酸雨侵蝕彎曲型破壞鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究

鄭山鎖，陳嘉晨，鄭淏，張馳，尚志剛

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安，710055；2.西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室，陜西西安，710055；3.火箭軍工程大學(xué)作戰(zhàn)保障學(xué)院，陜西西安，710025；4.陜西建工第五建設(shè)集團有限公司，陜西西安，710032）

隨著工業(yè)化進(jìn)程加快，大量酸性污染物被排放到空氣中，與大氣降水融合后形成酸雨[1-2]。有關(guān)研究表明[3]，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遭受酸雨侵蝕后，會加快混凝土劣化與鋼筋銹蝕過程，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體承載力下降，進(jìn)而威脅結(jié)構(gòu)安全。因此，探討酸雨對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響是十分必要的。

目前，針對混凝土材料本身受酸雨侵蝕后的性能退化研究比較成熟。OKOCHI 等[4-5]使用不同pH的模擬酸雨溶液對混凝土試件進(jìn)行了腐蝕試驗，結(jié)果表明不同pH的模擬酸雨溶液會對酸性物質(zhì)在混凝土內(nèi)部的擴散速度產(chǎn)生影響。張英姿等[6-8]通過模擬酸雨環(huán)境對混凝土受酸雨侵蝕后的彈性模量、抗壓性能、抗拉性能進(jìn)行了研究。范穎芳等[9]通過對比多種腐蝕方式，分析了酸沉降環(huán)境下鋼筋混凝土梁受彎性能的劣化機理。GUAN等[10]研究了酸雨侵蝕下不同軸壓比的鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能的退化規(guī)律。目前，人們對受酸雨侵蝕彎曲型破壞鋼筋混凝土柱的相關(guān)試驗研究報道較少。鑒于此，本文作者采用人工氣候環(huán)境法模擬酸雨環(huán)境，對4 榀剪跨比為5 的RC 柱進(jìn)行加速腐蝕試驗，試驗完成后對其進(jìn)行擬靜力試驗，分析不同腐蝕程度下RC柱的抗震性能（包括承載能力、剛度、延性、耗能等）退化規(guī)律，研究成果可為酸雨環(huán)境下在役RC 結(jié)構(gòu)的抗震性能評估提供試驗依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

本試驗設(shè)計并制作4 個幾何尺寸與配筋形式均相同的RC 柱試件，試件剪跨比λ為5。采用固定在混凝土基礎(chǔ)上的懸臂式試件，混凝土保護層厚度為10 mm，軸壓比為0.3，縱向鋼筋對稱布置，縱筋（HRB335）和箍筋（HPB300）直徑分別為16 mm和6 mm。試件幾何尺寸與配筋形式如圖1所示。

圖1 試件幾何尺寸與配筋Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

本試驗混凝土強度等級為C40，其中水泥采用P.O 42.5R 級普通硅酸鹽水泥，通過力學(xué)性能試驗與測試，得到混凝土立方體抗壓強度為45.30 MPa，彈性模量為3.25×104MPa。試驗中采用2 種不同規(guī)格的鋼筋，通過力學(xué)性能試驗與測試，A6 鋼筋（HPB300）的屈服強度為305 MPa，抗拉強度為440 MPa，彈性模量為2.1×105MPa；B16 鋼筋（HRB335）的屈服強度為373 MPa，抗拉強度為537 MPa，彈性模量為2.0×105MPa。

1.2 酸雨環(huán)境模擬試驗

近年來，人工氣候環(huán)境法逐漸應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗研究[11-14]。本文采用ZHT/W2300 型氣候模擬實驗室對試件進(jìn)行酸雨環(huán)境模擬試驗。

試件養(yǎng)護結(jié)束后，將其轉(zhuǎn)移至氣候模擬實驗室進(jìn)行酸雨環(huán)境模擬試驗。采用周期噴淋腐蝕方案，腐蝕方案如圖2所示。模擬酸雨溶液的配制方案參考我國氣象資料[1]以及文獻(xiàn)[15-16]確定。首先在自來水中添加硫酸鈉，直至溶液中的硫酸根離子濃度達(dá)到0.06 mol/L，之后添加硝酸，將模擬酸雨溶液的pH調(diào)節(jié)為3.0。

圖2 腐蝕方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of corrosion scheme

各試件的設(shè)計腐蝕循環(huán)次數(shù)見表1，其中試件C-1作為對比試件，未進(jìn)行腐蝕試驗。

表1 試件設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

1.3 加載制度

擬靜力試驗在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室完成。試驗采用懸臂式加載方式，加載裝置如圖3所示。加載方案包括恒定豎向荷載與水平往復(fù)荷載2個部分。其中恒定豎向荷載由液壓千斤頂施加，水平往復(fù)荷載由電液伺服作動器施加，荷載和位移通過MTS 加載系統(tǒng)的傳感器實時記錄。

圖3 加載裝置示意圖Fig.3 Setup for loading tests

試驗時先施加豎向荷載至設(shè)定值，豎向荷載值按照軸壓比0.3確定，并在試驗過程中保持豎向荷載不變，之后，采用位移控制方法對試件施加水平往復(fù)荷載，試驗加載制度見表2。當(dāng)剩余承載力降為峰值承載力的85%，停止加載。

表2 試驗加載制度Table 2 Loading protocol of experiments

2 酸雨環(huán)境模擬試驗現(xiàn)象

2.1 酸雨腐蝕機理

混凝土在酸雨環(huán)境中產(chǎn)生腐蝕破壞主要取決于2個因素[17]：外部環(huán)境介質(zhì)與酸雨。外部環(huán)境中的介質(zhì)主要是指CO2，其從混凝土材料表層的裂縫中擴散，CO2融合水介質(zhì)后形成碳酸，碳酸再與水泥水化作用的產(chǎn)物（氫氧化鈣、水化硅酸鈣等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸鹽的過程，反應(yīng)式如下：

酸雨對混凝土的侵蝕主要由H+和SO2-4作用[3]。其中H+與混凝土表層的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)而對混凝土產(chǎn)生酸性破壞。此外，H+侵蝕打破了混凝土內(nèi)部各組成成分的堿平衡，加速硅酸鹽的分解過程，從而降低混凝土強度，反應(yīng)式如下：

酸雨溶液中的硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物（氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaSO4·2H2O和鈣礬石等膨脹性產(chǎn)物，由于膨脹性產(chǎn)物比原反應(yīng)物體積更大，其在混凝土的孔隙不斷堆積，混凝土微結(jié)構(gòu)密實度不斷增大。當(dāng)孔隙被填充滿時，混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，其表面出現(xiàn)明顯裂縫，進(jìn)而引起混凝土的開裂破壞，反應(yīng)式如下：

混凝土在經(jīng)受上述腐蝕作用后，產(chǎn)生腐蝕孔洞，孔隙率增加，混凝土力學(xué)性能劣化。同時，堿性環(huán)境受酸雨影響發(fā)生中性化，致使鋼筋表面鈍化膜被破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕，鋼筋強度降低，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)的承載力下降。

2.2 外觀損傷

酸雨環(huán)境模擬試驗進(jìn)程完成后，試件的外觀損傷狀況如圖4所示。從圖4可以看出：隨著腐蝕循環(huán)次數(shù)增加，試件外觀損傷逐漸加劇。具體表現(xiàn)為：經(jīng)歷240次腐蝕的試件C-2表面形成少量白色的針狀晶體，局部泛黃，并出現(xiàn)蜂窩狀孔洞；經(jīng)歷360次腐蝕的試件C-3，表面孔洞和砂粒更多，棱柱角處出現(xiàn)輕微損壞；經(jīng)歷480 次腐蝕的試件C-4表面可見大量孔洞、粗骨料外露，棱角處混凝土疏松。

圖4 試件的外觀損傷Fig.4 Surfaces damage of specimens

2.3 鋼筋銹蝕率

為了獲得試件中鋼筋實際的銹蝕率，擬靜力試驗結(jié)束后將縱筋和箍筋從試件中取出。經(jīng)過除銹、清洗、干燥和稱質(zhì)量，測量鋼筋相對于未腐蝕狀態(tài)的質(zhì)量損失，根據(jù)下式計算縱筋和箍筋的實際平均銹蝕率：

式中：η為鋼筋的銹蝕率；m0為預(yù)留未腐蝕鋼筋的單位長度質(zhì)量；m1為除銹后鋼筋的單位長度質(zhì)量。

不同腐蝕程度下鋼筋的銹蝕率測量結(jié)果見表1。

3 擬靜力試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象

RC 柱試件在低周往復(fù)荷載作用下主要發(fā)生彎曲型破壞，即加載過程中縱筋出現(xiàn)屈服，之后混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變被壓碎破壞。試件最終裂縫與破壞形態(tài)如圖5所示。典型試驗現(xiàn)象與破壞過程敘述如下：在加載過程中，首先在柱底部受拉區(qū)出現(xiàn)水平彎曲裂縫；隨著水平加載位移增加，水平彎曲裂縫越來越多，同時柱底部開始出現(xiàn)斜裂縫；當(dāng)縱筋接近屈服時，一些微小的豎向受壓裂縫逐漸從柱底棱角處發(fā)展；隨著水平加載位移的繼續(xù)增加，現(xiàn)有的裂縫繼續(xù)發(fā)展并持續(xù)變寬，試件水平承載力達(dá)到峰值，柱底保護層混凝土開始壓碎、剝落；此后，混凝土壓碎、剝落面積持續(xù)擴大。當(dāng)試件剩余承載力降為峰值承載力的85%時，認(rèn)為試件已經(jīng)破壞，停止加載。

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure status of specimens

各試件在低周往復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài)相似，但由于腐蝕程度不同，其破壞發(fā)展的速度和程度有所差異。由于存在初始腐蝕微裂縫，在加載過程中，隨著腐蝕程度加重，試件的受力裂縫提前出現(xiàn)，且此后裂縫發(fā)展的速度和范圍增大，保護層混凝土破損面積加大，試件破壞程度明顯增加。

3.2 滯回曲線

滯回曲線是構(gòu)件在低周往復(fù)荷載作用下水平荷載（P）隨著位移（Δ）變化的全過程曲線，各試件的荷載-位移滯回曲線如圖6所示。從圖6可以得到如下結(jié)論：

圖6 試件滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves of specimens

1）各試件的滯回曲線具有共性。初始加載時，試件處于彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，加載與卸載路徑基本重合，滯回環(huán)面積接近于0。隨著水平加載位移增加，荷載-位移曲線的斜率開始降低，剛度逐漸降低，卸載結(jié)束后開始出現(xiàn)殘余變形，滯回環(huán)面積增加，試件耗散能量的能量增大，試件進(jìn)入彈塑性階段?？v向鋼筋屈服后，滯后環(huán)變得越來越大、越來越寬，卸載后的殘余變形增大；當(dāng)水平荷載達(dá)到峰值后，強度和剛度降低越來越明顯。該現(xiàn)象同樣出現(xiàn)于每級位移加載的加載次數(shù)從1逐步增加到3的過程中。

2）對于遭受不同程度腐蝕的試件，隨著腐蝕程度加重，滯回曲線的捏縮現(xiàn)象更加明顯，同一加載位移水平下的滯回曲線豐滿程度降低，面積減少；水平荷載達(dá)到峰值后下降較快，與極限荷載對應(yīng)的極限位移明顯減小，剛度降低加劇。結(jié)果表明，腐蝕程度越高，低周往復(fù)荷載作用下RC柱的強度衰減速率有所增大，延性和耗能性能越差。

3.3 骨架曲線及特征值

構(gòu)件的骨架曲線為其滯回曲線開始卸載點的包絡(luò)線，圖7所示為各試件的骨架曲線。從圖7可以看出：在低周往復(fù)荷載作用下，試件的骨架曲線不完全對稱，其原因是存在鋼筋銹蝕的離散性、施工的初始誤差以及加載過程中細(xì)微裂縫的不對稱性。水平加載位移達(dá)到屈服位移之前，骨架曲線近似呈線性變化；水平加載位移達(dá)到屈服位移之后，骨架曲線出現(xiàn)彎曲，表明試件的剛度降低；水平加載位移達(dá)到峰值位移之后，骨架曲線逐漸降低，試件的承載能力和剛度隨著加載位移增加而降低。

圖7 試件骨架曲線Fig.7 Skeleton curves of specimens

表3所示為各試件的骨架曲線特征值，其中骨架曲線的等效屈服點通過能量等值法[18]確定，試件的變形能力通過位移延性系數(shù)μ（μ為極限位移與屈服位移的比值）評價[19]。結(jié)合圖7和表3可知：遭受不同程度腐蝕試件的骨架曲線及其特征值有所差異，具體敘述如下。

經(jīng)受不同程度腐蝕試件骨架曲線的初始斜率變化不大。隨著腐蝕程度增加，骨架曲線的下降階段變得越來越陡，總體上，腐蝕程度較大試件的骨架曲線在腐蝕程度較小試件的骨架曲線下方。此外，隨著腐蝕程度增加，試件的屈服、峰值荷載逐漸降低，其中，與未腐蝕試件C-1相比，經(jīng)歷480 次腐蝕循環(huán)C-4 的屈服、極限荷載分別降低16.11%和17.84%。同時，試件的特征位移均隨腐蝕程度增加而減小，當(dāng)腐蝕程度從0次增加至480次時，試件的峰值位移從15.41 mm降低為14.66 mm，極限位移從41.67 mm 降低為33.65 mm；各試件的位移延性系數(shù)均大于5，表明其均為延性破壞，同時，與位移特征類似，位移延性系數(shù)亦與腐蝕程度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)腐蝕程度從0 次增加至480 次時，試件的位移延性系數(shù)由5.84減少至5.12。表明酸雨腐蝕對RC柱的承載力與變形能力均有較大影響。

將表3中腐蝕試件C-2，C-3和C-4各特征點的荷載與位移分別除以未腐蝕試件C-1對應(yīng)特征點的荷載與位移，得到相應(yīng)修正系數(shù)。以縱筋銹蝕率ηs為橫坐標(biāo)，相應(yīng)修正系數(shù)為縱坐標(biāo)，通過Origin軟件擬合得到各特征點的荷載與位移的修正系數(shù)計算公式及擬合優(yōu)度，見式（11）～（16）。

表3 骨架曲線特征值及位移延性系數(shù)Table 3 Main seismic behavior parameters and displacement ductility ratios of specimens

1）屈服荷載與對應(yīng)位移：

2）峰值荷載與對應(yīng)位移：

3）極限荷載與對應(yīng)位移：

式中：ηs為RC 柱的縱筋銹蝕率；Pi和Δi分別為未腐蝕RC 柱骨架曲線各特征點i的荷載與位移；Pid和Δid分別為腐蝕RC 柱骨架曲線各特征點i的荷載與位移；R2為擬合優(yōu)度。

3.4 剛度退化

構(gòu)件的剛度是評價其抗震性能的重要指標(biāo)之一。本文采用割線剛度代表試件每級加載過程中的剛度，計算公式為

式中：Ki為第i級加載試件的割線剛度；Pi為試件骨架曲線上第i級加載的水平荷載；Δi為第i級加載的水平位移，“+”表示正向加載，“-”表示負(fù)向加載?；跀M靜力試驗結(jié)果，根據(jù)式（17）計算出各試件每級加載的割線剛度，見圖8。

圖8 試件剛度退化曲線Fig.8 Stiffness degradation curves of specimens

加載初期，各試件剛度較大。隨著水平加載位移的增加，試件內(nèi)部微裂縫逐步發(fā)展，剛度逐漸減小，下降程度較大，柱中裂縫逐步擴展并增多；超過極限位移后，試件的剛度退化曲線并趨向平緩。

對比經(jīng)受不同程度腐蝕試件的剛度退化曲線，各試件初始剛度接近。隨著腐蝕程度增加，剛度退化速率不斷加快，尤其是經(jīng)歷480次腐蝕循環(huán)的試件C-4，其剛度退化率遠(yuǎn)比其他試件的大。其原因是RC柱中混凝土與鋼筋力學(xué)性能逐漸退化，且酸雨腐蝕導(dǎo)致的混凝土與鋼筋黏結(jié)性能下降。

3.5 耗能性能

通過擬靜力試驗得到的滯回環(huán)所包圍面積可以反映構(gòu)件在低周往復(fù)荷載作用下所耗散的能量，客觀表征構(gòu)件滯回耗能。本文采用累積耗能Esum[20]對試件的滯回耗能性能進(jìn)行量化與分析。累積耗能是試件在低周往復(fù)加載過程中所耗散的總能量。試件累積耗能（E）與加載循環(huán)次數(shù)（n）的關(guān)系如圖9所示。

圖9 試件累積耗能曲線Fig.9 Cumulative dissipation energy curves of specimens

由圖9可知：隨著加載循環(huán)次數(shù)增加，各試件的累積耗能單調(diào)增大；各試件的累積耗能在峰值位移之前差別較小，之后，腐蝕試件的累積耗能相比未腐蝕試件的累積耗能有較大幅度降低，其中，經(jīng)歷240，360 和480 次腐蝕循環(huán)后，試件累積耗能較未腐蝕試件分別降低14.13%，18.69%和24.82%（往復(fù)加載次數(shù)為33次）。

4 結(jié)論

1）酸雨侵蝕后，RC柱試件的外觀出現(xiàn)明顯損傷，且腐蝕程度越大，損傷隨之加劇。其中，腐蝕程度最嚴(yán)重的試件C-4，其表面可見大量孔洞、粗骨料外露，棱角處混凝土疏松。

2）各試件在低周往復(fù)荷載作用下均發(fā)生彎曲破壞，縱筋屈服之后混凝土被壓碎，試件被破壞。此外，隨著酸雨腐蝕程度增加，試件的受力裂縫提前出現(xiàn)，且此后裂縫發(fā)展速率更快，范圍越大，破壞時，試件損傷程度更加嚴(yán)重。

3）隨著酸雨腐蝕程度增加，試件滯回環(huán)的豐滿程度逐漸降低，承載能力、變形能力以及耗能性能不斷退化，強度衰減和剛度退化速率隨之加快。其中，相比未腐蝕試件C-1，腐蝕程度最嚴(yán)重試件C-4的峰值荷載、位移延性系數(shù)、累積耗能分別降低17.84%，12.33%和24.95%。