氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土棱柱體抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

曹 琛

（西安外事學(xué)院建筑工程系，西安710077）

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)是我國(guó)最主要的結(jié)構(gòu)形式之一。近年來(lái)，我國(guó)沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展越來(lái)越迅速，但伴隨的混凝土耐久性問(wèn)題也日益突出。近海大氣環(huán)境中，氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕作用是其耐久性下降的一個(gè)主要原因［1-2］，每年我國(guó)因氯鹽腐蝕建筑結(jié)構(gòu)，而耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，給經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。因此，研究氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響非常重要。目前，關(guān)于腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)性能的影響已做了大量的研究［3-8］，但是對(duì)于氯離子環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)抗壓力學(xué)性能的研究并不多見(jiàn)。鑒于此，擬對(duì)氯離子環(huán)境下不同銹蝕程度的混凝土棱柱體進(jìn)行了軸心抗壓試驗(yàn)，以研究氯離子環(huán)境下混凝土棱柱體受壓各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的變化規(guī)律，該研究結(jié)果將為在役混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)及抗震性能評(píng)估提供資料和理論支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)鋼筋混凝土棱柱體試件12 組，每組有3 個(gè)完全相同試件，共計(jì)36 個(gè)。試件截面尺寸為150 mm×150 mm×450 mm，縱筋為412，箍筋為φ8@80，混凝土保護(hù)層厚度為10 mm。以箍筋銹蝕率和混凝土強(qiáng)度為主要變化參數(shù)，其中箍筋銹蝕率通過(guò)控制裂縫寬度的方法來(lái)確定。試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)用混凝土采用攪拌機(jī)拌制，其中 C30、C40 混凝土采用 P.O32.5 級(jí)水泥，C50 混凝土采用P.O42.5 級(jí)水泥，攪拌水為自來(lái)水，粗骨料為天然碎石，試驗(yàn)用河砂為天然中砂。試件縱筋均為412，箍筋均為φ8@80。為加速箍筋銹蝕，在制作試件時(shí)加入水泥重量5%的食鹽。測(cè)量混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度并折算為標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體28 d 抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c可取為0.76 倍標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度。C30、C40、C50 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度分別為28.18 MPa、35.18 MPa、45.23 MPa。不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度每立方米混凝土各組分的用量見(jiàn)表2。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Specimen design parameters

1.2 腐蝕方案

將養(yǎng)護(hù)好的試件放入鹽霧箱內(nèi)進(jìn)行腐蝕，為了模擬實(shí)際環(huán)境，采用干濕循環(huán)的方法，先將鹽霧箱內(nèi)的溫度調(diào)整為45 ℃，濕度為90%，持續(xù)3 h后，再將箱內(nèi)的溫度升高至60 ℃±2 ℃進(jìn)行烘干，并持時(shí)2 h。除了對(duì)照組，綜合鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)室的鹽霧氯離子濃度取為5%，采用間斷噴霧的方式，以 1 h 為周期，噴霧 20 min 間歇 40 min，以保持鹽霧箱內(nèi)的鹽霧濃度恒定。在腐蝕實(shí)驗(yàn)過(guò)程，需定期進(jìn)入室內(nèi)觀察試件的順筋裂縫發(fā)展情況，并用精度為0.01 mm、量程為0～10 mm 的裂縫觀測(cè)儀對(duì)試件表面的銹脹裂縫進(jìn)行觀測(cè)，達(dá)到預(yù)計(jì)裂縫寬度的試件即可搬出鹽霧箱。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix kg/m3

1.3 試驗(yàn)裝置與加載方法

1.3.1 軸壓試驗(yàn)裝置

試件軸心抗壓試驗(yàn)采用西安外事學(xué)院微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖1 所示，豎向最大靜載力可達(dá)5 000 kN。

圖1電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Electro-hydraulic servo pressure testing machine

1.3.2 加載制度

本試驗(yàn)采用位移控制的加載方式，由于大部分試件經(jīng)受了銹蝕損傷，且為仔細(xì)觀察試件破壞過(guò)程其狀態(tài)，故位移加載速度參照以往經(jīng)驗(yàn)選為0.3 mm/min，采用等位移速度單調(diào)加載，直至試件受壓破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件腐蝕損傷狀態(tài)

當(dāng)試件腐蝕時(shí)間較短時(shí)，試件表面變化不明顯，個(gè)別部位會(huì)出現(xiàn)紅褐色點(diǎn)，繼續(xù)腐蝕，這些紅褐色點(diǎn)的面積慢慢增大，銹跡現(xiàn)象已逐漸明顯；隨著銹蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，銹蝕產(chǎn)物進(jìn)一步增多，紅褐色的銹跡點(diǎn)已貫通形成一小片，混凝土保護(hù)層開(kāi)始出現(xiàn)銹脹裂縫，隨著腐蝕時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，銹蝕產(chǎn)物的滲出量和銹脹裂縫的寬度逐漸增大。在每一組裂縫寬度相同（0，0.8 mm，1.0 mm，1.3 mm）的試件中挑選一個(gè)，其腐蝕損傷狀態(tài)照片如圖2所示。

圖2 試件腐蝕損傷圖Fig.2 Specimens corrosion damage diagrams

從圖2 中可以看出，銹蝕裂縫為0.8 mm 的試件只有少量較小的銹蝕點(diǎn)出現(xiàn)，銹蝕產(chǎn)物的顏色較淡，其外觀形態(tài)和未銹蝕試件基本相同，銹蝕裂縫為1.0 mm 的試件其銹蝕點(diǎn)的面積逐漸增大，紅褐色銹蝕產(chǎn)物滲出量增大，顏色逐漸變深；當(dāng)銹蝕裂縫達(dá)到1.3 mm 時(shí)，試件銹蝕現(xiàn)象已十分明顯，紅褐色銹蝕產(chǎn)物成片出現(xiàn)，銹脹裂縫部分貫通，有的試件角部遭到銹脹破壞。

2.2 試件軸壓破壞狀態(tài)

混凝土棱柱體的受壓破壞過(guò)程已很明晰，其破壞過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為:內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生、裂縫發(fā)展與貫通、破壞斜面形成直至試件被壓壞。試件經(jīng)過(guò)氯鹽腐蝕后，在受壓之前其內(nèi)部本身已存在銹蝕裂縫，當(dāng)試件受壓之后，新的內(nèi)部微裂縫不斷產(chǎn)生，同時(shí)原有銹蝕裂縫緩慢、持續(xù)發(fā)展，兩種裂縫間產(chǎn)生貫通，試件最后的受壓破壞斜面基本是在原有銹脹裂縫基礎(chǔ)上發(fā)展形成的。且試件銹蝕越嚴(yán)重，其破壞過(guò)程加快，鋼筋混凝土棱柱體破壞狀態(tài)由延性破壞變?yōu)榇嘈云茐?。試件最終破壞形態(tài)如圖3 所示（每組試件中挑選一個(gè)典型破壞的試件列出）。

2.3 試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)得出12 組試件的實(shí)測(cè)受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為了比較混凝土強(qiáng)度和箍筋銹蝕裂縫寬度對(duì)混凝土棱柱體受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，本試驗(yàn)對(duì)每組3 個(gè)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線取平均值，然后對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 不同銹蝕裂縫寬度下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

當(dāng)混凝土強(qiáng)度相同時(shí)，不同箍筋銹蝕裂縫寬度下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 所示。從圖中可以看出:在加載初期試件應(yīng)力較小時(shí)，不同銹蝕裂縫寬度下的各試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，強(qiáng)度基本相同；隨著荷載的繼續(xù)增大，不同銹蝕率的各試件其應(yīng)力-應(yīng)變曲線差別較明顯，試件裂縫寬度越大，其承載力下降越多，極限應(yīng)變減小，延性降低，但裂縫寬度為0.8 mm 的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線和未銹蝕構(gòu)件的重合部分較多，說(shuō)明輕微腐蝕對(duì)其受壓力學(xué)性能影響較小。且隨著混凝土強(qiáng)度的提高，試件的峰值應(yīng)力逐漸增大，極限應(yīng)變略有增加，試件承載力提高。

圖4 不同箍筋銹蝕裂縫寬度下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of concrete under different crack width of stirrup

2.3.2 不同混凝土強(qiáng)度下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

當(dāng)銹蝕裂縫寬度相同時(shí)，不同混凝土強(qiáng)度下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。從圖中可以看出隨著混凝土強(qiáng)度的提高，試件峰值應(yīng)力增大，承載力提高；但隨著裂縫寬度的增大，其峰值應(yīng)力提高的幅度逐漸減小，試件極限應(yīng)變也逐漸變小，說(shuō)明氯離子腐蝕試構(gòu)件承載力降低，延性減小。

2.3.3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合

清華大學(xué)過(guò)鎮(zhèn)海教授［9］建立的矩形箍筋約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型，模型表達(dá)式為式（1），其在工程實(shí)踐中已被證明，并得到了廣泛的應(yīng)用。因此本文選用它對(duì)試驗(yàn)所得銹蝕箍筋約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合。利用Excel 中“規(guī)劃求解”功能，以“擬合值與試驗(yàn)值差值平方和最小”為目標(biāo)，擬合出系數(shù)A，α，發(fā)現(xiàn)擬合效果較好，將其歸納于表3中。

式中:x=ε/ε0，y=σ/σ0；ε，ε0分別為應(yīng)變和峰值應(yīng)變；σ，σ0分別為應(yīng)力和峰值應(yīng)力；A，α分別為上升段、下降段曲線控制系數(shù)。

表3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)對(duì)比Table 3 Stress-strain curve parameter comparison

3 結(jié) 論

本文對(duì)36 個(gè)鋼筋混凝土棱柱體進(jìn)行了鹽霧加速銹蝕試驗(yàn)，進(jìn)而進(jìn)行了軸心抗壓試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同箍筋銹蝕率和混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土棱柱體的強(qiáng)度、剛度及延性等性能的影響，結(jié)論如下:

（1）對(duì)混凝土棱柱體試件，箍筋銹蝕較不均勻，轉(zhuǎn)角區(qū)域箍筋銹蝕比直線區(qū)段銹蝕嚴(yán)重，且隨著銹蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，試件銹脹裂縫的寬度、長(zhǎng)度也逐漸增大。

（2）隨著箍筋銹蝕裂縫的增大，試件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變減小，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上升段向右下方稍稍偏移，曲線下降段略有變陡，下降段的水平延伸段逐漸變短，延性降低。

（3）隨著混凝土強(qiáng)度的增大，試件的峰值應(yīng)力增大，承載力提高。但隨著箍筋腐蝕率的增大，其提高幅度減小。