環(huán)境和荷載對(duì)RC柱滯回性能和氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

沈 孛，刁 波，葉英華，耿 嬌

(1.北京航空航天大學(xué)土木工程系，100191北京;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，510640廣州)

我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用階段通常是帶裂縫工作的，沿海環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一段時(shí)間的使用荷載和氯離子侵蝕綜合作用后的抗震性能和耐久性能引人關(guān)注.耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［1］將海洋氯化物環(huán)境分為大氣區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)等.金祖權(quán)等［2］試驗(yàn)研究了長(zhǎng)期浸泡和浸泡烘干循環(huán)混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)與長(zhǎng)期浸泡相比，浸烘循環(huán)增加了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速率;Thomas［3］研究了海水潮汐區(qū)鋼筋混凝土試件中鋼筋銹蝕及氯離子含量，發(fā)現(xiàn)增加粉煤灰摻量會(huì)降低氯離子閾值;Cheewaket等［4］對(duì)建成10年的海港的不同深度混凝土取樣測(cè)試氯離子含量，提出鋼筋開始銹蝕的氯離子含量閾值.

牛荻濤等［5］和貢金鑫等［6］研究了鋼筋銹蝕率對(duì)鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件抗震性能的影響，劉伯權(quán)等［7］通過幅對(duì)稱位移低周疲勞加載試驗(yàn)研究混凝土柱的累積損傷;Li［8-9］試驗(yàn)研究了不同裂縫寬度鋼筋混凝土梁的氯滲透性，基于試驗(yàn)結(jié)果提出初始裂縫寬度限值為0.1 mm;Win等［10］用電子探針測(cè)試荷載裂縫寬度分別為0.1、0.2、0.3 mm時(shí)，從裂縫面或試件表面滲透的氯離子濃度和深度，結(jié)果表明，裂縫面滲透的濃度約是表面滲透的2倍，裂縫寬度為0.1 mm和0.2 mm時(shí)氯溶液的滲透深度相近;Diao等［11-12］研究了持續(xù)承載的鋼筋混凝土構(gòu)件經(jīng)歷侵蝕和凍融綜合作用后剩余承載力的變化規(guī)律，證實(shí)持續(xù)荷載加劇了構(gòu)件的劣化速度;Tammo等［13］通過軸心加載柱試驗(yàn)，證實(shí)鋼筋應(yīng)力是混凝土裂縫寬度的主要影響因素;Berto等［14］通過非線性分析研究鋼筋銹蝕和環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，建議進(jìn)行在役混凝土結(jié)構(gòu)剩余抗震性能試驗(yàn).對(duì)于同樣承受持續(xù)偏壓荷載的鋼筋混凝土柱，經(jīng)歷海水干濕循環(huán)后的滯回性能與放置在大氣環(huán)境下的有何差別尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo).

本文首先模擬結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)，利用螺栓桿和螺帽對(duì)RC柱施加偏壓荷載，再進(jìn)行100次海水干濕循環(huán)模擬沿海潮汐環(huán)境或放置在大氣環(huán)境下100 d，最后進(jìn)行低周水平反復(fù)加載試驗(yàn)并測(cè)試氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).研究持續(xù)偏壓荷載比例分別為0、0.2、0.35時(shí)，海水干濕環(huán)境與大氣環(huán)境下RC柱滯回性能的差異和氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

總共制作7個(gè)RC柱試件和3個(gè)混凝土立方體試件，7個(gè)柱試件編號(hào)為Z0～Z6.RC柱試件尺寸及配筋見圖1，保護(hù)層厚度為25 mm.齡期28 d時(shí)對(duì)參考柱試件Z0進(jìn)行單調(diào)加載得到極限偏壓荷載，作為柱試件Z1～Z6持續(xù)偏壓荷載的參考.各試件的試驗(yàn)環(huán)境和持續(xù)荷載比例(持續(xù)偏壓荷載與極限偏壓荷載的比值)見表1.柱試件Z1～Z3處于大氣環(huán)境，柱試件Z4～Z6處于海水干濕循環(huán)環(huán)境.

圖1 柱試件幾何尺寸及配筋

表1 柱試件Z0～Z6的試驗(yàn)條件

因本試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同持續(xù)荷載比例和不同環(huán)境下RC柱的滯回性能和氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，且RC柱試件的截面尺寸和配筋均相同，故可忽略尺寸效應(yīng)的影響.

混凝土骨料最大粒徑為10 mm，細(xì)骨料中砂的細(xì)度模數(shù)為2.6，硅酸鹽水泥強(qiáng)度等級(jí)PC32.5R，混凝土配合比見表2.縱筋直徑8 mm，屈服強(qiáng)度為250 MPa，混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度為51.1 MPa.

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗(yàn)方案

如表1所示，7個(gè)柱試件編號(hào)為Z0～Z6.試件Z0在28 d齡期時(shí)測(cè)得極限偏壓荷載Pu=65.1 kN，偏心距為100 mm.依據(jù)表1的持續(xù)荷載比例，28 d齡期時(shí)對(duì)柱試件Z1和Z4，Z2和Z5，Z3和Z6分別施加0、0.2Pu、0.35Pu的持續(xù)偏心壓力，施加方式與文獻(xiàn)［15］相同.

依據(jù)表1的試驗(yàn)環(huán)境和循環(huán)次數(shù)，柱試件Z1～Z3在大氣環(huán)境下放置到齡期128 d.柱試件Z4～Z6在(20±3)℃的海水中完成100個(gè)干濕循環(huán).每個(gè)海水干濕循環(huán)持續(xù)24 h，其中在海水中浸泡12 h，在大氣環(huán)境下放置12 h.海水按3%NaCl和0.34%MgSO4的配比人工配置.

依據(jù)表1的加載齡期和加載方式，到128 d齡期時(shí)，卸去柱試件的持續(xù)偏壓荷載，進(jìn)行柱頂?shù)椭芩椒磸?fù)加載試驗(yàn).反復(fù)加載試驗(yàn)裝置如圖2所示.先在柱頂施加軸心受壓荷載至105 kN(軸壓比為0.19)，并在整個(gè)加載過程保持不變，再在柱頂施加由水平位移控制的低周反復(fù)荷載，每級(jí)位移增量為2 mm，逐級(jí)加載至荷載下降到峰值荷載的85%后結(jié)束試驗(yàn).試驗(yàn)過程中，縱筋和混凝土應(yīng)變、以及水平位移等數(shù)據(jù)由IMP系統(tǒng)自動(dòng)采集.

水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)完成后，在柱試件Z1～Z6承受持續(xù)偏壓荷載的受拉側(cè)，分別距受拉表面20 mm和40 mm深處取樣混凝土，測(cè)定自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖2 低周水平反復(fù)加載裝置

2 主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 RC柱試件主要試驗(yàn)結(jié)果

表3給出了低周水平反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果，即柱Z1～Z6的屈服荷載、峰值荷載、破壞荷載及其對(duì)應(yīng)的柱頂水平位移.正向加載是指水平荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)力分布與持續(xù)偏壓荷載同向，反向加載指水平荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)力分布與持續(xù)偏壓荷載反向，下同.

表3 柱試件Z1～Z6的特征荷載與位移

由表3可以看出，正向加載時(shí)，大氣環(huán)境柱Z1～Z3和海水干濕柱Z4～Z6的屈服荷載、極限荷載和延性系數(shù)均隨持續(xù)偏壓荷載比例的增加而降低，反向加載時(shí)變化規(guī)律不明顯.

2.2 荷載-位移滯回曲線

將持續(xù)荷載比例相同的大氣環(huán)境柱和海水干濕柱的滯回曲線繪于圖3.由圖3可見，海水干濕柱的加載剛度和峰值荷載均小于大氣環(huán)境柱;越過峰值荷載后，干濕循環(huán)柱的承載力下降速度比大氣環(huán)境柱快;隨著持續(xù)荷載比例增加，海水干濕柱和大氣環(huán)境柱的滯回曲線均呈現(xiàn)不對(duì)稱，其中，海水干濕柱的不對(duì)稱性更加顯著.

造成滯回曲線不對(duì)稱的原因有:首先，柱試件從28 d齡期起受到持續(xù)偏壓荷載作用100 d，受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生徐變，受壓鋼筋產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而提高反向加載剛度和峰值荷載;其次，在海水干濕循環(huán)過程中，海水易通過柱試件Z5和Z6裂縫滲入混凝土并造成腐蝕，導(dǎo)致其滯回曲線不對(duì)稱甚于柱Z2和Z3.貢金鑫等［6］的試驗(yàn)結(jié)果也表明鋼筋銹蝕使柱的滯回曲線呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱.

圖3 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱滯回曲線比較

2.3 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱峰值荷載

將海水干濕柱和大氣環(huán)境柱在正向加載和反向加載時(shí)的屈服荷載、峰值荷載與持續(xù)荷載比例的關(guān)系繪于圖4.由圖4可見，正向加載時(shí)，大氣環(huán)境柱的屈服荷載、峰值荷載均大于海水干濕柱.反向加載時(shí)，變化規(guī)律不明顯.

圖4 不同持續(xù)荷載比例柱試件的屈服荷載和峰值荷載

2.4 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱延性

將海水干濕柱Z4、Z5、Z6和相同持續(xù)荷載比例的大氣環(huán)境柱Z1、Z2、Z3的延性系數(shù)的比值列于表4.由表4可見，正向加載時(shí)，延性比值隨持續(xù)荷載比例變化較小，說明兩種環(huán)境對(duì)延性影響不大.

表4 海水干濕柱和大氣環(huán)境柱峰值荷載和延性比值

2.5 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱剛度

將海水干濕柱和大氣環(huán)境柱在正向加載和反向加載時(shí)的割線剛度變化曲線繪于圖5.由圖5可見，正向加載時(shí)，持續(xù)偏壓柱試件 Z2、Z3、Z5、Z6的剛度均低于未承受偏壓柱試件Z1和Z4，說明持續(xù)偏壓荷載使RC柱的正向加載剛度降低.反向加載時(shí)，則無明顯規(guī)律.因此，無論是正向加載還是反向加載，海水干濕柱和大氣環(huán)境柱割線剛度無明顯差異.

圖5 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱剛度比較

2.6 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱的耗能能力

骨架曲線所圍面積可近似表示耗能能力.過峰值荷載后下降到85%峰值荷載時(shí)，骨架曲線與坐標(biāo)軸所圍面積值(耗能)繪于圖6.由圖6可見，海水干濕柱的耗能能力小于大氣環(huán)境柱.將海水干濕柱Z4、Z5、Z6的耗能值分別除以相同持續(xù)荷載比例的大氣環(huán)境柱Z1、Z2、Z3的耗能值，所得比值見表5.持續(xù)荷載比例為0.35時(shí)，正向加載耗能比為0.57(海水干濕柱耗能較大氣環(huán)境柱低43%)，反向加載耗能比為1.08.說明海水干濕柱Z6正向耗能明顯減弱，反向耗能增加，可見，持續(xù)偏壓荷載耦合海水干濕作用對(duì)RC柱耗能的影響大于持續(xù)偏壓大氣環(huán)境柱.

圖6 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱耗能比較

表5 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱的耗能能力

將相同持續(xù)荷載比例的海水干濕柱與大氣環(huán)境柱的骨架曲線繪于圖7.由圖7可見，持續(xù)荷載比例不大于0.2時(shí)，骨架曲線接近，越過峰值點(diǎn)后海水干濕循環(huán)柱Z4和Z5的承載力下降速度較大氣環(huán)境柱Z1和Z2略快;持續(xù)荷載比例為0.35時(shí)，海水干濕柱Z6骨架曲線的不對(duì)稱性較大氣環(huán)境柱Z3更加顯著.

圖7 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱的骨架曲線對(duì)比

2.7 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

低周反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)束后，在柱試件Z1～Z6承受持續(xù)偏壓作用的受拉側(cè)，距受拉表面20 mm和40 mm深處取樣混凝土，測(cè)定氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)果見表6，環(huán)境影響比較見表6和圖8.

表6 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖8 海水干濕柱與大氣環(huán)境柱氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

圖8(a)給出了海水干濕柱和大氣環(huán)境柱距受拉表面20 mm處混凝土的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).可以看出，持續(xù)荷載比例相同時(shí)，海水干濕柱受拉混凝土的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境柱.表6給出了兩者的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，即海水干濕柱的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)是大氣環(huán)境柱的3.3倍以上.圖8(b)給出了40 mm處混凝土的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較.由圖8(b)可見，無持續(xù)荷載時(shí)海水干濕柱與大氣環(huán)境柱的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同;隨著持續(xù)荷載比例增加，海水干濕柱的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，而大氣環(huán)境柱的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大體相同.由表6可見，無論在20 mm還是40 mm深處，持續(xù)偏壓荷載耦合海水干濕循環(huán)作用后，海水干濕柱與大氣環(huán)境柱氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值均在3.0倍以上;說明持續(xù)偏壓荷載耦合海水干濕循環(huán)作用時(shí)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅大于持續(xù)荷載單獨(dú)作用(即相同持續(xù)荷載比例的大氣環(huán)境柱).

低周反復(fù)加載試驗(yàn)完成后，除去保護(hù)層，可以看到柱試件中鋼筋的銹蝕狀態(tài).試件Z1～Z4的縱筋和箍筋均無銹蝕，僅海水干濕柱Z5和Z6的受拉一側(cè)的箍筋出現(xiàn)銹蝕.如圖9所示，試件Z5的箍筋出現(xiàn)輕微銹蝕，試件Z6的箍筋銹蝕程度較重.可見，持續(xù)受拉應(yīng)力耦合海水干濕循環(huán)加速了鋼筋的銹蝕.

圖9 不同持續(xù)荷載比例海水干濕柱受拉側(cè)箍筋銹蝕狀態(tài)

3 結(jié) 論

1)當(dāng)柱頂水平荷載與持續(xù)偏壓荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)力分布同向時(shí)，海水干濕柱和大氣環(huán)境柱的屈服荷載、峰值荷載和延性均隨持續(xù)荷載比例提高而降低;反之，變化規(guī)律不明顯.

2)持續(xù)偏壓荷載作用下，海水干濕柱和大氣環(huán)境柱的滯回曲線均隨持續(xù)荷載比例提高而呈現(xiàn)不對(duì)稱性，其中，海水干濕柱的不對(duì)稱性更加顯著.

3)當(dāng)柱頂水平荷載與持續(xù)偏壓荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)力分布同向時(shí)，海水干濕柱的峰值荷載和耗能能力均小于相同持續(xù)荷載比例的大氣環(huán)境柱;持續(xù)荷載比例為0.35時(shí)，海水干濕柱的峰值荷載和耗能能力分別比大氣環(huán)境柱低11%和43%.

4)持續(xù)偏壓荷載耦合海水干濕循環(huán)作用后，距受拉表面20 mm和40 mm深處，受拉混凝土的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)是持續(xù)偏壓荷載單獨(dú)作用(即大氣環(huán)境柱)的3倍以上.可見，持續(xù)偏壓荷載耦合海水干濕循環(huán)作用加速了氯離子的滲透，進(jìn)而會(huì)影響RC結(jié)構(gòu)的使用壽命.

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

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