持續(xù)荷載與銹蝕作用下RC梁力學(xué)性能試驗研究

左 馳， 張夢光， 汪思維， 曾 妮

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

持續(xù)荷載與銹蝕作用下RC梁力學(xué)性能試驗研究

左 馳， 張夢光， 汪思維， 曾 妮

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

采用更符合實際環(huán)境的干濕循環(huán)條件下通電加速銹蝕的方法,對不同持續(xù)荷載以及加卸載作用下的鋼筋混凝土梁進(jìn)行比較試驗，研究鋼筋混凝土梁在持續(xù)荷載和銹蝕耦合作用下的力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明:持續(xù)荷載與銹蝕共同作用下，荷載的大小與縱向鋼筋銹蝕程度成正相關(guān)；鋼筋混凝土簡支梁的極限承載力隨著持續(xù)荷載的增加而降低；同時，持續(xù)荷載水平越大，梁剛度下降速度愈快。

混凝土梁； 持續(xù)荷載； 剩余承載力； 鋼筋銹蝕

在影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素中，鋼筋銹蝕己成為導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要原因[1-2]。由于混凝土結(jié)構(gòu)的自身材料和使用環(huán)境的特點，其不可避免地需要長期暴露在惡劣的腐蝕環(huán)境中。尤其是對于長期處于荷載和氯鹽侵蝕雙重作用下的沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)而言，其通常是帶裂縫狀態(tài)下服役，氯離子會沿著裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部腐蝕鋼筋，這些混凝土結(jié)構(gòu)往往會過早發(fā)生破壞。然而，目前對持續(xù)荷載和銹蝕共同作用下鋼筋混凝土梁的試驗研究尚處于起步階段，早前對鋼筋銹蝕的研究多是對不受荷載作用的試件采用電化學(xué)加速銹蝕的方法，模擬自然環(huán)境混凝土中鋼筋的銹蝕，然后進(jìn)行其銹蝕作用后的性能研究[3-6]。因此開展持續(xù)荷載和銹蝕共同作用下的相關(guān)力學(xué)性能的研究，進(jìn)而來指導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計和安全性評估具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。本文通過對不同持續(xù)荷載作用的鋼筋混凝土梁在干濕循環(huán)條件下通電加速銹蝕試驗，開展了更符合實際環(huán)境作用下的鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能研究。

1 試驗材料及試件設(shè)計

1.1 試驗材料

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砂為天然河砂，粗骨料為最大骨料粒徑不超過31.5 mm的碎石；減水劑選用的是SH-高效聚羧酸減水劑。混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C30，坍落度為160～180 mm。每立方米混凝土的各材料用量如下：水灰比0.50，水170，水泥190，砂750，石1100，減水劑0.034。

1.2 試件設(shè)計

本試驗制作了5根鋼筋混凝土梁試件，分別標(biāo)記為L-0、L-1、L-2、L-3、L-4(L-0：參考梁，實驗梁L-1、L-2、L-3分別表示持續(xù)荷載為極限荷載的0%、30%、60%，L-4表示荷載為60%的加載卸載銹蝕梁)。所用尺寸均為150 mm×200 mm×1500 mm，混凝土保護(hù)層厚度為25 mm，縱向受拉鋼筋為2C14，兩端均豎向彎起50 mm，架立筋為2C10，箍筋采用6?@100。同時，在箍筋與受拉縱筋相接觸處纏繞絕緣膠布，避免電流強(qiáng)度的損失。試驗梁尺寸及配筋見圖1。

圖 1 梁的截面尺寸及配筋示意圖(mm)

2 銹蝕與加載試驗方法

2.1 銹蝕方案

銹蝕方案由于實際生活當(dāng)中鋼筋的銹蝕屬于一種非均勻性銹蝕，故而本試驗采用更能與真實情況相契合的干濕循環(huán)通電加速銹蝕方案。首先在梁底從下往上依次包裹保水塑料布、吸水海綿、不銹鋼絲網(wǎng)并綁扎固定，之后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%NaCl溶液導(dǎo)入保水塑料布內(nèi)，使得吸水海綿充分浸濕24 h，然后將預(yù)留在受拉縱筋上的導(dǎo)線與DH1718E-3型雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的陽極相連，而不銹鋼網(wǎng)片則與其陰極相接，開始通電加速銹蝕。由于混凝土內(nèi)部本身的不均勻性，所以造成鋼筋表面氯離子也不均勻，這樣也就可以模擬實際環(huán)境中鋼筋的不均勻銹蝕。本試驗采用干3 d濕4 d的循環(huán)方案進(jìn)行干濕處理，每根試驗梁進(jìn)行6個循環(huán)周期(共計42天)后結(jié)束干濕循環(huán)試驗。加速銹蝕方案見圖2。圖2混凝土梁加速銹蝕方案。

圖 2 混凝土梁加速銹蝕方案

2.2 加載方案

加載方案本試驗采用兩集中力對稱加載，通過對參考梁的靜載試驗得到其極限承載力Pu，然后根據(jù)極限荷載的0、30%、60%的荷載水平進(jìn)行持續(xù)加載，持續(xù)加載時間根據(jù)鋼筋銹蝕率達(dá)到10%所需時間確定。純彎段長度設(shè)置為500 mm，支座到自由端為150 mm。梁的兩端支座及跨中，加載點底部各布置1個百分表,以測量梁的跨中撓度。試驗加載裝置見圖3。

圖 3 加載裝置設(shè)備圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 理論與實測縱筋銹蝕率

分別用法拉第定律和破型實測方法確定梁中縱向受拉鋼筋的理論和實際銹蝕(銹蝕前后質(zhì)量損失率)，結(jié)果見表1。

表1 理論計算和實測縱筋銹蝕率 %

由表1可以看出，理論方法計算所得出的銹蝕率與實測銹蝕率有所差別，實測值比理論計算值低。持續(xù)荷載作用下的梁以及加載卸載梁鋼筋的銹蝕率較之未加荷載梁鋼筋的銹蝕率大，而且施加的荷載與鋼筋的銹蝕率成正比例關(guān)系。究其原因有:1)持續(xù)荷載作用對混凝土造成損傷，使受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)細(xì)小的微裂縫;2)持續(xù)荷載的作用使裂縫一直處于張開狀態(tài);3)持續(xù)荷載使水泥漿體和骨料界面受到損傷。綜合來說，以上幾個方面原因都增強(qiáng)了氯鹽溶液的滲透性，加快了銹蝕速度，荷載作用越大，銹蝕越快。

3.2 荷載-撓度曲線圖

持續(xù)荷載作用下加速銹蝕試驗結(jié)束后，對鋼筋混凝土梁進(jìn)行靜力荷載試驗，可得到混凝土梁跨中撓度隨荷載的發(fā)展變化。荷載-撓度曲線見圖4。

圖 4 荷載-撓度曲線

從圖4可以看出，未加載試驗梁L-1的荷載-撓度曲線與參考梁L-0呈現(xiàn)基本一致的趨勢，但是由于鋼筋銹蝕作用，試驗梁極限承載力有所降低。加載之后卸載梁L-4，由于裂縫產(chǎn)生“自閉合”的現(xiàn)象，其荷載-撓度曲線也與未銹蝕梁L-0的趨勢基本相同。而對于L-2、L-3梁而言，在加載的前期階段，其剛度變化較之于未加載銹蝕梁以及加載卸載銹蝕梁剛度變化小。究其原因是由于梁在加載的過程當(dāng)中，在彎曲荷載的作用下跨中部位產(chǎn)生彎曲裂縫，鋼筋的銹蝕會降低鋼筋與混凝土之間的粘接性能，在鋼筋屈服前的不斷加載過程中，拉應(yīng)力很大程度上由預(yù)先產(chǎn)生裂縫處的鋼筋承擔(dān)，不能有效地傳遞給混凝土，導(dǎo)致梁底產(chǎn)生的裂縫較少，剛度變化相對較少。通過對L-2與L-3進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，后者在屈服前剛度變化比前者剛度變化小。由此可說明施加持續(xù)荷載越大，屈服前剛度越大。這是由于持續(xù)荷載水平越大，受拉區(qū)混凝土的裂縫開展至縱向鋼筋，梁內(nèi)鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能退化越嚴(yán)重，拉應(yīng)力基本上完全由裂縫處的鋼筋承擔(dān)。

3.3 鋼筋混凝土梁的抗彎承載力分析

表2為承載力試驗結(jié)果和試驗結(jié)束后用稱量法得到的鋼筋銹蝕率。由表2可知，以參考梁L-0為基準(zhǔn)，通電銹蝕后梁的極限承載力都有不同程度的降低，具體而言,L-4的極限承載力降低到91%，L-1的極限承載力降低到96% ，L-2的極限承載力降低到88%，L-3的極限承載力降低到85%。將承載能力和鋼筋的實測銹蝕率對比發(fā)現(xiàn)：梁的銹蝕程度與極限承載力成反相關(guān)。這主要是因為鋼筋的銹蝕使得鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能發(fā)生退化而產(chǎn)生的。對預(yù)加載后卸載銹蝕的梁L-4，與持續(xù)荷載作用下的銹蝕梁相比，其極限承載力降低程度明顯較小。分析結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁所承受持續(xù)荷載越大，縱向受拉鋼筋銹蝕程度越大，混凝土梁極限承載力降低幅度也就越大。

表2 銹蝕梁承載力試驗結(jié)果

3.4 銹蝕鋼筋混凝土梁延性性能分析

采用位移延性系數(shù)反映梁的延性性能，位移延性系數(shù)由下式表示[7]：

式中:μφ為位移延性系數(shù),Δμ為極限位移,Δy為屈服位移。通過承載力試驗確定不同持續(xù)荷載和銹蝕作用下的混凝土梁位移延性系數(shù)，并將銹蝕梁位移延性系數(shù)降低幅度與未銹蝕梁的位移延性系數(shù)比值定義為延性降低系數(shù)δ，試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗梁位移延性系數(shù)

從表3中可以看出，鋼筋混凝土梁銹蝕之后，其位移延性降低系數(shù)都有一定程度的增大。對于L-1和L-4，位移延性降低系數(shù)相對較小，分別為0.11、0.18；而相較于L-1和L-4而言的鋼筋混凝土梁L-2和L-3，其位移延性降低系數(shù)δ就要大很多。由此可知，鋼筋的銹蝕會造成混凝土結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的降低和耐久性損傷，從而導(dǎo)致鋼筋混凝土梁位移延性降低系數(shù)增大，而且持續(xù)荷載越大位移延性降低系數(shù)越大，從而鋼筋混凝土構(gòu)件的延性越小，構(gòu)件的安全儲備也隨之降低，脆性破壞特征也就越發(fā)明顯。

4 結(jié)論

1)高水平持續(xù)荷載不僅會增大鋼筋的銹蝕率，而且還會導(dǎo)致梁的剛度和極限承載力降低程度也相應(yīng)增大，由此可見，持續(xù)荷載對梁劣化性能有著很大的促進(jìn)作用，嚴(yán)重影響其結(jié)構(gòu)使用耐久性能，使得混凝土結(jié)構(gòu)過早地發(fā)生破壞。

2)在加載的到達(dá)屈服強(qiáng)度之前，持續(xù)加載作用下剛度變化比未加載銹蝕梁以及加載卸載銹蝕梁剛度變化小。這主要是由于梁在持續(xù)受力的過程當(dāng)中，跨中部位產(chǎn)生彎曲裂縫，而同時鋼筋的銹蝕會降低鋼筋與混凝土之間的粘接性能，其拉應(yīng)力很大程度上由產(chǎn)生裂縫處的鋼筋承擔(dān)，不能有效地傳遞給混凝土，導(dǎo)致梁底產(chǎn)生的裂縫較少，剛度變化相對較少。

3)鋼筋銹蝕和荷載作用導(dǎo)致屈服強(qiáng)度的下降和混凝土劣化，雙重影響將導(dǎo)致鋼筋混凝土梁位移延性系數(shù)降低，施加持續(xù)荷載越大，其位移延性系數(shù)降低幅度越快，且梁構(gòu)件逐步由延性破壞轉(zhuǎn)為彎曲粘接撕裂破壞。

4)試驗證明了持續(xù)荷載與銹蝕共同作用會導(dǎo)致鋼筋混凝土梁的抗彎承載力明顯降低，而且持續(xù)荷載越大，其下降程度也就越大。當(dāng)持續(xù)荷載分別為參考梁極限承載力的0、30%、60%時，對應(yīng)極限承載力依次降為參考梁的96%、88%、85%，而60%加載卸載梁降低為參考梁的91%。

[1] 金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性 [M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 陳肇元. 土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] 張克波，張建仁，王磊．銹蝕對鋼筋強(qiáng)度影響試驗研究[J]．公路交通科技，2010，27 (12)：59-66.

[4] 曾志興，宋小雷. 銹蝕鋼筋混凝土梁靜承載力性能試驗[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,32(1) :92-95.

[5] 何世欽,王海超,貢金鑫. 荷載與銹蝕共同作用下鋼筋混凝土梁抗彎試驗研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報,2007(6):46-51.

[6] 金偉良,王毅. 持續(xù)荷載與氯鹽作用下鋼筋混凝土梁力學(xué)性能試驗[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2014(2):221-227.

[7] 趙國藩.高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Mechanics Behaviors of Reinforced Concrete Beams under Sustained Load and Corrosion

ZUO Chi,ZHANG Meng-guang, WANG Si-wei, ZENG Ni

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

This paper adopts the method of power-to-accelerate-steel-corrosion test under the Cycle of Dry and Wet to do a comparative trial of various sustain loads and loading-unloading reinforced concrete beam. On this basis ,this study focuses on the mechanical properties of reinforced concrete beams under continuous loading and corrosion coupling interaction. Experiment results show that under the combined action of continuous load and corrosion, the magnitude of the load is positively correlated with the degree of longitudinal reinforcement rusting and the ultimate strength of reinforced concrete simple support beams decreases with the increase of the sustained load. Simultaneously, the greater the continuous load is, the faster the rigidity of the beam declines.

reinforced concrete beam；sustained load；residual capacity；Steel corrosion

2016-05-18

左 馳(1991-)， 男，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為鋼筋混凝土耐久性

1003-4684(2017)02-0092-03

TU375.1

A