实验和数值结果进行了验证。

与现有研究相比，本研究的主要贡献是开发了一个基于形态信息的CSB随机拉伸本构模型。通过结合3D扫描和全场DIC测量，将纵向腐蚀形态与应变局部化和拉伸退化直接关联起来。然后将腐蚀形态的概率特征纳入关键本构参数中，从而生成完整的随机应力-应变曲线，而不仅仅是离散机械指标的确定性预测。

**CSB的制备**
本研究使用了直径为8mm、12mm、16mm和20mm的HRB400变形钢筋。所有钢筋均采用传统的热轧工艺制造。共准备了80根钢筋，包括16根未腐蚀的钢筋和64根腐蚀钢筋，以研究腐蚀率和钢筋直径对其腐蚀形态和拉伸行为的影响。样品参数总结在表1中，每个参数组准备了4根钢筋。

**腐蚀形态的比较**
不同平均截面积腐蚀率（ηave）下的钢筋典型表面形态如图4所示。未腐蚀的钢筋表面光滑，具有良好的金属光泽和完整的肋条。当ηave达到6.42%时，钢筋表面变得粗糙，逐渐失去金属光泽，而腐蚀沿纵向相对均匀分布。当ηave增加到10.45%时，表面粗糙度进一步增加。

**非均匀腐蚀钢筋的拉伸行为测试**
为了研究不均匀腐蚀形态对CSB拉伸行为的影响，对扫描后的CSB进行了单调拉伸试验。使用DIC技术测量了沿纵向的轴向应变分布。这种综合方法允许定量评估腐蚀形态对CSB机械性能的影响。

**非均匀腐蚀钢筋的随机本构模型**
CSB的机械性能退化主要受腐蚀不均匀性的控制，而腐蚀形态的固有随机性则为机械性能带来了额外的不确定性。为了捕捉这些效应，基于腐蚀形态的概率特征和以下假设开发了一种随机本构建模方法：
（1）CSB的拉伸退化和断裂主要受最小残余截面积的控制。

**不确定性传播及其在生命周期可靠性评估中的应用**
所提出的随机本构模型提供了从腐蚀形态到结构响应的不确定性传播基础。对于给定的服役时间和暴露条件，首先可以使用适当的腐蚀传播模型估计平均腐蚀率。然后确定腐蚀形态参数的概率分布，并将其不确定性传播到关键本构参数，包括名义强度和硬化起始点。

**结论**
本研究采用了电化学加速腐蚀方法制备了80根具有不同腐蚀率的钢筋。通过3D扫描技术和MATLAB编程获取了CSB的表面形态参数，并进行了统计分析。随后对CSB进行了单调拉伸试验，并利用DIC技术获得的全场应变数据研究了腐蚀形态对CSB机械性能的影响。

**作者贡献声明**
陈朝航：撰写——原始草案、研究；
刘阳：撰写——审阅与编辑、方法论；
叶勇：撰写——审阅与编辑；
郭子雄：撰写——审阅与编辑、方法论；
何宝瑞：撰写——原始草案、研究；
刘晓娟：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有任何已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**
非常感谢中国国家自然科学基金（51808236）、福建省自然科学基金（2025J01153）和泉州市科技计划项目（2024NS013）的财政支持。

**作者信息**
陈朝航 | 刘阳 | 刘晓娟 | 何宝瑞 | 郭子雄 | 叶勇
中国厦门华侨大学土木工程学院，361021