持續(xù)承載鋼筋混凝土梁的凍融循環(huán)試驗

刁 波，孫 洋，葉英華

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100191)

寒冷地區(qū)侵蝕環(huán)境中的凍融循環(huán)已經(jīng)成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的主要影響因素。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常附有裂縫，侵蝕性物質(zhì)通過裂縫進入構(gòu)件內(nèi)部會加速鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)耐久性。對此，美國和中國規(guī)范都通過限制裂縫寬度、加大保護層厚度、控制混凝土材料配方和保證施工質(zhì)量等措施力圖設(shè)計抗凍融性能好的混凝土結(jié)構(gòu)[1-2]。但這些規(guī)范主要基于素混凝土和鋼筋的材料性能試驗制定的。目前，美國每年要耗費200億美元用于維修、防護和加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1]；我國每年花費大約5千億元人民幣[3]用于維修鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。巨額維護費用已經(jīng)引起各國政府和學(xué)者的關(guān)注[4-8]。目前，人們對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在侵蝕環(huán)境下的凍融損傷研究主要集中在材料層面[9-16]。Liang等[9]對氯離子、硫酸根離子、二氧化碳 3種化學(xué)侵蝕因素進行了兩兩組合試驗，研究了侵蝕因素的疊加效應(yīng)，并提出了新的侵蝕計算模型；Hasan等[10]研究了凍融損傷引起混凝土抗壓強度和疲勞強度退化的機理；宋玉普等[11]測定了凍融環(huán)境下混凝土單、多軸拉壓強度和變形特性，提出了強度退化規(guī)律和破壞準(zhǔn)則：Yang等[12-13]通過試驗證實了荷載裂縫的存在會加劇混凝土凍融循環(huán)損傷的速度；Sun等[14]研究了氯化鈉、凍融循環(huán)和荷載同時作用對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)與在水中凍融循環(huán)相比，在氯化鈉溶液中凍融會導(dǎo)致試件表面混凝土更嚴(yán)重剝蝕及出現(xiàn)較大的質(zhì)量損失，但因冰點降低，從而使極限凍融次數(shù)增加約20%，荷載能加速混凝土凍融破壞，而且荷載越高，破壞時凍融循環(huán)次數(shù)越少，試件表面剝蝕也越嚴(yán)重；Montejo等[15]通過鋼筋混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境下往復(fù)靜載試驗，證明鋼筋混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境下極限承載力和構(gòu)件剛度隨著溫度降低而提高，但構(gòu)件的延性卻隨之降低。這改變了以往根據(jù)鋼筋和混凝土材料層面的研究得出的結(jié)論(即混凝土結(jié)構(gòu)隨溫度降低，其強度和剛度增加而無其他損失)?？梢?，根據(jù)在混凝土材料層面取得的試驗研究成果很難準(zhǔn)確推定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)和侵蝕環(huán)境下的性能退化情況，因此，有必要進行相關(guān)試驗研究。在此，本文作者在混合侵蝕和凍融循環(huán)交替作用下混凝土材料性能劣化試驗研究[16-17]的基礎(chǔ)上，通過試驗研究在混合侵蝕和凍融循環(huán)交替作用下持續(xù)承載鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能。

1 試驗概況

試驗按照我國《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》[18](簡稱《耐久性試驗方法》)中的“快凍法”進行，改用氣凍水融方式。侵蝕介質(zhì)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉溶液和5%硫酸鈉溶液組成的混合溶液。

1.1 試件設(shè)計

為緊貼工程實際，類似于商品混凝土，摻加了緩凝高效減水劑和F類Ⅰ級粉煤灰。鋼筋混凝土矩形截面梁試件共5組(每組2根，編號為a和b)，5組梁的橫截面尺寸、跨度、配筋和混凝土強度等級均相同。梁橫截面面積(寬×高)為100 mm×150 mm，梁長為700 mm，縱向受拉筋和箍筋均采用直徑為6 mm光圓鋼筋,鋼筋屈服強度為300 MPa、極限強度為350 MPa，彈性模量為2.15×105MPa。梁中配置2根受拉縱筋并在彎剪段配置間距為100 mm的雙肢箍筋?；炷了c灰的質(zhì)量比為 0.44，棱柱體抗壓強度平均為 32.5 MPa, 彈性模量為3.15×104MPa。

1.2 試驗方法

試件養(yǎng)護齡期為28 d，其中，帶模養(yǎng)護1 d，拆模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護，23 d時將其中 4組試件在(20±3) ℃的混合侵蝕性溶液中浸泡 4 d，之后對這 4組試件進行凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)試驗在北京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實驗室的高低溫控制艙中進行，最高溫控制在(8±2) ℃，最低溫控制在(-15±2) ℃。參照《耐久性試驗方法》中的“快凍法”，每個凍融循環(huán)周期為4 h。

5組試驗梁中，有1組參考梁(Beam-Ref)，在齡期28 d時，通過靜載試驗獲得梁極限承載力Pu，作為其余4組梁持續(xù)加載的基準(zhǔn)值。其余4組梁施加不同水平的持續(xù)荷載：第1組不加載，第2組加載至梁剛剛出現(xiàn)垂直裂縫為止(約20%Pu)，第3和第4組分別施加荷載 50%Pu和 70%Pu(根據(jù)施加荷載比例將梁編號為Beam-0, Beam-0.2, Beam-0.5和Beam-0.7，見表1)。持續(xù)加載和靜載試驗都采取兩點對稱加載，持續(xù)加載點和支座位置與參考梁的相同。試驗分3個階段進行：

(1) 對梁施加兩點對稱持續(xù)荷載(見圖1)。

(2) 試件在混和侵蝕溶液中浸泡和凍融循環(huán)交替進行，每凍融循環(huán)10次在侵蝕溶液中浸泡24 h。每循環(huán) 50次測量記錄梁的裂縫高度、寬度和梁體表觀形態(tài)；共經(jīng)歷凍融循環(huán)400次。

(3) 靜力加載試驗。完成 400次凍融循環(huán)后，卸去持續(xù)荷載，進行梁的兩點加載試驗，測定梁的極限承載力及剛度退化情況。

表1 梁編號及其特性Table1 Symbol of beams and its characteristics

圖1 持續(xù)荷載加載圖Fig.1 Loading setup

2 梁凍融循環(huán)后表觀現(xiàn)象及加載試驗

2.1 梁的凍融循環(huán)試驗

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，梁表面不再光滑，有顆粒脫落，邊、角處脫落較快，初始橫向裂縫開始變寬、延伸；循環(huán)100次后，梁表面生成細(xì)裂紋，漸有混凝土呈片狀脫落，Beam-0.5和Beam-0.7梁出現(xiàn)新的垂直裂縫；循環(huán)200次時，梁的邊、角處有骨料露出，梁表面無大面積剝蝕；循環(huán)250次時，Beam-0.7出現(xiàn)了沿縱向鋼筋寬度為0.05 mm的繡脹裂縫；循環(huán)300次后，各組梁表面裂縫和剝蝕明顯，垂直裂縫繼續(xù)變寬、延伸；循環(huán)350次時，Beam-0.5出現(xiàn)了沿縱筋方向?qū)挾葹?.05 mm的繡脹裂縫；循環(huán)400次時，梁表面混凝土變得比較疏松，Beam-0.5的繡脹裂縫寬度達(dá)到0.07 mm，Beam-0.7的繡脹裂縫寬度達(dá)到0.12 mm。

梁中垂直裂縫高度、寬度隨凍融次數(shù)增加的變化趨勢如圖2所示。圖中裂縫上的數(shù)字串表示凍融循環(huán)次數(shù)N∶裂縫高度∶最大裂縫寬度；裂縫高度和寬度都以mm為單位，裂縫高度是從受拉混凝土梁底纖維到裂縫端部(例如 400:112:0.30表示經(jīng) 400次凍融循環(huán)以后，裂縫高度為112 mm，相應(yīng)的最大裂縫寬度為0.30 mm)。

在靜力試驗結(jié)束后將鋼筋鑿出，測定其銹蝕率，并觀察其表面銹蝕程度，如表2所示。

圖2 裂縫高度、寬度隨凍融循環(huán)次數(shù)發(fā)展示意圖Fig.2 Sketch of height and width of cracks under different freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)后梁的靜力加載試驗

圖3 所示為經(jīng)過凍融循環(huán)試驗和靜載試驗的5組(共10根)梁的圖片。凍融400次時混凝土棱柱體抗壓強度為14.95 MPa。試驗結(jié)果表明：各組梁的破壞過程和類型不盡相同。

對于Beam-Ref：因未經(jīng)凍融和侵蝕，呈現(xiàn)典型的適筋梁彎曲破壞。

對于Beam-0：經(jīng)過400次凍融和侵蝕交替作用，但未施加持續(xù)荷載，開裂荷載與Beam-Ref的基本相同，破壞過程與Beam-Ref的相似，極限荷載相近。

對于 Beam-0.2和 Beam-0.5：梁受拉區(qū)混凝土已經(jīng)存在的垂直裂縫，經(jīng)過凍融和侵蝕作用后裂縫明顯加大。在靜載試驗過程中，隨著荷載增加，原有裂縫并沒有變寬和延伸，全過程都沒有新的垂直裂縫產(chǎn)生。達(dá)到屈服荷載(極限荷載的 80%左右)時，某條垂直裂縫突然加寬并延長，最終受壓混凝土被壓碎，梁發(fā)生延性破壞。

對于Beam-0.7：梁的破壞表現(xiàn)為彎曲破壞并伴隨著黏結(jié)破壞。在靜載試驗過程中，隨著荷載增加，原有裂縫并沒有變寬和延伸；在其破壞荷載約為85%時，梁的純彎段出現(xiàn)類似彎曲破壞的特征，有新的裂縫產(chǎn)生，最終原有的某處裂縫突然變寬延伸而破壞。破壞時縱向鋼筋界面出現(xiàn)劈裂裂縫，同時，出現(xiàn)鋼筋被拉斷的脆性破壞，梁突然發(fā)生破壞。

表2 試驗后鋼筋狀態(tài)Table2 State of bars after experiments

3 試驗結(jié)果分析

靜載試驗結(jié)果見表3。由表3可以看出：在凍融循環(huán)(N=400次)和侵蝕性液體相同的條件下，梁的屈服荷載和極限荷載都隨著持續(xù)荷載水平的提高而降低，說明持續(xù)荷載裂縫對結(jié)構(gòu)凍融和侵蝕環(huán)境耐久性影響很大?？赡苁乔治g性溶液易進入荷載裂縫，經(jīng)過凍融循環(huán)加速了混凝土劣化(表面剝蝕、微裂縫發(fā)展)和鋼筋銹蝕，導(dǎo)致縱筋銹脹裂縫，破壞了鋼筋與混凝土的黏結(jié)，從而使第4組梁產(chǎn)生彎曲破壞伴隨黏結(jié)破壞的發(fā)生。當(dāng)梁的持載比例為0，0.2，0.5和0.7時，其極限荷載與參考梁極限荷載相比分別降低約4.7%，15.9%，21.9%和29.3%。可見：較高的持續(xù)荷載在凍融和侵蝕溶液綜合作用下，鋼筋混凝土梁的耐久性存在隱患。

圖3 靜載試驗后的各組梁形貌Fig.3 Photos of beams after static load experiment

表3 靜載試驗結(jié)果Table3 Summary of test results under static loading

圖4所示為經(jīng)過400次凍融循環(huán)后試驗梁的屈服荷載和極限荷載隨持續(xù)加載水平變化的情況。從圖 4可以看出：經(jīng)過400次凍融循環(huán)后，持續(xù)荷載水平越高，鋼筋混凝土梁的屈服荷載和極限承載力都隨著所施加的持續(xù)荷載水平加大而迅速降低。

圖4 經(jīng)過400次凍融循環(huán)后試驗梁屈服和極限荷載隨持續(xù)荷載的變化Fig.4 Yielding load and ultimate load capacity of beams under persistent load after 400 freeze-thaw cycles

圖5 所示為試驗梁相應(yīng)于極限荷載的跨中撓度和極限撓度(荷載撓度曲線下降段上相應(yīng)于 85%極限荷載的撓度)隨持續(xù)加載水平變化的情況。從圖5可見：隨著持續(xù)荷載的增加，相應(yīng)于極限荷載的撓度和極限撓度都隨著持續(xù)荷載的增大而降低?？梢?，較大的持續(xù)荷載加速了結(jié)構(gòu)的劣化進程。

圖6所示為Beam-Ref和Beam-0梁的荷載-撓度曲線(其中：Beam-0梁未施加持續(xù)荷載但受到400次凍融循環(huán)和侵蝕溶液的交替作用)。從圖6可以看出：經(jīng)過凍融循環(huán)和液體侵蝕后，鋼筋混凝土梁 Beam-0雖然表面存在剝離，但與參考梁 Beam-Ref相比，其剛度和極限荷載降低幅度不大，說明 Beam-0梁力學(xué)性能退化不嚴(yán)重。

圖5 跨中撓度隨持續(xù)荷載的變化Fig.5 Deflection at mid-span under persistent load

圖6 Beam-Ref與Beam-0梁的荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-deflection curves of Beam-Ref and Beam-0

圖7 所示為參考梁和在凍融和侵蝕液體交替作用下，不同持載水平梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線(每組選用1條作為代表)。從圖7可以看出：經(jīng)過400次凍融循環(huán)后，持續(xù)荷載水平越高，鋼筋混凝土梁的剛度退化越快，進入非線性階段的荷載越低。

圖7 凍融循環(huán)400次時不同持載梁的荷載-跨中撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves of beams under different preloading ratios after 400 freeze-thaw cycles

4 結(jié)論

(1) 在侵蝕和凍融循環(huán)交替作用下，隨著凍融次數(shù)的增加，鋼筋混凝土梁表面剝蝕趨于嚴(yán)重。并且在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，持續(xù)荷載高的梁荷載裂縫和銹脹裂縫發(fā)展迅速。

(2) 在侵蝕和凍融循環(huán)交替作用下，梁的屈服荷載和極限荷載及其相應(yīng)的變形都隨著持續(xù)荷載的增加而降低。

(3) 在侵蝕和凍融循環(huán)交替作用下，梁的變形能力隨著持續(xù)荷載的增加而降低。

(4) 本文試驗研究了單一濃度混合侵蝕液體與凍融循環(huán)復(fù)合作用下持載鋼筋混凝土梁力學(xué)性能退化的情況，混和侵蝕離子濃度變化的影響有待于進一步探討。

[1] ACI Committee and ICRI Committee. Concrete repair manual[M]. 3rd ed. Utha State: American Concrete Institute(ACI), 2008: 251-259.

[2] CCES 01—2004. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南[S].

CCES 01—2004. Guide to durability design and construction of reinforced structures[S].

[3] 黃衛(wèi). 大力推進工程項目管理, 促進工程建設(shè)事業(yè)科學(xué)發(fā)展[C]//建設(shè)工程監(jiān)理法規(guī)文件匯編(2004—2008). 北京: 建筑工業(yè)出版社, 2007.

HUANG Wei. Step up our efforts to promote the project management and scientific development of engineering construction[C]//Regulation Compilation of Construction Supervision 2004—2008. Beijing: China Architecture Building Press, 2007.

[4] 張譽, 蔣利學(xué), 張偉平, 等. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2003: 23-25.

ZHANG Yu, JIANG Li-xue, ZHANG Wei-ping, et al. Durability of concrete structures[M]. Shanghai: Shanghai Scientific &Technical Press, 2003: 23-25.

[5] El-Reedy M. Steel-reinforced concrete structures: Assessment and repair of corrosion[M]. Taylor & Francis Group CRC Press,2008: 31-32.

[6] ACI 201.2R—08. Guide to durable concrete[S].

[7] BS 8500—1:2006. Concrete-complementary british standard to BS En 206-1—Part 1: Method of specifying and guidance for the specifier[S].

[8] ACI 318:2008. Building code requirements for structures concrete[S].

[9] LIANG Ming-te, LIN Shing-min. Modeling the transport of multiple corrosive chemicals in concrete structures: Synergetic effect study[J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(12):1917-1924.

[10] Hasan M, Ueda T, Sato Y. Stress-strain relationship of frost-damaged concrete subjected to fatigue loading[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2008, 20(1): 37-45.

[11] 宋玉普, 覃麗坤, 張眾, 等. 凍融循環(huán)后混凝土雙軸壓的試驗研究[J]. 水利學(xué)報, 2004, 35(1): 95-99.

SONG Yu-pu, QIN Li-kun, ZHANG Zhong, et al. Experimental study on concrete behavior under biaxial compression after freezing and thawing cycle[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2004, 35(1): 95-99.

[12] YANG Zhi-fu, Jason W W, Olek J. Water transport in concrete damaged by tensile loading and freeze–thaw cycling[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2006, 18(3): 424-434.

[13] MU Ru, MIAO Chang-wen, LUO Xin, et al. Interaction between loading, freeze–thaw cycles, and chloride salt attack of concrete with and without steel fiber reinforcement[J].Cement and Concrete Research, 2002, 32(7): 1061-1066.

[14] SUN Wei, MU Ru, LUO Xin, et al. Effect of chloride salt,freeze–thaw cycling and externally applied load on the performance of the concrete[J]. Cement and Concrete Research,2002, 32(12): 1859-1864.

[15] Montejo L A, Sloan J E, Kowalsky M J, et al. Cyclic response of reinforced concrete members at low temperatures[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2008, 22(3): 79-102.

[16] 孫洋, 刁波. 混合侵蝕與凍融環(huán)境下混凝土力學(xué)性能劣化試驗[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 25(2): 41-44.

SUN Yang, DIAO Bo. Experiment of mechanical properties deterioration of concrete in multi-aggressive and freeze-thaw environment[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering,2008, 25(2): 41-44.

[17] 孫洋, 刁波. 混合侵蝕與凍融環(huán)境下鋼筋與混凝土粘結(jié)強度退化的試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2007, 28(增刊): 242-246.

SUN Yang, DIAO Bo. Experimental study on bond degradation between reinforcement and concrete in multi-aggressive and freeze-thaw environment[J]. Journal of Building Structures, 2007,28(S): 242-246.

[18] GBJ 82—85. 普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法[S].

GBJ 82—85. Experimental methods of long-term and durability of common concrete[S].