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钢筋原材性能检测若干问题探讨
时间:2013年11月06日    来源:    分享:
边朝辉

北京信远博恒检测科技有限责任公司

 

【摘要】本文不仅从理论上阐述了钢筋进场检测参数的重要性,而且就具体检测环节的相关注意事项进行了剖析,以保证钢筋检测结果的准确性。
【关键词】重量偏差、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、最大力总伸长率、冷弯、
前言
钢筋混凝土结构因具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点,使得其成为当今应用最广泛的一种建筑结构形式。钢筋是钢筋混凝土的骨架,因此钢筋材料的性能优劣对建筑物的质量起着至关重要的作用。每批钢筋在进场使用前按相关标准要求必须送检测机构进行检测,合格后方能在工程上才能使用。混凝土结构工程质量验收规范要求钢筋进场检验参数为重量偏差、拉伸性能(指屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、最大力总伸长率、强屈比、屈标比)、冷弯性能,下面对上述参数的检测理论和检测过程逐一进行剖析,以规范检测过程,保证检测结果的准确性。
一、     重量偏差检测
钢筋重量偏差是指钢筋实际重量与理论重量之差占理论重量的比例,是钢筋的重要质量指标。
若重量偏差为负偏差,说明钢筋的实际横截面积小。如果重量负偏差超过标准规定值,则钢筋横截面积较小,可承受的负荷变小,会影响钢筋的使用性能。若重量偏差为正偏差,说明钢筋的实际横截面积大,造成不必要的浪费。目前国内钢筋生产普遍采用的是负偏差轧制,提高钢筋负偏差的方法一般是减少钢筋的内径,钢筋重量偏差的波动主要是钢筋内径的波动。但是减少钢筋内径在提高负偏差率的同时,也造成钢筋力学性能的波动。螺纹钢内径在钢筋横截面积中,所占比例高达85.6%~90.3%,是造成钢筋重量偏差的主要因素。通过理论推导,钢筋的强度与重量偏差是正相关关系,钢筋重量偏差每增加1%,屈服强度可降低4.5MPa 左右,抗拉强度降低6 MPa 左右。稳定的重量偏差,是减少钢筋强度波动的主要原因,这也是为什么国家修改规范要严格控制钢筋重量偏差的原因。
在标准GB 1499.1-2007和GB 1499.2-2008都规定了相同的重量偏差检测方法:从不同根钢筋上截取,数量不少于5支,每支长度不小于500mm,长度逐支测量,精确到1mm 。测量试样总重量时,应精确到不大于总重量的1%。从重量偏差的定义和检测方法可以知道,重量偏差主要受钢筋长度测量的准确度影响。送检的钢筋应两端平整并且端面与轴线垂直,这样才能准确测量钢筋的长度,但在实际送样中施工单位送检的钢筋没有达到上述要求,检测机构在检测过程中对确定钢筋长度出现测量不准,导致检测结果失真。另一方面对于盘条钢筋因钢筋本身弯曲,在标准中没有明确规定如何处理,现在的通用做法是把钢筋敲直再进行测量,因人为操作,不可能和大直径钢筋一样平直,这就存在测量误差,本人认为可采用以曲代直可解决这个问题,把钢直尺放在一平台上,以钢筋一端与直尺零点重合,顺直尺方向转动钢筋,另一端与钢直尺重合点即为钢筋长度。这样检测精度比较高,能真实的表达重量偏差的实际情况。对于盘条钢筋不能采用试验机进行调直,这样做是相当于冷拉,后果是钢筋的屈服强度不合格或没有明显的屈服点。
    重量偏差初检不合格后,能不能进行复检各方争论比较多,一方是依据GB/T 17505-1998≤钢及钢产品一般交货技术要求≥规定,有一项不合格,可对该项从原产品上取相同的双倍试样进行复试,合格后才能使用,不合格则这批产品判为不合格应退场。一方认为钢筋作为均质性材料,重量偏差不合格后,再次进行复试合格的机率也不大,没有进行复试的必要,直接判为不合格,这在某些地区已实施,从GB 1499.1-2007的修改稿中也表达出了重量偏差不允许复检的规定。
二、           拉伸性能检测
拉伸性能主要包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、最大力总伸长率、强屈比、屈标比这几个指标,这些指标是对钢筋是否合格的重要评价指标,下面分别一一阐述。
2.1、断后伸长率  
断后伸长率是应力一应变曲线中试件被拉断时的最大应变值,又称延伸率,它是衡量钢筋塑性的一个指标,也是钢筋机械性能中必不可少的保证项目。断后伸长率的计算,是钢筋在拉力作用下断裂时,被拉长的那部分长度占原长的百分比。把试件断裂的两段拼起来,可量得断裂后标距段长L1,减去标距原长L0就是塑性变形值,此值与原长的比率用δ表示,即伸长率δ值越大,表明钢材的塑性越好。伸长率与标距有关,对热轧钢筋的标距取试件直径的5倍长度作为测量的标准,其伸长率以δ5表示。钢筋断后伸长率与原始标距的标定和伸长测定有关,以下分别分析。
2.1.1原始标距的标记
关于原始标距的标记和使用,GB/T 228.1-2010中有以下几条规定:
规范第8条规定,应用小标距、细划线或细墨线标记原始标距,但不得用引起过早断裂的缺口作标记。如果平行长度比原始标距长很多,例如不用加工的试样,可以标记一系列套叠的原始标距。规范第20.1条规定,断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一情况方为有效。
所以原如标距必须标定,原因如下:
2.1.1.1钢筋拉伸试验是抽样试验,规范规定了抽样方法,实际上在试样上标记原始标距是抽样概念的延伸,即原始标距的标记说明了在试样上所抽取的试验段,如不标记原始标距,可以认为试验段还没有确定。
2.1.1.2没有原始标距或点之间距离过大,不能准确判定断裂位置与原始标距之间的距离是否有效。
2.1.2断后标距的测量
GB/T 228.1-2010的20.1条规定:“应使用分辨力足够的量具或测量装置测定断后伸长量(LU-LO),并准确到±0.25mm”.这就表示所用量具其分辨力应至少足够能读出到0.01mm,以便与规定伸长测定误差(±0.25mm)的最后数位精准度相符。断后标距的测量数据应读出到量具分辨力所能达到精准度,测量的数据如实记录,不应进行修约。断后伸长的测定数值,应记录到量具分辨力所能达到精准度,不应用规定的“伸长测量误差(±0.25mm)”的绝对值作为修约间隔,并把其修约到最接近0.25的倍数。例如:钢筋试样LO=50mm.断后标距用分辨力为0.01mm的数字游标卡尺测量,测得LU=67.73mm。断后伸长为17.73mm。为什么不应对断后伸长的测定数值进行修约,是因为:
2.1.2.1 断后伸长仅仅是断后伸长率这一性能测定的中间数值,并非为最终性能测定结果数值。中间数据应保留足够的数位,修约只能在最终性能测定结果的数值上进行一次修约。若对最终性能测定结果的数值又进行了修约,这就进行了两次修约,会给性能结果数值增加不合理的误差。
2.1.2.2 断后伸长允许的最大测定误差规定为±0.25mm。这一误差要求,是对断后伸长率测定预期效果的一种要求,仅在评定断后伸长、进而评定断后伸长率的测量不确定度时使用,不应将其视为断后标距的测量数据和断后伸长的测定数据的修约间隔,而进行数据修约。在断后伸长率的计算过程中不必考虑这一规定的误差量。
2.2最大力总伸长率
      在GB 1499.2-2007混凝土用钢 第二部分 热轧带肋钢筋中规定了带E的钢筋必须做最大力总伸长率,而在GB 50204-2002(2011版)中规定用于框架结构的纵向受力筋必须做最大力总伸长率,在GB 1499.2-2007中规定最大力总伸长率有两种方法,一种是该标准的附录B规定的移位法,另一种是GB/T 228.1-2010所规定的引伸计法。在实际试验过程中通过对两种方法的比较发现,GB 1499.2-2007附录B测得的最大力总伸长率比GB/T 228.1-2010中引伸计法测定的数据大,其原因是最大力之后,非缩颈区的均匀变形区亦将继续伸长。所以在新的GB199.2-××××送审稿中已把GB1499.2-2007附录B删除,采用GB/T 228.1-2010中所规定的引伸计法。这个标准的发布必将对建筑工程检测机构产生强大的冲击力,原因如下:一是大部分建筑工程检测机构现有设备没有变形测量装置,必须进行设备改造;二是引伸计的正确使用是对检测结果影响重大。现在对引伸计法测量中的注意事项进行部析。在GB/T 228.1-2010中规定在测量最大力总伸长率时,引伸计的标距为接近5d,在具体试验过程中采用变标距引伸计,每次调整刀口间的距离为5d,为保证缩颈在引伸计两刀口之间,平行长度不超过10d,在试验过程中注意加载速度,保证均匀加载,在钢筋过最大力后关闭进油阀和回油阀,取下引伸计,再次加载直至拉断钢筋,这样做是为了保证引伸计不被破坏。取下引伸计后,继续加载直至钢筋拉断,从计算机所获得的拉伸-变形曲线上查得最大力时的位移,就可按公式计算最大力总伸长率。
2.3强屈比和超强比
     在GB 1499.2-2007混凝土用钢 第二部分 热轧带肋钢筋中规定了带E的钢筋的强屈比和屈标比,在GB 50204-2002(2011版)中也规定用于框架结构的纵向受力筋的强屈比和屈标比,为什么会有上述规定,其主要原因如下:在高烈度地区抗震设计的最大特点就是要保证钢筋混凝土框架结构具有较好的延性和整体性,即当构件组成的结构在地震荷载作用下,通过结构的塑性变形吸收地震作用所产生的能量,使结构仍维持一定的承载能力。钢筋混凝土框架结构是一种多次超静定结构,允许局部出现塑性变形(塑性铰),而不能产生构件的局部脆性破坏,如剪切破坏,这种结构在强烈的地震荷载作用下,不仅具有承载能力,而且具有承受较大变形的能力,通过结构的变形来吸收和消耗地震能量,达到防止结构倒塌的目的。框架结构延性设计原则是“强剪弱弯,弱梁强柱,更强节点”,设计中要努力通过控制一些部位形成塑性铰来提高整个框架的延性,使结构的这些部位出现塑性铰后仍具有足够的承载能力,避免塑性铰过于集中在某一部位。如果屈强比值实测值足够大,随钢筋应变所增加的强化段抗力就足以使塑性铰形成并适当扩展,从而保证整个结构具有充分吸收地震的能力,所以就有了强屈比≥1.25的限制。而钢筋实测屈服强度与规定屈服强度标准值之比≤1.30是超强比值的限制要求,因为抗震结构不希望纵向受力钢筋的超强比过大。控制超强比是为了防止构件破坏形态的改变。譬如,梁内钢筋的超强比过高,可能会导致出现塑性铰的位置不出现塑性铰的不利后果,即可能由钢筋屈服的延性弯曲破坏转为混凝土碎裂的脆性破坏。
2.4屈服强度
2.4.1试验机量程的影响
    现在要求检测结果为试验机全量程的20%~80%,如果试验机的量程过大,不能保证检测数据试验机在上述范围内,有可能会导致屈服强度难以判定或没有屈服发生,所以在试验前先根据钢筋直径选择合适吨位的试验机,以满足量程规定。
2.4.2夹具的影响
       这类影响在试验中发生的几率较高,主要表现为试样夹持部分打滑或试验机某些力值传递环节间存在较大的间隙等因素,它在旧机器上出现的概率较大。由于机器在使用一段时间后,各相对运动部件间会产生磨损现象,使得摩擦系数明显降低,最直观的表现为夹块的鳞状尖峰被磨平,摩擦力大幅度的减小。当试样受力逐渐增大达到最大静摩擦力时,试样就会打滑,从而产生虚假屈服现象。如果以前使用该试验机所作试验屈服值正常,而现在所作试验屈服值明显偏低,且在某些较硬或者较脆的材料试验时现象尤为明显,则一般应首先考虑是这一原因。这时需及时进行设备的大修,消除间隙,更换夹块。
 2.4.3、 试验机测控环节的影响
   试验机测控环节是整个试验机的核心,随着技术的发展,目前这一环节基本上采用了各种电子电路实现自动测控。由于自动测控知识的深奥,结构的复杂,原理的不透明,一旦在产品的设计中考虑不周,就会对结果产生严重的影响,并且难以分析其原因。针对材料屈服强度的求取最主要的有下列几点:
2.4.3.1传感器放大器频带太窄
   由于目前试验机上所采用的力值检测元件基本上为载荷传感器或压力传感器,而这两类传感器都为模拟小信号输出类型,在使用中必须进行信号放大。众所周知,在我们的环境中,存在着各种各样的电磁干扰信号,这种干扰信号会通过许多不同的渠道偶合到测量信号中一起被放大,结果使得有用信号被干扰信号淹没。为了从干扰信号中提取出有用信号,针对材料试验机的特点,一般在放大器中设置有低通滤波器。合理的设置低通滤波器的截止频率,将放大器的频带限制在一个适当的范围,就能使试验机的测量控制性能得到极大的提高。然而在现实中,人们往往将数据的稳定显示看的非常重要,而忽略了数据的真实性,将滤波器的截止频率设置的非常低。这样在充分滤掉干扰信号的同时,往往把有用信号也一起滤掉了。在日常生活中,我们常见的电子秤,数据很稳定,其原因之一就是它的频带很窄,干扰信号基本不能通过。这样设计的原因是电子秤称量的是稳态信号,对称量的过渡过程是不关心的,而材料试验机测量的是动态信号,它的频谱是非常宽的,若频带太窄,较高频率的信号就会被衰减或滤除,从而引起失真。对于屈服表现为力值多次上下波动的情况,这种失真是不允许的。就万能材料试验机而言,笔者认为这一频带最小也应大于10HZ,最好达到30HZ。在实际中,有时放大器的频带虽然达到了这一范围,但人们往往忽略了A/D转换器的频带宽度,以至于造成了实际的频带宽度小于设置频宽。以众多的试验机数据采集系统选用的AD7705、AD7703、AD7701等为例。当A/D转换器以“最高输出数据速率4KHZ”运行时,它的模拟输入处理电路达到最大的频带宽度10HZ。当以试验机最常用的100HZ的输出数据速率工作时,其模拟输入处理电路的实际带宽只有0.25HZ,这会把很多的有用信号给丢失,如屈服点的力值波动等。用这样的电路当然不能得到正确试验结果。
 2.4.3.2、数据采集速率太低
      目前模拟信号的数据采集是通过A/D转换器来实现的。A/D转换器的种类很多,但在试验机上采用最多的是∑-△型A/D转换器。这类转换器使用灵活,转换速率可动态调整,既可实现高速低精度的转换,又可实现低速高精度的转换。在试验机上由于对数据的采集速率要求不是太高,一般达每秒几十次到几百次就可满足需求,因而一般多采用较低的转换速率,以实现较高的测量精度。但在某些厂家生产的试验机上,为了追求较高的采样分辨率,以及极高的数据显示稳定性,而将采样速度降的很低,这是不可取的。因为当采样速度很低时,对高速变化的信号就无法实时准确采集。例如金属材料性能试验中,当材料发生屈服而力值上下波动时信号变化就是如此,以至于不能准确求出上下屈服点,导致试验失败,结果丢了西瓜捡芝麻。
2.4.3.3、控制方法使用不当
        针对材料发生屈服时应力与应变的关系(发生屈服时,应力不变或产生上下波动,而应变则继续增大)国标推荐的控制模式为恒应变控制,而在屈服发生前的弹性阶段控制模式为恒应力控制,这在绝大多数试验机及某次试验中是很难完成的。因为它要求在刚出现屈服现象时改变控制模式,而试验的目的本身就是为了要求取屈服点,怎么可能以未知的结果作为条件进行控制切换呢?所以在现实中,一般都是用同一种控制模式来完成整个的试验的(即使使用不同的控制模式也很难在上屈服点切换,一般会选择超前一点)。对于使用恒位移控制(速度控制)的试验机,由于材料在弹性阶段的应力速率与应变速率成正比关系,只要选择合适的试验速度,全程采用速度控制就可兼容两个阶段的控制特性要求。但对于只有力控制一种模式的试验机,如果试验机的响应特别快(这是自动控制努力想要达到的目的),则屈服发生的过程时间就会非常短,如果数据采集的速度不够高,则就会丢失屈服值(原因第2.4.3.2点已说明),优异的控制性能反而变成了产生误差的原因。所以在选择试验机及控制方法时最好不要选择单一的载荷控制模式。
       为了验证不同控制速率对屈服强度的影响,进行了以下具体实例:
       试验是在济南试金集团的WDW-E100D微机控制电子万能试验机上进行,试验机的测量控制器为EDC120系统,引伸计标距为50mm,量程为5mm,引伸计级别为0.5级。试验软件界面具有应力速率、应变速率、位移速率待实时显示功能。
       试验机的拉伸夹具为台阶夹具,试样是符合GB/T 228.1-210规定的圆形拉伸比例试样,平行段长度为120mm,直径10mm,试样材料为低碳钢。
      试验速率采用三种不同的控制模式:
1)   应变速率控制模式:应变速率为0.00025/s,直至试样变形至5mm.
2)   位移速率控制模式:(为了说明问题,采用两种不同的位移速率)
——位移速率为2mm/min,直至试样变形至5mm;
——位移速率为6mm/min,直至试样变形至5mm.
3)   分段应变速率控制模式:弹性段60%内采用应变速率为0.00025/s;超过弹性段的60%采用位移速率为2mm/min,直至试样变形至5mm。
                     表一 三种速率控制模式测试结果的平均值汇总
速率控制模式
ReH/MPa
ReL/MPa
应变速率0.00025/s
355
278
位移速率
2mm/min
345
282
6mm/min
361
291
分段应变速率
0.00025/s    2mm/min
348
280
测试结果分析
有差异(6mm/min测试结果大于其他速率)
有差异(6mm/min测试结果大于其他速率)
 
从表一可以得出:
(1) 除位移速率6mm/min外,下屈服强度三种速率控制模式测试结果基本相同,说明位移速率2mm/min与应变速率0.00025/s测量效果是相同的。对于平行段长度120mm的试样,试验机横梁位移速率为2mm/min时,相当于应变速率为0.00025/s,故这三种速率控制模式对下屈服强度的效果是相同的。
(2)   对于上屈服强度,除位移速率为6mm/min外,应变速率控制模式的测试结果比位移速率控制模式和分段应变速率控制模式的偏高,原因是位移速率控制模式和分段应变速率控制模式实际应变速率偏低。
(3)试验采用位移速率6mm/min,是为了上述速率进行屈服强度的比较。从表一可以看出,6mm/min的位移速率测定的上屈服强度、下屈服强度均偏大。对于平行段长度为120mm的试样,位移速率为6mm/min相当于应变速率为0.00083/s,比方法A推荐的应变速率0.00025/s快了3倍多,这是引起测试结果偏大的主要原因。所以在屈服强度测试时一定要按标准要求速率进行试验,才能获得准确的试验结果。
 
2.4.3.4、 试验人员的影响
   在试验设备已确定的情况下,试验结果的优劣就完全取决于试验人员的综合素质。目前我国材料试验机的操作人员综合素质普遍不高,专业知识与理论水平普遍较为欠缺,再加上新概念、新名词的不断出现,使他们很难适应材料试验的需求。在材料屈服强度的求取上常出现如下的问题:
2.4.3.4.1将金属材料的屈服点与塑料类的屈服点混淆
   由于金属材料与塑料的性能相差很大,其屈服的定义也有所不同。如金属材料定义有屈服、上屈服、下屈服的概念。而塑料只定义有屈服的概念。另外,金属材料的屈服强度一定小于极限强度,而塑料的屈服可能小于极限强度,也可能等于极限强度(两者在曲线上为同一点)。由于对标准的不熟悉,往往在试验结果的输出方面产生一些不应有的错误,如将塑料的屈服概念(上屈服)作为金属材料的屈服概念(一般为下屈服)输出,或将无屈服的金属材料的最大强度按塑料的屈服强度定义类推作为金属材料屈服值输出,产生金属材料屈服值与最大值一致的笑话。
2.4.3.4.2将非比例应力与屈服混为一谈
   虽然非比例应力与屈服都是反应材料弹性阶段与塑性阶段的过渡状态的指标,但两者有着本质的不同。屈服是材料固有的性能,而非比例应力是通过人为规定的条件计算的结果,当材料存在屈服点时是无需求取非比例应力的,只有材料没有明显的屈服点时才求取非比例应力。部分试验人员对此理解不深,以为屈服点、上屈服、下屈服、非比例应力对每一个试验都存在,而且需全部求取。
 2.4.3.4.3将具有不连续屈服的趋势当作具有屈服点
   国标对屈服的定义指出,当变形继续发生,而力保持不变或有波动时叫做屈服。但在某些材料中会发生这样一种现象,虽然变形继续发生,力值也继续增大,但力值的增大幅度却发生了由大到小再到大的过程。从曲线上看,有点象产生屈服的趋势,并不符合屈服时力值恒定的定义。由于对“力值恒定”的条件没有定量指标规定,这时经常会产生这一现象是否是屈服,屈服值如何求取等问题的争论。
 
2.5抗拉强度
抗拉强度(fu)抗拉强度就是以钢筋被拉断前所能承担的最大拉力值除以钢筋截面积所得的拉力值,抗拉强度又称为极限强度。它是应力一应变曲线中最大的应力值,虽然在强度计算中没有直接意义,但却是钢筋机械性能中必不可少的保证项目。抗拉强度是钢筋在承受静力荷载的极限能力,可以表示钢筋在达到屈服点以后还有多少强度储备,是抵抗塑性破坏的重要指标。钢筋有熔炼、轧制过程中的缺陷,以及钢筋的化学成分含量的不稳定,常常反映到抗拉强度上,当含碳量过高,轧制终止时温度过低,抗拉强度就可能很高;当含碳量少,钢中非金属夹杂物过多时,抗拉强度就较低。 抗拉强度的高低,对钢筋混凝土结构抵抗反复荷载的能力有直接影响。通过多种试验速率的试验发现,在试验过程中拉伸速率过快引起的抗拉强度偏高,这是因为随着拉伸速率的增大,材料的位错运动增加,位移滑移阻力增加,使材料产生附加强化,表现为惯性抗力随加荷速度的增加而使抗拉强度提高,所以在试验过程中应按照标准要求速率进行试验。  
2.6冷弯性能
冷弯性能是指钢筋在经冷加工(即常温下加工)产生塑性变形时,对产生裂缝的抵抗能力。冷弯试验是测定钢筋在常温下承受弯曲变形能力的试验。试验时不应考虑应力的大小,而将直径为d的钢筋试件,绕直径为D的弯心(D规定有1d、3d、4d、5d)弯成180°。然后检查钢筋试样有无裂缝、鳞落、断裂等现象,以鉴别其质量是否合乎要求,冷弯试验是一种较严格的检验,能揭示钢筋内部组织不均匀等缺陷。冷弯试验过程中主要是选择正确的弯心,并对弯后试验进行认真检查,是否发生脱落或裂缝。如实在无法判定,建议中读数放大镜进行观察,以便于观察到真实的试验情况,以免产生误判。
三、      结束语
     试验检验工作是质量控制基础,规范操作、减小误差是试验检测人员追求的目标。所以作为一名检测人员,首要的是掌握试验原理、准确理解相应规范的要求;其次是要能够分析影响试验结果的因素,在试验过程中尽量降低影响,减小误差。只有这样,试验结果才具有可比性,才能保证检测结果的代表性和准确性。
参考文献
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[3]   高怡斐 梁新邦 邓星临 编著   GB 1499.2-2007   钢筋混凝土用钢 第二部分:热轧带肋钢筋 实施指南[M].中国标准出版社
[4]   张文斌、芮丽君 钢筋拉伸试验的几个误区 [J]中国水运 2009.08
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