精轧螺纹钢筋在铁路大中跨桥、大型框架结构、公路、大型水利连续梁、民用建筑连续梁等工程中应用广泛。精轧螺纹钢筋在张拉施工过程中发生断裂会造成人员伤亡，因此对精轧螺纹钢筋的质量控制至关重要。某快速路悬臂结构的多根PSB930预应力精轧螺纹钢筋在张拉锚固完成后出现断裂现象(见图1)，断裂位置为张拉端锚垫板后方附近，断裂钢筋存在明显腐蚀现象。研究人员采用一系列理化检验方法，查明了钢筋断裂的原因,并提出了相应的预防措施，以避免该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
将钢筋断口清洗后，对其进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：钢筋断口为典型的I型裂纹断口，断裂起源于表面螺纹根部，裂纹沿螺纹根部的内扩展，断面大部分较光滑，未见颈缩现象，属于典型的脆性断裂。
1.2 化学成分分析
在断口附近取样，使用等离子体发射光谱仪和红外碳硫分析仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂钢筋化学成分符合GB/T 20065—2016《预应力混凝土用螺纹钢筋》的要求。
1.3 微观分析
1.3.1 扫描电镜(SEM)及能谱分析
使用扫描电镜对钢筋断口进行观察，结果如图3所示。由图3可知：断裂源区主要呈沿晶特征，扩展区呈解理和准解理特征，断裂源区钢筋表面局部存在腐蚀坑。
对断裂源区附着物进行能谱分析，结果如图4所示。由图4可知：附着物主要含有Fe元素和O元素，还存在少量S元素和Cl元素，为腐蚀产物。
1.3.2 表面质量检查
在钢筋断口附近取样，使用盐酸水溶液对试样表面进行除锈处理，然后用体视显微镜对试样表面进行微观观察,结果如图5所示。由图5可知：断裂源区附近表面存在腐蚀坑，非断裂源区钢筋表面无明显腐蚀坑；断裂源区附近螺纹根部存在裂纹。
1.3.3 金相检验
在钢筋断口附近取样，将试样腐蚀后置于光学显微镜下观察,结果如图6所示。由图6可知：试样近表面处组织为回火马氏体，心部组织为珠光体+贝氏体+少量铁素体；断裂源区附近纵截面可观察到腐蚀坑，部分深度达到0.31mm。
1.4 力学性能测试
在断裂钢筋上取样，对试样进行拉伸试验，结果如表2所示。取与断裂钢筋同批次的正常钢筋进行松弛和疲劳试验，结果如表3所示。由表2，3可知：该批次钢筋的力学性能符合 GB/T 20065—2016的要求。
采用显微硬度计对断裂钢筋的近表面处和心部进行硬度测试，试验力为4.90N，试验力保持时间为10s，测试结果如表4所示。由表4可知：钢筋近表面处的硬度远高于心部的硬度。
2、 综合分析
由上述理化检验结果可知：该断裂钢筋的化学成分、力学性能均满足 GB/T 20065—2016的要求。断裂起源于表面螺纹根部螺纹根部属于结构上的应力集中处。断裂源区主要呈沿晶脆性断裂特征，断面存在腐蚀产物,其含有Fe、O、S、Cl等元素。钢筋近表面处组织为回火马氏体,硬度约为500HV，断裂源区附近部分腐蚀坑深度达到0.31mm。在冷却过程中,钢筋表面的冷却速率大于心部的冷却速率，钢筋表面首先形成马氏体，而心部一般不会形成马氏体。一般来说，硬度较高的马氏体对应力腐蚀比较敏感，钢筋表面的腐蚀坑进一步加剧了应力集中，说明钢筋的断裂与应力腐蚀有关。
应力腐蚀是指某种金属在应力和特定的腐蚀条件下产生脆性断裂的现象，应力和腐蚀环境相互作用，促进了裂纹的生成和扩展。在钢筋混凝土结构中，混凝土呈强碱性，钢筋表面形成一层致密的钝化膜，使钢筋处于不被腐蚀的钝化状态。钝化膜一旦遭到破坏，钢筋就会处于脱钝状态，在足够水和氧气的条件下，会发生电化学反应，导致钢筋被腐蚀。在预应力结构的工作过程中，预应力钢筋始终处于高应力状态，高应力状态会提高钢筋的腐蚀活性和腐蚀速率，并与腐蚀耦合形成应力腐蚀。
结合预应力螺纹钢筋的使用情况可知，该预张力系统固定端钢筋提前固定在混凝土中，待混凝土达到设计强度后对其进行张拉和灌浆作业。根据现场施工记录可知，钢筋固定与张拉和灌浆相隔时间大于28d，部分甚至达到6个月。钢筋固定后在预应力管道中也未对其采取保护措施，空气中的水气与雨水进入预应力管道，与氧气共同作用，导致钢筋表面腐蚀并形成腐蚀坑，随着腐蚀坑的不断扩大，相邻的腐蚀坑会相互交错形成更深、更大的点腐蚀，当点腐蚀扩展到临界尺寸时，就会转变成裂纹。张拉锚固后，钢筋的对中性难以控制，张拉端锚垫板后方附近钢筋内部除受了拉应力外还会存在一定的剪切应力，在拉应力和剪切应力的共同作用下，钢筋螺纹根部腐蚀坑处等应力集中位置发生了应力腐蚀开裂，腐蚀裂纹向钢筋内部扩展到一定深度，最终导致钢筋断裂。
3、 结论与建议
钢筋近表面处的组织为回火马氏体，对应力腐蚀较为敏感，且钢筋在安装后未采取有效保护措施，导致表面出现腐蚀坑。此外，对中性不良使钢筋在张拉后受到额外的剪切应力，在拉应力和剪切应力的共同作用下，裂纹在钢筋螺纹根部腐蚀坑处萌生并扩展，最终导致钢筋断裂。
预应力钢筋应在安装后规定时间内及时完成张拉和灌浆作业，以防止钢筋腐蚀，且在张拉前需采取有效的防腐蚀保护措施。施工过程中应严格控制钢筋的对中性。在生产制造时采取适当的工艺，避免产生应力集中。
作者：尹亚豪，郭磊，陈晓东，苏建锋，刘洋
单位：中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2023年第9期
