鐵路梁橋在多因素腐蝕環(huán)境影響下構(gòu)件抗彎性能研究

董 偉

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，蘭州 730000)

鋼筋混凝土構(gòu)件是當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，它結(jié)合了鋼筋與混凝土各自的優(yōu)點，使得結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性提高，且造價較低[1，2]。但是當(dāng)構(gòu)件長期處于高濕度、高鹽堿以及CO2濃度較高的環(huán)境中服役時，鋼筋會逐漸銹蝕，混凝土也會出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象，這些因素都降低了鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力，削弱了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能[3-5]。

國內(nèi)外對腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究已經(jīng)相對較多，Schiessl和Raupach[6]的研究表明，高溫、高濕的環(huán)境對鋼筋銹蝕最為不利，并且當(dāng)環(huán)境中溫度從15 ℃升高到20 ℃時，其腐蝕的速率可以提高50%。Tumidajski[7]和 Chindaprasirt等[8]為了研究混凝土碳化作用與氯離子侵蝕之間的相互影響，通過將混凝土試件放置于充有CO2氣體的腐蝕溶液中進(jìn)行浸泡試驗，定性分析了氯離子與混凝土碳化之間的相互關(guān)系。

隨著外部腐蝕環(huán)境作用時間的延長，鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能會出現(xiàn)劣化，集中表現(xiàn)為鋼筋銹蝕、混凝土碳化以及兩者之間黏結(jié)性能的削弱，張建仁等[9]通過銹蝕鋼筋混凝土梁承載力試驗，驗證了鋼筋在銹蝕條件下，由于銹蝕鋼筋與混凝土之間黏結(jié)強度的降低，鋼筋與混凝土之間的應(yīng)變已不再符合平截面假定。

現(xiàn)階段對腐蝕環(huán)境下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎性能的研究，主要是基于腐蝕環(huán)境影響下鋼筋有效受力面積減小、屈服強度降低以及混凝土與鋼筋黏結(jié)性能退化等相關(guān)特性，在無銹蝕構(gòu)件抗彎承載力計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元以及承載力試驗分析，通過考慮鋼筋與混凝土協(xié)調(diào)工作降低系數(shù)來體現(xiàn)黏結(jié)性能退化的影響。而本文主要是考慮了腐蝕環(huán)境影響下，由于鋼筋與混凝土黏結(jié)性能退化，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間應(yīng)變產(chǎn)生較大差異，通過重新構(gòu)造新的應(yīng)變關(guān)系，對銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力計算方法重新進(jìn)行了研究。

以西格線察爾汗站至金屬鎂一體化項目工業(yè)園廠區(qū)鐵路專用線作為研究對象，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖY(jié)構(gòu)受鹽漬侵蝕程度高，干濕循環(huán)影響大以及混凝土碳化嚴(yán)重等現(xiàn)象，分別研究了水分、CO2濃度以及氯離子侵蝕等外部環(huán)境作用下鋼筋混凝土構(gòu)件的腐蝕機(jī)理， 并對銹蝕構(gòu)件極限抗彎承載力的理論計算方法重新進(jìn)行了分析及推導(dǎo)，以沿線鐵路的鋼筋混凝土梁橋作為研究對象，通過試驗驗證了銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件理論計算方法的精度。

1 工程背景

西格線察爾汗站至金屬鎂一體化項目工業(yè)園廠區(qū)鐵路專用線位于青海省格爾木市，地處柴達(dá)木盆地的中南部，其接軌于青藏鐵路西格段察爾汗車站，線路自車站西牽出線上出岔，向西新建鹽湖集結(jié)站，出站后向南接入金屬鎂一體化項目工業(yè)園廠區(qū)東側(cè)400 m處，終點至廠區(qū)二貨區(qū)南端。

所經(jīng)區(qū)域位于格爾木市察爾汗鹽湖區(qū)，地處柴達(dá)木盆地中東部的格爾木河下游細(xì)粒土平原前緣與察爾汗鹽湖區(qū)化學(xué)沉積相接壤的平坦地帶，其大體的地貌單元屬昆侖山山前沖洪積、湖積平原，微地貌單元為沖積、湖積平原過渡地帶。工程場地內(nèi)地勢開闊，地形平緩，地面高程多集中于2 675～2 882 m，沿線地表多為荒地，植被稀疏，鹽漬化現(xiàn)象明顯，交通較便利。

本區(qū)屬青藏高原溫帶氣候區(qū)，具有干濕循環(huán)程度高，氣壓低、晝夜溫差大，紫外線強等氣候特點。根據(jù)格爾木氣象站氣象觀測資料，區(qū)內(nèi)年平均氣溫6.4 ℃，極端最高氣溫35.5 ℃，極端最低氣溫-33.6 ℃，土壤最大季節(jié)凍結(jié)深度為150 cm，且土壤鹽漬化比較嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場取樣得到的察爾汗鹽湖鹵水主要腐蝕離子資料匯總見表1。沿線地質(zhì)勘查現(xiàn)場照片如圖1所示。

表1 察爾汗鹽湖主要腐蝕離子資料匯總 mg/L

圖1 現(xiàn)場勘查照片

沿線修建的鐵路橋梁長期處于干濕循環(huán)程度較高、腐蝕離子侵蝕以及混凝土碳化嚴(yán)重的環(huán)境中服役時，鋼筋混凝土材料會逐漸出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，從而會影響結(jié)構(gòu)的使用性能。

2 腐蝕環(huán)境作用下鋼筋混凝土構(gòu)件老化機(jī)理

鋼筋混凝土構(gòu)件承受外部荷載主要是依靠受拉區(qū)鋼筋受拉，受壓區(qū)混凝土承受壓力以及鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力協(xié)同作用而工作的，但是當(dāng)構(gòu)件長期處于腐蝕環(huán)境中時，由于外部環(huán)境因素(如水分、溫度、氯離子以及酸堿環(huán)境等)的長期影響，組成結(jié)構(gòu)的材料性能開始發(fā)生變化，進(jìn)而影響了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的抗彎性能及協(xié)同工作的方式發(fā)生變化。

2.1 水環(huán)境的影響

自然環(huán)境中的雨雪，施工過程中混凝土養(yǎng)護(hù)以及潮濕的空氣等都可能使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于濕度較大的環(huán)境當(dāng)中，鋼筋是一種易被腐蝕的金屬材料，在長期高濕度環(huán)境中，附著在鋼筋表面的鈍化膜會逐漸被溶解破壞，脫鈍后的鋼筋開始在水分及混凝土間隙中空氣的共同作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕[10]，在陽極區(qū)域發(fā)生氧化作用：Fe-2e?Fe2+，在陰極區(qū)域發(fā)生還原反應(yīng)：O2+2H2O+4e?4OH-，最終在長期腐蝕環(huán)境影響下，鋼筋表面逐漸膨脹生成了疏松多孔的Fe2O3，使其有效受拉面積減少，抗拉強度降低，混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理如圖2所示。

圖2 鋼筋在混凝土中的銹蝕過程

在充足的氧氣環(huán)境中，鋼筋腐蝕過程如式(1)、式(2)所示。

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4 Fe(OH)3

(1)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(2)

同時當(dāng)環(huán)境中氣溫不穩(wěn)定時，鋼筋混凝土構(gòu)件會經(jīng)歷不同程度的干濕循環(huán)作用，會影響到混凝土內(nèi)部鋼筋的抗拉強度，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，對鋼筋經(jīng)歷不同干濕循環(huán)影響后其抗拉強度的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 鋼筋經(jīng)歷不同干濕循環(huán)周期后抗拉強度試驗結(jié)果

圖3中編號1～5分別表示鋼筋經(jīng)過不同干濕循環(huán)影響后其抗拉強度的變化情況，編號1作為參照組，描述的是鋼筋沒有經(jīng)歷干濕循環(huán)作用下所測得的抗拉強度，編號2～5作為試驗組，依次表示鋼筋經(jīng)過1～4次干濕循環(huán)作用后抗拉強度的大小。由以上試驗結(jié)果可以看出，鋼筋受水環(huán)境干濕循環(huán)的作用，其抗拉強度會受到不同程度的影響，同參照構(gòu)件相比，鋼筋在經(jīng)歷了4次干濕循環(huán)的作用后，其抗拉強度分別降低了3.1%，5.35%，5.36%和6.07%。

2.2 混凝土碳化的影響

鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能主要是通過兩者之間的摩擦力、機(jī)械咬合力以及相互黏結(jié)力實現(xiàn)的，而這種黏結(jié)作用會由于混凝土的碳化而逐漸降低?；炷潦怯晒獭⒁杭皻馊嘟M成的不均勻質(zhì)材料，在其內(nèi)部存在大量的空隙，當(dāng)構(gòu)件長期處于酸性介質(zhì)(如CO2、SO2等)的環(huán)境中時，這些腐蝕氣體逐漸侵入混凝土的空隙中，與混凝土內(nèi)部直接接觸，從而與混凝土中的堿性介質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)，碳化反應(yīng)的作用機(jī)理如式(3)～式(6)所示。

CO2+H2O→H2CO3

(3)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3

(4)

3CaCO3·2SiO2·3H2O+3H2CO3→

3CaCO3+SiO2+6 H2O

(5)

2CaO·SiO2·4 H2O+2H2CO3→

CaCO3+SiO2+6H2O

(6)

從上式可以看出，碳化反應(yīng)的產(chǎn)物主要包括碳酸鹽及SiO2等其他物質(zhì)，這些物質(zhì)的生成一方面降低了混凝土的抗壓強度，另一方面失去了混凝土內(nèi)部原有的穩(wěn)定狀態(tài)，使得混凝土原有的堿性環(huán)境遭到破壞，削弱了對鋼筋的保護(hù)作用，從而加劇了周圍環(huán)境對鋼筋的銹蝕作用，由于這種雙重影響最終還會導(dǎo)致鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能降低。

2.3 氯離子的影響

當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期處于鹽漬地區(qū)或者海洋環(huán)境中時，氯離子是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的主要因素，其侵蝕作用會對鋼筋及混凝土的材料性能造成不同程度的影響，一方面加劇了鋼筋的銹蝕作用，另一方面在遭受氯離子侵蝕的同時，混凝土的碳化深度也在不斷增大，使其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以致影響了氯離子的擴(kuò)散進(jìn)程，加快了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速度，因此氯離子的侵蝕作用與混凝土的碳化作用是相互耦合、共同影響以及共同作用的，對于氯離子在混凝土中擴(kuò)散機(jī)理可以由式(7)表示。

C4AH6+Ca(OH)2+NaCl+H2O→

C3A·CaCl2·10H2O+NaOH

(7)

文獻(xiàn)[3]通過鋼筋的浸泡與鹽霧試驗對比，分析了不同侵蝕方式影響下，隨著混凝土碳化深度的增加，氯離子的質(zhì)量分布情況，如圖4所示。

圖4 不同侵蝕方式下氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

由圖4可以看出，在不同的氯離子侵蝕方式影響下，氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著距離混凝土表面深度的增加呈逐漸降低的趨勢，同時在相同的混凝土表面距離處，浸泡試驗中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比鹽霧試驗高，其在接近混凝土表面處表現(xiàn)更為明顯，在氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域，鋼筋銹蝕及混凝土的碳化作用更為明顯。

3 腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力

鋼筋混凝土構(gòu)件長期在高濕度、高氯離子濃度以及酸性環(huán)境共同作用下，鋼筋材料銹蝕、混凝土逐漸碳化，同時伴隨著鋼筋抗拉強度的降低，有效受拉面積的削弱以及鋼筋同混凝土間黏結(jié)性能的退化，這些因素都會導(dǎo)致鋼筋混凝土抗彎性能發(fā)生變化。

通常情況下，鋼筋混凝土的抗彎承載力的計算公式都是建立在鋼筋與混凝土的應(yīng)變符合平截面假定的基礎(chǔ)上，即鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變與鋼筋位置處混凝土的應(yīng)變保持一致(或者在一定的標(biāo)距范圍內(nèi)其平均值保持一致)[9]，同時結(jié)合構(gòu)件內(nèi)力平衡方程以及變形協(xié)調(diào)關(guān)系，對構(gòu)件的抗彎承載力計算公式進(jìn)行推導(dǎo)的，只有在此變形協(xié)調(diào)的幾何關(guān)系下，構(gòu)件承載力的計算公式才有明確的物理意義。而鋼筋混凝土構(gòu)件在長期腐蝕環(huán)境影響下，由于鋼筋與混凝土材料性能的變化使得它們之間的黏結(jié)性能逐漸退化，導(dǎo)致鋼筋與鋼筋位置處的混凝土應(yīng)變產(chǎn)生差異，平截面假定不再適用于腐蝕之后的鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力的計算[9]，因此需要重新建立鋼筋與混凝土之間的應(yīng)變關(guān)系，以便對腐蝕后鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎承載力計算公式進(jìn)行推導(dǎo)。

3.1 銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)力分析

在文獻(xiàn)[12]提出的鋼筋及混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上，為了方便表達(dá)銹蝕鋼筋在產(chǎn)生黏結(jié)滑移之后與其相同位置處混凝土的應(yīng)變關(guān)系，定義應(yīng)變協(xié)調(diào)系數(shù)μ，其表達(dá)式如式(8)所示。

μ=εcs/εs

(8)

式中，εs為銹蝕鋼筋的應(yīng)變；εcs為銹蝕鋼筋處對應(yīng)混凝土應(yīng)變。

銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力計算簡圖如圖5所示。

圖5 銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)力-應(yīng)變分布

同時由銹蝕鋼筋及其位置處混凝土之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系可得

(9)

由此可建立內(nèi)力平衡方程

(10)

式中，x0為受壓區(qū)混凝土截面的受壓區(qū)高度；x為簡化后等效矩形受壓區(qū)高度；h0為構(gòu)件截面的有效高度；εc為混凝土受壓區(qū)邊緣應(yīng)變，M是截面承受的彎矩。

聯(lián)立上式可以解得

(11)

其中

(12)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，當(dāng)混凝土強度等級小于C50時，α1=0.969，β1=0.824，為了簡化計算取α1=1.0，β1=0.8，代入式(12)可求得

(13)

為了方便計算，定義

(14)

同時以混凝土彈性模量為標(biāo)準(zhǔn)值定義一種換算配筋率公式如下

(15)

由此可得

λ=1.25ξρsc，E

(16)

其中，ξ可表示為換算配筋率的折減系數(shù)，通過上述分析可得銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力計算公式為

(17)

3.2 折減系數(shù)ξ值的確定

由式(14)可以看出，配筋率折減系數(shù)ξ是一個同鋼筋銹蝕率η以及應(yīng)變協(xié)調(diào)系數(shù)μ相關(guān)的參數(shù)，其可以間接影響到鋼筋混凝土抗彎承載力，本文主要通過分別確定鋼筋銹蝕率η與鋼筋及混凝土相對滑移關(guān)系與鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系來確定ξ的數(shù)值。

鋼筋材料銹蝕率主要與混凝土的保護(hù)層厚度c，鋼筋的直徑d以及構(gòu)件的裂縫寬度w相關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知鋼筋銹蝕率的表達(dá)式如式(18)所示。

(18)

式中，當(dāng)c/d的取值在各節(jié)點值之間時，銹蝕率用線性內(nèi)插法求解。

鋼筋與混凝土之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)系數(shù)μ反映了鋼筋與相同位置處混凝土產(chǎn)生黏結(jié)滑移之后彼此之間的應(yīng)變之間的幾何關(guān)系，文獻(xiàn)[9]通過混凝土的黏結(jié)性能試驗，經(jīng)過數(shù)值分析計算得到了螺紋鋼筋應(yīng)變協(xié)調(diào)系數(shù)與鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系，如式(19)所示。

μ=1.073+0.209η

(19)

由式(14)、(18)及式(19)可以最終確定出折減系數(shù)ξ。

3.3 抗彎承載力系數(shù)

抗彎承載力系數(shù)是構(gòu)件承載能力的儲備，可以間接反映構(gòu)件承受意外超載的能力[14]，其基本表達(dá)式為

(20)

其中，Mu，exp為構(gòu)件的極限抗彎承載力；Mu，th為構(gòu)件的理論設(shè)計彎矩。

通過對受彎構(gòu)件抗彎承載力理論值的計算以及試驗狀態(tài)下極限承載力的測定，即可求出抗彎承載力系數(shù)，文獻(xiàn)[14]建議抗彎承載力系數(shù)最優(yōu)解一般介于1.53～3.03，此時的各項指標(biāo)都較為合理，在工程可接受的范圍之內(nèi)。

4 銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力試驗研究

4.1 鋼筋混凝土構(gòu)件參數(shù)

為了研究本項目中沿線鋼筋混凝土鐵路橋梁，長期在干濕循環(huán)、高鹽及混凝土碳化環(huán)境中服役時結(jié)構(gòu)性能的變化情況，制作了5塊腐蝕程度各不相同的鋼筋混凝土構(gòu)件作為研究對象，依次編號為S1～S5，其中S1作為參照試件在正常情況下工作，S2～S5分別表示不同腐蝕程度的構(gòu)件，它們之間鋼筋銹蝕以及混凝土碳化程度有所不同，構(gòu)件采用的截面尺寸形式為1 000 mm×200 mm，試驗加載照片如圖6所示。材料參數(shù)如下，混凝土：采用強度等級為C40的材料，抗壓強度設(shè)計值為fc=19.1 MPa，彈性模量Ec=3.25×104MPa；構(gòu)件內(nèi)部配置了14根φ12 mm鋼筋，其在銹蝕之前屈服強度fy=235 MPa，彈性模量為Es=2.1×105MPa，通過加載試驗對不同銹蝕率鋼筋混凝土構(gòu)件極限抗彎性能進(jìn)行研究。

圖6 加載試驗

4.2 結(jié)果分析

由式(8)～式(20)可以計算得到S1～S5組鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生不同鋼筋銹蝕率之后的構(gòu)件抗彎承載力，結(jié)合加載試驗得到的結(jié)果對比分析如表2所示。

表2 不同銹蝕率構(gòu)件承載力統(tǒng)計

為了比較不同銹蝕程度的鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力的變化情況，引入構(gòu)件承載力損失率kd，其表達(dá)式

kd=(MS1-MSi)/MS1×100% (i=2～6)

(21)

式中，MS1為參照組構(gòu)件(S1)的抗彎極限承載力；MSi為不同銹蝕率的試驗組構(gòu)件(S2～S5)的抗彎極限承載力。

根據(jù)以上的研究結(jié)果，可以繪制出不同銹蝕率鋼

筋混凝土構(gòu)件S1～S5的抗彎極限承載力與承載力損失率kd之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 S1～S5銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力損失柱狀圖

由表2及圖7中理論與試驗對比結(jié)果可以看出，抗彎承載力系數(shù)S基本在工程可以接受的范圍內(nèi)，推導(dǎo)的銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力公式可以較好表達(dá)銹蝕構(gòu)件的抗彎性能；不同銹蝕程度的鋼筋混凝土構(gòu)件，其承載能力有所不同，構(gòu)件腐蝕程度越高，其抗彎承載力相對越低。當(dāng)鋼筋銹蝕率達(dá)到17%時，構(gòu)件抗彎承載力損失率可達(dá)到30.33%。

5 結(jié)論

(1)長期處于腐蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土構(gòu)件，由于受到環(huán)境中的水分、CO2以及氯離子等因素的影響，鋼筋開始銹蝕，混凝土也逐漸碳化，導(dǎo)致其材料的力學(xué)性能降低，有效受力面積減小，同時也削弱了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強度，產(chǎn)生了黏結(jié)滑移現(xiàn)象。

(2)由理論與試驗結(jié)果對比可以看出，抗彎承載力系數(shù)S基本在工程可以接受的范圍內(nèi)，通過構(gòu)造新的應(yīng)變關(guān)系，推導(dǎo)得到的銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件正截面承載力計算公式，更符合銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的計算特征。

(3)隨著鋼筋混凝土構(gòu)件在腐蝕環(huán)境中的工作時間不斷延長，鋼筋銹蝕率不斷增大，混凝土碳化程度也不斷提高，其抗彎承載力也在不斷損失。當(dāng)鋼筋銹蝕率達(dá)到17%時，構(gòu)件抗彎承載力損失率可達(dá)到30.33%。

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