鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究

徐 港，李運(yùn)攀，潘 琪，謝曉娟

（1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究

徐 港1，2，李運(yùn)攀1，2，潘 琪1，2，謝曉娟1

（1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

試驗(yàn)研究了鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土梁抗彎性能的退化規(guī)律，分析比較了完好梁和經(jīng)歷25、50、75及100次鹽凍融循環(huán)作用梁的承載力和變形性能。結(jié)果表明：受凍梁截面混凝土應(yīng)變?nèi)詽M(mǎn)足平截面假定，受力特征與完好梁相似；影響鹽凍融環(huán)境下梁承載力的主要因素是受壓區(qū)混凝土保護(hù)層的剝落，其次是混凝土強(qiáng)度的降低，而鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化的影響并不顯著；混凝土強(qiáng)度降低、保護(hù)層損傷及粘結(jié)性能退化均是凍融環(huán)境下混凝土梁變形增大的重要因素，梁剛度的降低程度除與凍融次數(shù)相關(guān)外，還受凍融損傷位置和持荷水平影響。

鋼筋混凝土梁；鹽凍；耐久性；抗彎性能

凍融環(huán)境下構(gòu)件抗力性能的退化并不僅取決于材料力學(xué)性能的降低，凍融引起的構(gòu)件截面尺寸減小以及鋼筋混凝土間粘結(jié)性能劣化也是重要原因。近年來(lái)，針對(duì)混凝土構(gòu)件抗凍性的研究正持續(xù)展開(kāi)［1－11］，但在相關(guān)試驗(yàn)研究成果中，由于受試驗(yàn)設(shè)備制約，所采用試件尺寸普遍較小，多限于材料試驗(yàn)試件尺度，尺寸效應(yīng)少有考慮；而在理論和仿真分析成果中只考慮了混凝土強(qiáng)度和粘結(jié)性能退化對(duì)構(gòu)件抗力的影響，較少注意到構(gòu)件截面凍融破損產(chǎn)生的影響，更少關(guān)注到水凍融和鹽凍融環(huán)境下截面破損程度的不同。為此，本文采用特制大型凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了較大尺寸混凝土梁的鹽凍融試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探究了隨鹽凍融次數(shù)增加混凝土梁抗力性能的演變規(guī)律，為相應(yīng)環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

同批設(shè)計(jì)、澆筑了5根鋼筋混凝土試驗(yàn)梁，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，縱向鋼筋保護(hù)層厚度為20 mm，試件尺寸及配筋情況如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)梁配筋及截面詳圖

1.2 材料及其力學(xué)性能

水泥：三峽牌P·C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；石：碎石，粒徑5～20 mm，連續(xù)級(jí)配；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)1.86，屬Ⅲ區(qū)級(jí)配，細(xì)砂；水：自來(lái)水?；炷僚浜媳葹椋核U水泥︰砂︰石子＝1.00︰2.04︰3.06︰6.21。試驗(yàn)梁進(jìn)行凍融試驗(yàn)前實(shí)測(cè)其伴隨立方體試塊抗壓強(qiáng)度平均值為40 MPa?？v向受拉鋼筋為HRB335變形鋼筋，直徑14 mm，屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值351 MPa；架立筋和箍筋均采用直徑為8 mm的HPB235光圓鋼筋，屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為355 MPa。

1.3 凍融試驗(yàn)

凍融循環(huán)采用定制的TDRF-2大型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行（圖2），凍融介質(zhì)為3%的NaCl溶液，試驗(yàn)方法采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50082－2009）［12］建議的快凍法，凍融循環(huán)轉(zhuǎn)換通過(guò)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)凍融試件（100 mm×100 mm×400 mm）中心溫度控制。

圖2 混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)

在凍融試驗(yàn)前，將標(biāo)準(zhǔn)試件和試驗(yàn)梁置于凍融介質(zhì)中浸泡4 d，然后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)開(kāi)始凍融循環(huán)試驗(yàn)。達(dá)到預(yù)期的25、50、75、100次凍融循環(huán)后，依次取出試驗(yàn)梁進(jìn)行承載力試驗(yàn)。

1.4 加載試驗(yàn)

試驗(yàn)梁承載力試驗(yàn)采用課題組發(fā)明的鋼筋混凝土梁反力加載裝置［13］進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)在梁跨中粘貼應(yīng)變片監(jiān)測(cè)截面應(yīng)變，支座和跨中設(shè)置千分表測(cè)量構(gòu)件撓度值，如圖3所示。加載制度參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50152－92）［14］，試驗(yàn)過(guò)程中荷載大小通過(guò)拉壓力傳感器連接X(jué)L 2101G高速60點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變采集儀由電腦軟件控制，每級(jí)荷載下的混凝土應(yīng)變值通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接應(yīng)變片至XL 2101G采集儀獲得。

圖3 試驗(yàn)梁加載圖

2 梁鹽凍破壞特征

各試驗(yàn)梁凍損形態(tài)如圖4所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，梁破壞程度逐漸增大：25次循環(huán)后，梁表面變得粗糙，局部有少量砂漿脫落；50次后，梁表面砂漿脫落嚴(yán)重，粗骨料明顯暴露，部分箍筋外露；75次循環(huán)后，梁兩端邊角脫落明顯，箍筋外露數(shù)量增多，梁端縱筋外露；100次后，梁底面保護(hù)層基本脫落，且粗骨料周?chē)霈F(xiàn)明顯裂紋，箍筋大部分外露，縱筋外露長(zhǎng)度達(dá)3／4梁長(zhǎng)，損傷嚴(yán)重。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)后梁損壞情況

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，同根梁不同部位的凍融破壞程度并不均勻，所有梁都是靠近凍融箱底的面損傷較嚴(yán)重，其原因一方面可能是由于試驗(yàn)尺寸較大，不同部位升降溫存在滯后性導(dǎo)致，而另一方面也可能是由于溶液長(zhǎng)期靜置后沿截面高度鹽濃度分布不均勻造成的，具體原因尚需進(jìn)一步研究。由于試驗(yàn)前并沒(méi)有考慮到這一因素，凍融試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)75次凍融試驗(yàn)梁的受拉與受壓區(qū)放置方向與其他梁相反，即凍融循環(huán)75次梁損傷嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榭箟簠^(qū)，而其他梁為受拉區(qū)（圖4）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗力性能

試驗(yàn)表明，凍損梁截面混凝土應(yīng)變?nèi)詽M(mǎn)足平截面假定，以100次凍融循環(huán)作用梁為例，梁截面平均應(yīng)變沿高度仍近似呈線(xiàn)性分布，如圖5所示。而且，經(jīng)歷不同次數(shù)鹽凍循環(huán)作用梁的破壞特征也與完好梁類(lèi)似，均屬典型的適筋梁彎曲破壞，各梁極限荷載實(shí)測(cè)值如表1所示。

圖5 100次凍融梁截面混凝土應(yīng)變分布圖

表1 試驗(yàn)梁承載力

3.2 變形特征

完好梁及經(jīng)歷25、50、75和100次鹽凍融循環(huán)作用后梁的荷載撓度關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示?？梢?jiàn)凍融梁與完好梁的變形特征相近，荷載 撓度曲線(xiàn)仍可分為3個(gè)階段：1）彈性階段；2）帶裂縫工作階段；3）屈服階段。

圖6 荷載 撓度關(guān)系曲線(xiàn)

3.3 結(jié)果分析

凍融循環(huán)作用造成鋼筋混凝土構(gòu)件抗力性能退化的主要因素可歸納為：1）混凝土強(qiáng)度降低和內(nèi)部缺陷增多；2）構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，截面積和慣性矩減小；3）鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能退化。但各因素對(duì)梁受力性能的影響程度并不相同。

3.3.1 對(duì)承載力的影響 普通混凝土單筋矩形截面梁承載力計(jì)算公式如式（1）和（2）。式中：Mu為截面抵抗彎矩；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；b為截面寬度；As為縱向受拉鋼筋的面積；h0為截面有效高度；x為混凝土計(jì)算受壓區(qū)高度。

綜上，如果凍融環(huán)境下混凝土強(qiáng)度和截面有效高度的降幅是相近的，那么無(wú)疑截面高度變化是凍融梁抗彎承載力的更主要影響因素。然而，水凍融和鹽凍2類(lèi)環(huán)境下混凝土的強(qiáng)度退化和表面剝蝕的程度是不相同的，所以它們對(duì)構(gòu)件承載力的影響程度也并不相同。文獻(xiàn)［15］對(duì)比研究不同水灰比混凝土試件的鹽凍和水凍融損傷特征，由文獻(xiàn)［15］表3數(shù)據(jù)推算可得相同凍融次數(shù)鹽凍試件的相對(duì)質(zhì)量損失率為水凍融試件的5～23倍，且該比值隨凍融次數(shù)增加而急劇增加。而據(jù)文獻(xiàn)［16-17］，鹽凍與水凍融后普通混凝土強(qiáng)度可分別由式（6）和（7）確定，如將本文混凝土抗壓強(qiáng)度分別代入式（6）和（7），比較相同凍融次數(shù)作用后的混凝土強(qiáng)度可知，鹽凍較水凍融作用后混凝土強(qiáng)度有0～40%左右的降幅，且也是隨凍融次數(shù)增大降幅。

式中，fcd為凍融后混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；fc0為凍融循環(huán)前混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；Nsalt為鹽凍融循環(huán)次數(shù)；Nwater為水凍融循環(huán)次數(shù)。

在凍融環(huán)境下，如果僅考慮混凝土強(qiáng)度退化對(duì)梁承載力的影響，且忽略沿截面高度凍融損傷的不均勻性，只需據(jù)式（6）或（7）求得不同凍融次數(shù)作用后的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，再代入式（1）、（2）即可求得相應(yīng)凍融次數(shù)作用后梁的承載力（表2）。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后強(qiáng)度對(duì)梁抗彎承載力的影響

同理，如果僅考慮截面有效高度降低對(duì)梁承載力的影響，假設(shè)凍融損傷僅發(fā)生在試件受壓區(qū)，而截面有效高度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加線(xiàn)性減小，且按最不利情況取水凍融引起的截面損失為鹽凍融環(huán)境的1／5，并參考圖4設(shè)100次鹽凍融作用后受壓區(qū)混凝土完全剝落，則可得不同凍融次數(shù)作用后截面的有效高度，將其分別代入式（1）、（2）便可求得相應(yīng)受凍梁的承載力（表3）。

對(duì)比分析表2和3中數(shù)據(jù)可知：1）凍融環(huán)境下混凝土強(qiáng)度退化率遠(yuǎn)高于構(gòu)件截面有效高度減小率；2）水凍融環(huán)境中，相同凍融次數(shù)下，混凝土強(qiáng)度退化較截面有效高度減小引起的抗彎承載力退化率更高，說(shuō)明前者是影響梁承載力下降的首要因素；3）鹽凍融環(huán)境中，相同凍融次數(shù)下，截面有效高度減小較混凝土強(qiáng)度退化引起的抗彎承載力退化率普遍偏高，僅個(gè)別情況例外，如果考慮到構(gòu)件凍融的非均勻性，即截面不同部位混凝土強(qiáng)度并不是同時(shí)達(dá)到最低，以及截面寬度的損失，說(shuō)明受壓區(qū)混凝土剝落對(duì)梁承載力的影響更為主要。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后有效高度對(duì)梁抗彎承載力的影響

關(guān)于粘結(jié)性能退化對(duì)凍融梁承載力的影響，已有研究表明在保護(hù)層剝落前影響甚微［9］，保護(hù)層局部剝落后可視為局部無(wú)粘結(jié)梁進(jìn)行分析，而據(jù)文獻(xiàn)［18-19］試驗(yàn)研究結(jié)果，在梁端鋼筋錨固有良好條件下局部無(wú)粘結(jié)梁的承載力并不會(huì)有明顯降低。分析表1數(shù)據(jù)也可得到充分說(shuō)明，比較75次和100次凍融梁，雖然后者混凝土強(qiáng)度降低更多，且受拉區(qū)保護(hù)層局部剝落鋼筋混凝土粘結(jié)性能明顯劣化，可是承載力并未顯著下降，而前者受拉區(qū)鋼筋粘結(jié)良好，但承載力卻有較明顯下降，如忽略同批試驗(yàn)梁的個(gè)體差異，原因主要是由于其受壓區(qū)保護(hù)層受凍剝蝕嚴(yán)重導(dǎo)致梁有效高度減小造成的。

3.3.2 對(duì)變形性能的影響 普通混凝土梁的抗彎剛度，在梁受荷開(kāi)裂前，即第I階段，可由式（8）計(jì)算，進(jìn)入帶裂縫工作階段后，即第II階段，由式（9）確定［20］。

對(duì)凍融梁而言，隨凍融次數(shù)增加，混凝土強(qiáng)度降低，保護(hù)層內(nèi)裂縫增多，引起彈模下降，截面慣性矩（I0）減小，由式（8）可知，在第I階段，隨凍融次數(shù)增加梁的剛度將逐漸降低，如圖6所示。至于圖6中75次凍融梁剛度下降較小的原因可能同樣是由于凍融損傷主要發(fā)生在受壓區(qū)造成的，因?yàn)樵诤奢d作用下，受壓區(qū)保護(hù)層內(nèi)的損傷裂縫將趨于閉合，對(duì)I0的影響是有利的。

梁的工作性態(tài)進(jìn)入第II階段后，假設(shè)凍融梁的剛度仍可由式（9）近似計(jì)算，由于粘結(jié)性能隨凍融次數(shù)增加逐漸下降，導(dǎo)致受拉鋼筋應(yīng)變趨于均勻變化，應(yīng)變不均勻系數(shù)（ψ）逐漸增大，并趨于1，而鋼筋與混凝土的彈模比（aE）也逐漸增大，致使梁的剛度隨凍融次數(shù)增加而下降。但75次凍融梁剛度的退化規(guī)律較其他梁仍有所不同，表現(xiàn)為前期退化較緩，而后期迅速（圖6），主要還是由于受拉區(qū)凍融損傷較輕的緣故，因?yàn)榛炷量估瓘?qiáng)度較高，當(dāng)荷載不大（約極限荷載0.5倍以?xún)?nèi)）時(shí)，受力裂縫發(fā)展較緩，且鋼筋混凝土粘結(jié)性能保持良好，所以剛度降低不多，但隨著荷載增加，受力裂縫逐漸向梁受壓區(qū)發(fā)展，受壓區(qū)高度不斷減小，而受壓區(qū)本身又凍損嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土承壓性能迅速下降，引起剛度急劇退化。

綜上，隨凍融次數(shù)增加混凝土強(qiáng)度降低、保護(hù)層損傷及粘結(jié)性能退化均是導(dǎo)致梁變形增大的重要因素，為保證梁的適用性更應(yīng)注重受拉區(qū)的防凍。

3.3.3 討論 據(jù)前述分析，不難發(fā)現(xiàn)影響凍融梁抗力性能的諸因素在其受荷的不同階段所起作用并不相同，構(gòu)件抗力性能的降低并不僅僅取決于材料力學(xué)性能的退化，且2者并不一定總是在正相關(guān)，還受損傷位置的影響?？紤]到在役結(jié)構(gòu)受凍融作用往往是非均勻的，因此目前基于材料層次上的凍融循環(huán)試驗(yàn)評(píng)定構(gòu)件的抗凍性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

混凝土梁的抗彎承載力受截面有效高度減小和混凝土強(qiáng)度退化影響顯著，相同凍融次數(shù)下，對(duì)于截面尺寸、材料組成不同的梁，即便2者材料強(qiáng)度、配筋方式以及試驗(yàn)方法相同，但承載力退化率并不具有可比性。如文獻(xiàn)［7］和［8］所采用試件的混凝土強(qiáng)度相近，且凍融試驗(yàn)均為快凍法，而試件尺寸分別為100 mm×150 mm×700 mm和100 mm×100 mm×1 100 mm。文獻(xiàn)［8］研究表明，凍融梁與完好梁相比，經(jīng)受25、50、75次凍融循環(huán)作用后極限承載力分別降低5.2%、13.8%、25.7%；而文獻(xiàn)［7］的結(jié)論是，經(jīng)過(guò)400次凍融和侵蝕交替作用后Beam-0梁與完好梁Beam-Ref的極限荷載相近，可見(jiàn)2者結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。原因可能是由于文獻(xiàn)［7］中混凝土摻有緩凝高效減水劑和粉煤灰，不僅減緩了混凝土強(qiáng)度的退化，而且還增強(qiáng)了其抗剝蝕性，致使Beam-0梁雖然經(jīng)歷了400次凍融循環(huán)作用，但混凝土強(qiáng)度退化和截面有效高度減小率并不大，承載力下降不明顯；而文獻(xiàn)［8］的試驗(yàn)梁未摻任何外加劑和摻和料，混凝土強(qiáng)度退化率及抗剝蝕性均較文獻(xiàn)［7］差，而截面高度又小，導(dǎo)致截面有效高度減小率也遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)［7］，致使經(jīng)歷凍融次數(shù)不多時(shí)承載力就明顯下降。因此，進(jìn)行構(gòu)件的抗凍試驗(yàn)研究時(shí)必需考慮損傷相似性的問(wèn)題，如僅簡(jiǎn)單地以?xún)鋈谘h(huán)次數(shù)為變量表征構(gòu)件損傷程度參考價(jià)值不大，唯有通過(guò)合理構(gòu)建損傷變量才可能揭示其劣化機(jī)理［21］。

凍融及鹽凍作用后鋼筋混凝土梁承載力的一般性評(píng)估，可以不計(jì)粘結(jié)性能退化影響，在考慮相應(yīng)凍融次數(shù)作用后的混凝土強(qiáng)度和截面有效高度的基礎(chǔ)上，可利用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范公式計(jì)算。不過(guò)，定量揭示破壞機(jī)理的抗力分析模型尚需進(jìn)一步研究，模型中除需考慮前述所有影響因素外，還應(yīng)注意到凍融損傷是由表及里的，距構(gòu)件表面深度不同混凝土強(qiáng)度的退化程度不相同的特性［9］，應(yīng)依據(jù)混凝土強(qiáng)度受損程度分層變化特征分別選取相應(yīng)的本構(gòu)方程和破壞準(zhǔn)則。

4 結(jié) 論

1）鹽凍融環(huán)境下普通混凝土構(gòu)件表面剝蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，且隨凍融次數(shù)增加保護(hù)層剝落程度加??；沿截面高度混凝土強(qiáng)度劣化程度不同，但受凍梁截面混凝土應(yīng)變?nèi)詽M(mǎn)足平截面假定。

2）凍融環(huán)境下，鋼筋混凝土粘結(jié)性能退化對(duì)梁承載力影響較小，鹽凍融環(huán)境下影響梁抗彎承載力的主要因素依次是受壓區(qū)混凝土的剝落和混凝土強(qiáng)度的降低，與水凍融環(huán)境相反。

3）凍融環(huán)境下，隨凍融次數(shù)增加，混凝土強(qiáng)度降低、保護(hù)層損傷及粘結(jié)性能退化均是導(dǎo)致梁變形增大的重要因素，而梁剛度降低程度除與凍融次數(shù)相關(guān)外，還受凍融損傷位置和持荷水平影響。

4）混凝土構(gòu)件的抗凍性受試件尺寸、混凝土強(qiáng)度退化率影響顯著，僅以?xún)鋈谘h(huán)次數(shù)表征其損傷程度不足以揭示構(gòu)件的凍融損傷機(jī)理。

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（編輯 郭 飛）

Experimental Analysis on Flexural Performance of Reinforced Concrete Beam in Salt-frost Environment

Xu Gang1，2，Li Yunpan1，2，Pan Qi1，2，Xie Xiaojuan1

（1.College of Civil Engineering ＆ Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，P.R.China；2.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazard and Eco-Environment in Three Grorges Area，Yichang 443002，Hubei，P.R.China）

Under the salt frost environment，the flexural behavior of reinforced concrete was studied.The bearing capacity and deformation performance of the beams were analyzed by comparing with the reference beam（undamaged）and beams subjected to 25，50，75 and 100 salt freeze-thaw cycles respectively.The results showed the plane section hypothesis still was satisfied for the concrete strains of frost beam section，and the mechanical characteristics of frost beam was similar to reference；The main reason to affect the beam bearing capacity under salt freeze-thaw environment was the concrete cover scaling in the compressive zone.Secondly，it was the reduction in concrete strength，while the degradation of bond properties between rebar and concrete was not a dominated factor；the deformations of concrete beam increased mainly due to the reduction in concrete strength，the damage of concrete cover and the degradation of bond properties.In addition to the number of freeze-thaw cycles，the positions of freeze-thaw damage and the load level affected the degree of reduction in beam stiffness.

reinforced concrete beam；salt-frost；durability；flexural performance

TU375.02

A

1674-4764（2014）03-0086-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.014

2013-01-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（51379111、51109121）；湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃創(chuàng)新群體項(xiàng)目（2010CDA076）；高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目

徐港（1974-），男，副教授、博士（后），主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，（E-mail）postxg＠163.com。