銹脹RC 梁抗彎性能試驗(yàn)

莊燕珍

（三明市交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，三明 365000）

0 引言

鋼筋銹蝕在鋼筋混凝土(RC)梁結(jié)構(gòu)服役中普遍發(fā)生,是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)抗彎性能及耐久性劣化的主要原因。 銹蝕減小了鋼筋截面積和鋼筋屈服強(qiáng)度, 嚴(yán)重時保護(hù)層會發(fā)生銹脹開裂甚至剝離,進(jìn)一步加劇銹蝕過程,導(dǎo)致鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能退化, 降低橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和承載力[1-5]。 同時,橋梁在運(yùn)營期間還承受反復(fù)車輛荷載作用,實(shí)際RC 橋梁的純疲勞壽命一般能滿足設(shè)計要求。 然而,銹蝕尤其是局部銹蝕會加速材料的疲勞累積,顯著降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。美國、日本及我國均有一些橋梁出現(xiàn)腐蝕疲勞損傷問題。 隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展交通量迅猛增加及普遍超限超載,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力隨之增高,疲勞損傷破壞幾率明顯增大。

目前, 國內(nèi)外學(xué)者對腐蝕疲勞的研究主要是結(jié)合試驗(yàn)展開, 從材料入手在銹蝕鋼筋疲勞性能的基礎(chǔ)上研究試驗(yàn)梁的疲勞性能。 Apostolopoulos 通過開展鋼筋低周疲勞試驗(yàn)來評估銹蝕的影響, 結(jié)果表明銹蝕影響下的鋼筋強(qiáng)度、延性和疲勞失效周期數(shù)均逐漸下降[6-7]。 Zhang 等[8]、Li 等[9]通過自然銹蝕和人工加速銹蝕兩種疲勞試驗(yàn),研究同樣表明鋼筋的疲勞壽命隨腐蝕的增長顯著降低。Nakamura 指出蝕坑類型是決定鋼筋疲勞強(qiáng)度的主要因素,且鋼筋在潮濕環(huán)境下疲勞強(qiáng)度降低速度更快[10]。 Yi等[11]開展了腐蝕RC 梁的疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)梁均發(fā)生了以鋼筋疲勞斷裂為標(biāo)志的正截面彎曲破壞。 李士彬指出RC梁疲勞壽命的降低主要由鋼筋截面減小和疲勞強(qiáng)度退化引起,疲勞壽命分析時可忽略粘結(jié)退化的影響[12]。吳瑾等[13]通過疲勞鋼筋混凝土梁及國內(nèi)外共33 組試驗(yàn)數(shù)據(jù),回歸得出了95%保證率的腐蝕RC 梁的S-N 曲線。 孫俊祖等[14]開展了鋼筋混凝土試驗(yàn)梁的加速銹蝕試驗(yàn)與疲勞加載試驗(yàn), 研究了銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞反復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài)及剛度變化, 定量化地提出了疲勞加載下銹蝕鋼筋混凝土梁剛度的修正計算公式。 鋼筋銹蝕發(fā)展至一定程度后導(dǎo)致保護(hù)層開裂, 銹脹會影響混凝土疲勞裂縫的發(fā)展,而上述研究未考慮銹脹的影響。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上, 通過開展電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn),獲得了7 根不同銹脹程度的鋼筋混凝土梁,分別進(jìn)行了靜力和疲勞試驗(yàn)。 討論了銹脹裂縫的分布情況,研究了銹脹開裂下RC 梁混凝土疲勞裂縫的發(fā)展規(guī)律、不同疲勞周期下的荷載-撓度曲線、失效形式及銹蝕RC 梁中鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線, 揭示了不同銹蝕程度下的RC 梁中鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計

本文對7 根RC 梁進(jìn)行試驗(yàn)研究, 梁截面尺寸為b×h=200mm×350mm,梁長l=4000mm,混凝土強(qiáng)度設(shè)計等級為C40,配合 比 為:水∶水泥∶砂子∶石子=0.46∶1∶2.18∶3.41,每立方米混凝土中同時添加45kg 粉煤灰,57kg 礦粉及9.3kg 的外加劑,實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度平均值為41.9MPa。為加快混凝土梁中鋼筋的銹蝕,縮短試驗(yàn)周期,同時添加水泥重量5%的工業(yè)鹽, 主筋采用3 根直徑為16mm 的HRB400 級鋼筋, 實(shí)測屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為452MPa 和610MPa。 架立鋼 筋 采用2 根直徑10mm 的HRB400 級鋼筋,箍筋：直徑8mm 的HRB400 級鋼筋,跨中純彎段箍筋間距為100mm, 兩端彎剪段箍筋間距為80mm,保護(hù)層厚度為25mm,梁的尺寸、截面配筋、撓度測點(diǎn)如圖1 所示。

1.2 快速銹蝕

本研究采用電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn)來得到不同銹脹程度的試件。本試驗(yàn)設(shè)計為半邊梁銹蝕,如圖2。將半梁浸泡于5%的鹽溶液中,梁內(nèi)主筋為陽極,溶液中放置的不銹鋼板為陰極,試件浸泡三天后通以直流電源進(jìn)行銹蝕。 箍筋涂抹環(huán)氧樹脂防止銹蝕。 試驗(yàn)結(jié)束后,將試驗(yàn)梁破形取出主筋,將計算跨徑內(nèi)的主筋每50cm 截取一段用于進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn),按照GBT50082-2009 要求,經(jīng)鹽酸酸洗后用清水沖洗然后用碳酸鈉溶液中和,再用清水清洗,然后放烘干機(jī)內(nèi)烘干2h,最后進(jìn)行長度和質(zhì)量損失統(tǒng)計。

圖1 試驗(yàn)梁尺寸及測點(diǎn)布置(單位：mm)

圖2 快速腐蝕

1.3 加載過程

疲勞試驗(yàn)加載裝置為MTS 液壓伺服機(jī)。 疲勞試驗(yàn)用四點(diǎn)彎曲加載,加載點(diǎn)和撓度測點(diǎn)布置如圖3 所示。 加載過程分為兩組：未銹蝕梁L0 為基準(zhǔn)試驗(yàn)梁如圖3(b),其靜載極限承載力為124kN；L1-L6 為疲勞試驗(yàn)梁如圖3(a),加載上限參照靜載試驗(yàn)結(jié)果。 疲勞荷載上限為62kN,疲勞荷載下限為12.4kN,應(yīng)力比為0.2。 當(dāng)試驗(yàn)梁的疲勞荷載上限為62kN 時,由于不同梁剛度不同,控制位移并不能保證目標(biāo)荷載, 疲勞荷載采用力控制。 參照GB5010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[15]計算得到名義疲勞應(yīng)力幅為202MPa, 比規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力幅值156MPa 超限了29.5%,因此,混凝土梁在設(shè)計荷載下會發(fā)生疲勞破壞。

在試驗(yàn)過程中,先施加靜載,分六級加載至疲勞荷載上限,卸載后按正弦等幅疲勞荷載進(jìn)行疲勞試驗(yàn),頻率為2.5Hz。 在疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)1 萬、2 萬、5 萬、10 萬、20 萬、30 萬、40 萬、50 萬、70 萬、100 萬、150 萬、200 萬時, 停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn),再逐級加載至疲勞荷載上限值,觀察試驗(yàn)梁的受力及變形。 若試驗(yàn)梁在經(jīng)受200 萬次疲勞荷載后仍未破壞,對其進(jìn)行靜載試驗(yàn),加載直至其破壞。

1.4 靜力拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)梁破形后,取出普通銹蝕鋼筋如圖4,從普通鋼筋斷口位置兩端每50cm 截取一段進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)(如圖5)。由于試驗(yàn)力較大,鋼筋斷裂時MTS 試驗(yàn)機(jī)會強(qiáng)制關(guān)機(jī),為了保護(hù)試驗(yàn)儀器,在拉伸過程中,一部分鋼筋在頸縮階段前期便停止拉伸。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 銹脹裂縫

試驗(yàn)梁銹蝕水平達(dá)設(shè)計值后, 拆下腐蝕槽對梁體沖洗晾干,以10cm 為間距,用裂縫觀測儀測量了底面和側(cè)面的銹脹裂縫寬度, 圖6 為銹蝕梁L2-L6 底面銹脹裂縫圖,裂縫旁數(shù)值為實(shí)測銹脹裂縫寬度值。

圖3 疲勞及靜力加載圖

圖4 截取的部分的鋼筋段

圖5 鋼筋截取位置示意圖(mm)

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)銹蝕率較大時,如梁L5 和L6 底部及側(cè)面裂縫寬度較大,疲勞荷載作用下,純彎段受壓區(qū)混凝土被壓碎,主裂縫迅速貫穿整個梁截面,保護(hù)層在初始銹脹位置發(fā)生脫落,混凝土梁截面嚴(yán)重被削弱,截面剛度迅速降低,加速了梁的疲勞破壞過程。 表1 為試驗(yàn)梁中鋼筋銹蝕率和試驗(yàn)梁疲勞壽命,從表1 可以看出,梁的疲勞壽命隨銹蝕的增長逐漸降低, 銹脹嚴(yán)重的梁L5 和L6 疲勞壽命分別為對比梁疲勞壽命的4.4%和1.9%,進(jìn)一步說明了銹脹損傷對疲勞壽命有很大的影響。

圖6 銹脹裂縫寬度及分布(單位：mm)

表1 銹蝕程度及疲勞壽命

2.2 疲勞后荷載-撓度關(guān)系

圖7 為各試驗(yàn)梁在不同疲勞循環(huán)次數(shù)后的跨中撓度值。 由圖7 可知,疲勞導(dǎo)致梁的剛度退化,對于同一試驗(yàn)梁,在相同靜載水平下,隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,試驗(yàn)梁跨中變形逐漸增大。 另外,在經(jīng)歷相同的疲勞循環(huán)后,與未銹蝕梁相比,銹脹RC 梁的跨中撓度增大；且隨銹脹裂縫的增大,各級靜載下梁的撓度曲線間距有增大的趨勢,表明經(jīng)歷相同疲勞循環(huán)下梁的剛度對銹脹程度敏感性大。 梁L5 和L6 銹脹較為嚴(yán)重,銹脹對其粘結(jié)力降低和剛度退化的影響更為顯著。梁L5 和L6 靜載試驗(yàn)中的初始最大撓度分別為9.14mm 和9.22mm, 與未銹蝕梁L0的5.34mm 相比,撓度分別增加了71.2%和72.7%。 說明剛度對銹蝕很敏感,隨著銹蝕率的增加,試驗(yàn)梁剛度退化急劇加快。

圖7 不同疲勞循環(huán)后跨中荷載-撓度曲線

2.3 疲勞后銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)梁制作前, 萬能試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)梁所采用的普通鋼筋進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)。 銹蝕梁疲勞后破形取出試驗(yàn)梁中鋼筋進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。由于試驗(yàn)梁L1 梁中鋼筋未保存, 故只研究了原狀鋼筋及L2-L6 梁中鋼筋的靜力拉伸性能。 鋼筋的屈服強(qiáng)度為489MPa,屈服力為98.3kN；極限抗拉強(qiáng)度為618MPa,對應(yīng)的拉力值為124.20kN。圖8(a)為原狀鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系圖。

圖8 試驗(yàn)梁中鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8(a～f)為各試驗(yàn)梁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出如下明顯特征：(1)彈性階段各條曲線重合,即疲勞后鋼筋的彈性模量沒有發(fā)生變化；(2) 疲勞后鋼筋的力學(xué)性能退化明顯,鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低,且距離斷口越近,降低越明顯；(3)距離斷口越近,鋼筋的屈服平臺逐漸消失, 屈服特征由在某一水平上下波動變?yōu)榍€上升；(4)距離斷口越近,極限拉應(yīng)變減小越明顯。

屈服強(qiáng)度,極限強(qiáng)度,冷拉性能和極限伸長率是衡量鋼筋力學(xué)性能的重要指標(biāo)。 疲勞后的鋼筋在上述性能方面(未測試?yán)淅阅?有較大的變化。試件的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低明顯, 并且靠近斷口處試件的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度整體小于同一試驗(yàn)梁遠(yuǎn)離斷口處的試件。 距離斷口越近的鋼筋段,鋼材的特性變化更為明顯：屈服平臺的縮短甚至消失表明鋼材更趨于硬鋼特性。 導(dǎo)致這種變化的因素有很多,如鋼筋應(yīng)力幅、應(yīng)力峰值、疲勞壽命、粘結(jié)性能等。 疲勞后主筋的極限拉應(yīng)變在靠近斷口位置降低很明顯, 在遠(yuǎn)離斷口位置處的極限拉應(yīng)變呈現(xiàn)出一定的離散性。

圖9 屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度沿斷口分布

圖9 為拉伸試件的屈服強(qiáng)度值和極限強(qiáng)度值沿斷口兩側(cè)分布圖。 圖中需要說明的有：1)中間的較粗的豎向線條表示為斷口位置；2) 水平線分別表示屈服強(qiáng)度489MPa 和極限強(qiáng)度618MPa；3)屈服臺階不明顯的試件,取其斜直線上升段的終點(diǎn)為彈性極限,將其作為名義屈服強(qiáng)度。 從圖中可以直觀的看出,主筋的屈服強(qiáng)度/名義屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均小于疲勞前的原始值,分布規(guī)律如前文所述,整體上呈現(xiàn)出距離斷口越近,力學(xué)性能降低越明顯的趨勢。

3 結(jié)語

基于本文的試驗(yàn)研究,可以得到以下結(jié)論：

(1)銹蝕RC 梁在疲勞荷載下,壽命隨銹蝕率的增加急劇下降,剛度下降明顯。

(2)銹脹RC 梁混凝土疲勞裂縫數(shù)量減少、裂縫平均間距增大。 銹脹程度較低時,混凝土裂縫發(fā)展具有明顯的三個階段。

(3)隨著銹蝕率的增加,銹蝕的不均勻性增加、銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度下降、延伸率下降。 銹蝕的不均勻性特別是坑蝕對材料的力學(xué)性能影響極大, 因此在疲勞荷載下銹脹RC 梁研究應(yīng)考慮該因素對結(jié)構(gòu)和材料性能的影響。

(4)本研究是在實(shí)驗(yàn)室通電快速腐蝕下進(jìn)行的,未考慮不同應(yīng)力比和應(yīng)力幅的影響,實(shí)際中疲勞荷載是隨機(jī)的,具很大的不確定性,文中試驗(yàn)結(jié)論有待日后進(jìn)一步驗(yàn)證。