重復(fù)荷載與氯離子侵蝕耦合作用對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能影響

李樹良，解宗龍，商懷帥,*，劉繼睿，王瑋釗

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250014)

隨著海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)所建造的海洋建筑物也在逐年增加，例如：港珠澳大橋、青島膠州灣海底隧道、清瀾大橋等。黨的十九大報(bào)告中更是明確要求“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”，為建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)再一次吹響了前進(jìn)的號(hào)角。然而，大量工程實(shí)例表明，碼頭、港口、跨海大橋和鉆井平臺(tái)等海岸附近的混凝土結(jié)構(gòu)在其使用壽命期間受到荷載和氯離子腐蝕影響，導(dǎo)致混凝土開裂和鋼筋腐蝕，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。雖然影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，但氯化物污染是鋼筋腐蝕的最重要原因之一，尤其是在與海水或除冰鹽接觸的結(jié)構(gòu)中[1]。鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因[2]，在服役混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋截面減小，導(dǎo)致鋼筋力學(xué)性能下降[3-5]，同時(shí)，鋼筋表面產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物是原體積的2～6倍，使鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生環(huán)拉應(yīng)力，隨著鋼筋銹蝕率的增加，鋼筋在混凝土保護(hù)層中產(chǎn)生順筋裂縫，導(dǎo)致鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度降低[6-8]。

大多數(shù)銹蝕鋼筋對(duì)混凝土耐久性影響的研究都是基于試驗(yàn)室進(jìn)行的，為減少鋼筋腐蝕所需時(shí)間，采用加速銹蝕的方法，如在鋼筋上施加電流或在混凝土攪拌水中加入氯化鈉溶液；并且在大部分研究工作中，鋼筋的腐蝕是在鋼筋混凝土構(gòu)件荷載試驗(yàn)之前進(jìn)行的[9-10]。DU等[11]研究了鋼筋混凝土梁在同時(shí)加載和鋼筋銹蝕下的結(jié)構(gòu)性能，同YOON等[12]，BALLIM等[13-14]和MALUMBELA等[15]研究相比，認(rèn)為這些研究中混凝土梁經(jīng)受了單獨(dú)的加載試驗(yàn)和鋼筋腐蝕，不能反映腐蝕結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中，鋼筋的腐蝕與施加到結(jié)構(gòu)上的工作荷載是同時(shí)發(fā)生的，二者協(xié)同作用加速了結(jié)構(gòu)的劣化。DU等[11]的研究結(jié)果表明：同時(shí)加載和鋼筋銹蝕試驗(yàn)的混凝土梁的黏結(jié)強(qiáng)度和最大撓度比單獨(dú)加載和銹蝕試驗(yàn)的混凝土梁的黏結(jié)強(qiáng)度和最大撓度下降得快。MALUMBELA等[16]回顧了以往關(guān)于荷載和腐蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響的文獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了同時(shí)進(jìn)行持續(xù)荷載和腐蝕模擬的必要性，并對(duì)荷載作用下鋼筋混凝土梁的加載系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)加載對(duì)腐蝕速率和腐蝕裂紋寬度的影響是明顯不同的。在腐蝕過程中，在沒有持續(xù)載荷的情況下，腐蝕結(jié)構(gòu)在腐蝕初期經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)剛度增加。

分析以上文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，荷載與氯離子耦合作用下鋼筋混凝土梁的劣化及機(jī)理研究非常有必要，近幾年就荷載與氯離子耦合作用下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究多集中于氯離子滲透性能[17-19]、裂縫發(fā)展及撓度[20]等，對(duì)于鋼筋混凝土黏結(jié)性能的研究較少，而黏結(jié)性能是評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。本文采用氯離子干濕循環(huán)的方法，近似模擬了氯鹽環(huán)境中承受重復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件的服役過程，研究了重復(fù)荷載和氯離子耦合作用對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能的影響，為混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期重復(fù)荷載和氯離子侵蝕耦合作用下正常使用極限狀態(tài)下的耐久性設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；水泥采用普通P42.5型硅酸鹽水泥；細(xì)集料采用天然河砂，表觀密度為2550 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5，含泥量小于1.2%；粗骨料采用5～25 mm連續(xù)級(jí)配的石灰石碎石；水為普通自來水。具體配合比及材料性能見表1。受拉區(qū)鋼筋采用HRB400級(jí)熱軋帶肋鋼筋，直徑為14 mm，橫截面積為154.0 mm2，屈服強(qiáng)度為437 MPa，抗拉強(qiáng)度為552 MPa；箍筋采用HRB335級(jí)熱軋帶肋鋼筋，直徑為6 mm。

表1 混凝土配合比及材料性能

1.2 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)制作了27個(gè)梁式試件。梁式試件長(zhǎng)550 mm，截面尺寸為100 mm×150 mm。每個(gè)梁式試件由左右兩個(gè)半梁組成，通過底部受拉鋼筋和頂部受壓鋼鉸相連接，每個(gè)半梁配備3根直徑為6 mm的箍筋，箍筋間距為60 mm，保護(hù)層厚度為34 mm。本試驗(yàn)將兩個(gè)半梁體內(nèi)鋼筋黏結(jié)錨固長(zhǎng)度設(shè)為5d，d為底部受拉區(qū)鋼筋的直徑，為了避免加載端局部失效，使黏結(jié)應(yīng)力均勻分布，在鋼筋加載端及支座處各設(shè)有一段非黏結(jié)區(qū)，非黏結(jié)段用直徑略大于鋼筋直徑的PVC套管隔離鋼筋與混凝土，并用環(huán)氧樹脂封住，以保證黏結(jié)部分的長(zhǎng)度，防止?jié)仓炷習(xí)r水泥漿流入管內(nèi)。試件剖面如圖1所示。

1.3 試件編號(hào)及荷載水平

本試驗(yàn)考慮了兩個(gè)試驗(yàn)變量：重復(fù)荷載大小和氯離子侵蝕，每組試件設(shè)置3個(gè)平行試件，試件組別及荷載水平見表2。其中，數(shù)字“0，0.25，0.45，0.65”代表重復(fù)荷載水平；字母“R”“N”“C”分別代表“重復(fù)荷載(Repeated load)”“無氯離子侵蝕(None chloride ion erosion)”“氯離子侵蝕(Chloride ion erosion)”。例如，RC-0.45-1表示，承受0.45Pu重復(fù)荷載大小與氯離子侵蝕下的1號(hào)試件。

表2 梁式試件分組

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 重復(fù)荷載試驗(yàn)

試件在進(jìn)行重復(fù)荷載試驗(yàn)之前，通過極限承載力試驗(yàn)確定梁式試件極限荷載的大小平均值為86 kN，為試驗(yàn)下一步施加重復(fù)荷載等級(jí)大小提供依據(jù)。為保證同一試驗(yàn)組中兩塊試塊所受承載力一致，減小試驗(yàn)誤差，重復(fù)荷載試驗(yàn)的加載裝置如圖2所示。卸載-持載：重復(fù)荷載循環(huán)周期為4 d(持載2 d，卸載2 d)。加載時(shí)，手動(dòng)控制液壓千斤頂每次增加2 kN，一直加到目標(biāo)荷載，擰緊螺絲，記錄加載端和自由端滑移量；持載48 h后卸載，再次記錄梁端滑移量。氯離子侵蝕：采用5%濃度NaCl溶液干濕循環(huán)的方式進(jìn)行侵蝕，干濕循環(huán)的周期為7 d(濕4 d，干3 d)，濕時(shí)用蘸滿氯化鈉溶液的棉被包裹住試件，并每天定時(shí)向棉被內(nèi)注入氯化鈉溶液，保證濕潤(rùn)；干時(shí)取下棉被在室外自然環(huán)境下風(fēng)干。長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)過程中試件如圖3所示。

1.4.2 彎曲黏結(jié)試驗(yàn)

在經(jīng)過210 d重復(fù)荷載和氯離子侵蝕試驗(yàn)后，對(duì)于未在試驗(yàn)過程中破壞的試件進(jìn)行彎曲黏結(jié)試驗(yàn)來確定試件的黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲的加載方法，在電腦控制的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。由于沒有規(guī)范對(duì)梁式試驗(yàn)的加載方式及加載速率作出明確規(guī)定，對(duì)以往文獻(xiàn)總結(jié)后，本文采用位移控制的加載方式，加載速率為0.1 mm/s。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 重復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 初載后鋼筋與混凝土間瞬時(shí)滑移分析

初次施加荷載(0.25Pu，0.45Pu，0.65Pu)時(shí)所引起的鋼筋與混凝土間滑移量，稱為鋼筋與混凝土間的瞬時(shí)滑移量(S0)，對(duì)試驗(yàn)組平行試件的S0做均值處理，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著初始荷載的增大，梁式試件加載端和自由端的瞬時(shí)滑移均有所增大。例如，對(duì)于RC-0.45(RN-0.45)試件加載端的瞬時(shí)滑移是RC-0.25(RN-0.25)試件加載端瞬時(shí)滑移的 1.824 (1.823)倍，RC-0.45(RN-0.45)試件自由端的瞬時(shí)滑移是RC-0.25(RN-0.25)試件加載端瞬時(shí)滑移的1.889(1.842)倍。并且，對(duì)于同一試件加載端的瞬時(shí)滑移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由端的瞬時(shí)滑移量。例如RC-0.25試件加載端瞬時(shí)滑移量為自由端瞬時(shí)滑移量的6.94倍，這是由于黏結(jié)應(yīng)力在傳遞過程中發(fā)生了應(yīng)力損失，導(dǎo)致傳遞到自由端的滑移量有所減少；另一方面是由于黏結(jié)應(yīng)力沿傳遞方向上分布不均勻造成的。

表3 鋼筋與混凝土間的瞬時(shí)滑移量 mm

2.1.2 210 d重復(fù)荷載作用下時(shí)變滑移分析

試驗(yàn)記錄了每個(gè)周期加卸載時(shí)鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移量，繪制了時(shí)變滑移量與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖5所示。此外，為了定量研究鋼筋與混凝土間滑移量隨時(shí)間的變化規(guī)律，列出了30，90，150和210 d時(shí)的時(shí)變滑移，其中：S30表示試驗(yàn)經(jīng)過30 d時(shí)鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移量。數(shù)值結(jié)果見表4。

由圖5可以看出，長(zhǎng)期重復(fù)荷載作用下的梁式試件，無論是自由端還是加載端由于周期荷載作用下鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移成波浪式非線性增長(zhǎng)，并且荷載施加初期滑移量增長(zhǎng)迅速，隨后增長(zhǎng)的速度逐漸變小趨于穩(wěn)定；每個(gè)周期加載后與加載前滑移量的差值(ΔS)先增大后減小并趨于穩(wěn)定。由表4可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行90 d時(shí)，RC-0.25(RN-0.25)，RC-0.45(RN-0.45)和RC-0.65(RN-0.65)加載端的時(shí)變滑移分別為210 d時(shí)變滑移的89.5%(88.8%)，91.9%(89.1%)和82.5%(82.8%)，自由端的時(shí)變滑移分別為210 d時(shí)變滑移的69.0%(83.3%)，83.3%(80.9%)和65.8%(90.5%)?？梢婁摻钆c混凝土間的滑移主要發(fā)生在受荷前期，在前40%的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，可以完成鋼筋與混凝土間滑移總量的85%左右。

表4 鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移量 mm

2.1.3 荷載對(duì)時(shí)變滑移的影響

由表4可知，無論是否遭受氯離子侵蝕的影響，鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移量均隨著荷載增加而增加。對(duì)于只承受長(zhǎng)期重復(fù)荷載作用的試件，在30，90，150和210 d時(shí)，RN-0.65(RN-0.45)的加載端時(shí)變滑移分別是RN-0.25的1.46(1.17)，1.55(1.14)，1.59(1.13)和1.66(1.14)倍；RN-0.65(RN-0.45)的自由端時(shí)變滑移分別是RN-0.25的1.76(1.32)，1.49(1.03)，1.42(1.06)和1.37(1.06)倍。對(duì)于重復(fù)荷載與氯離子耦合作用下的試件，在30，90，150和210 d時(shí)，RC-0.65(RC-0.45)的加載端時(shí)變滑移分別是RC-0.25的1.59(1.18)，1.66(1.16)，1.67(1.14)和1.80(1.13)倍；RC-0.65(RC-0.45)的自由端時(shí)變滑移分別是RC-0.25的1.98(1.73)，1.88(1.46)，1.91(1.31)和1.97(1.21)倍。

2.1.4 氯離子侵蝕對(duì)時(shí)變滑移的影響

由表4可以看出，在0.25Pu重復(fù)荷載作用下，30，90，150和210 d時(shí)，RC-0.25的加載端時(shí)變滑移分別是RN-0.25的1.03，1.07，1.08和1.06倍；RC-0.25自由端的時(shí)變滑移分別是RN-0.25的0.73，0.75，0.84和0.91倍。在0.45Pu重復(fù)荷載作用下，30，90，150和210 d時(shí)，RC-0.45加載端時(shí)變滑移分別是RN-0.45的1.05，1.09，1.08和1.06倍；而RC-0.45的自由端時(shí)變滑移分別是RN-0.45的0.95，1.06，1.04和1.03倍。在0.65Pu重復(fù)荷載作用下，30，90，150和210 d時(shí)，RC-0.65的加載端時(shí)變滑移分別是RN-0.65的1.12，1.15，1.12和1.15倍；RC-0.65自由端的時(shí)變滑移分別是RN-0.65的0.81，0.95，1.12和1.30倍。分析可知，氯離子的侵蝕作用增大了鋼筋與混凝土間的滑移，并且隨著荷載水平增大，氯離子侵蝕對(duì)時(shí)變滑移的影響也增大。

2.2 時(shí)變滑移模型

REHM[21]提出了在交變期間鋼筋與混凝土的荷載-滑移模型，并提出了重復(fù)荷載作用下鋼筋與混凝土間滑移Δn與重復(fù)荷載次數(shù)n的關(guān)系式：

Δn=Δ0·(1+kn)

(1)

kn=(1+n)0.107-1

(2)

式中：kn為循環(huán)蠕變系數(shù)，其值大小取決于循環(huán)次數(shù)n；Δ0為第一次達(dá)到上限荷載時(shí)的滑移；Δn為n次荷載重復(fù)后的滑移。

本試驗(yàn)在式(1)(2)的基礎(chǔ)上，提出了考慮重復(fù)荷載大小與氯離子侵蝕作用下鋼筋與混凝土間的滑移隨時(shí)間d變化的時(shí)變滑移計(jì)算表達(dá)式：

Sd=a·S0·(1+d)b

(3)

式中：Sd為隨時(shí)間變化的滑移量，mm；S0為初次加載時(shí)達(dá)到上限的滑移量，mm；d為時(shí)間，d；a，b為通過數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù)，見表5。

表5 常數(shù)a，b

重復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土梁試件自由端時(shí)變滑移擬合曲線如圖6所示。

2.3 彎曲黏結(jié)試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.3.1 梁式試件破壞形態(tài)

在極限承載力試驗(yàn)過程中，隨著施加荷載的增大，支座及分配梁集中應(yīng)力處的表層混凝土脫落，荷載繼續(xù)增大所有試件均發(fā)生劈裂破壞，并且破壞只發(fā)生在梁式試件的某一半梁上；受氯離子侵蝕的試件與未受氯離子侵蝕的試件的破壞形態(tài)差別不大，說明氯離子侵蝕對(duì)梁式試件的破壞形式?jīng)]有明顯影響，但承受較小荷載水平的試件破壞時(shí)裂縫更寬，受拉區(qū)大塊混凝土脫落，如圖7所示。

2.3.2 黏結(jié)強(qiáng)度

梁式試件的力學(xué)分析簡(jiǎn)圖，如圖8所示。

圖8中P/2為施加的外力，黏結(jié)段鋼筋與混凝土間的黏結(jié)力F可由靜力平衡關(guān)系式(4)求出:

(4)

式中：L0，L1和L2為力臂的長(zhǎng)度，分別為90，245和75 mm。

沿鋼筋黏結(jié)長(zhǎng)度的平均黏結(jié)應(yīng)力為

(5)

式中：τ為黏結(jié)應(yīng)力，MPa；d為底部鋼筋直徑，14 mm；l為黏結(jié)段長(zhǎng)度，70 mm。

對(duì)承受重復(fù)荷載作用的梁式試件進(jìn)行極限承載力破壞試驗(yàn)，得到試驗(yàn)梁的黏結(jié)強(qiáng)度，對(duì)試驗(yàn)組的平行試件做均值處理，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 彎曲黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，重復(fù)荷載作用和氯離子侵蝕作用均對(duì)梁的黏結(jié)強(qiáng)度有明顯影響。對(duì)于只承受210 d重復(fù)荷載作用的梁式試件，對(duì)比RN-0的黏結(jié)強(qiáng)度，隨著荷載水平增加，RN-0.25，RN-0.45和RN-0.65的黏結(jié)強(qiáng)度分別降低了8.3%，12.7%和18.9%；對(duì)于承受210 d重復(fù)荷載和氯離子侵蝕耦合作用的梁式試件，對(duì)比RC-0的黏結(jié)強(qiáng)度，隨著荷載水平增加，RC-0.25，RC-0.45和RC-0.65的黏結(jié)強(qiáng)度分別降低了9.4%，12.8%和24.7%。當(dāng)持載大小相同時(shí)，RC-0(RC-0.25，RC-0.45，RC-0.65)的黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)于RN-0的黏結(jié)強(qiáng)度降低了9.4%(15.7%，21.0%，31.8%)，可以發(fā)現(xiàn)有氯離子侵蝕的試件黏結(jié)強(qiáng)度要低于無氯離子侵蝕的試件，并且當(dāng)荷載水平從0.25Pu提高到0.45Pu時(shí)，降低率提高了5%左右；但當(dāng)荷載從0.45Pu提高到0.65Pu時(shí)降低率提高了10%左右，說明重復(fù)荷載作用和氯離子侵蝕存在耦合作用并且荷載越大耦合作用越明顯。文獻(xiàn)[22]通過24個(gè)梁式試件研究了120 d長(zhǎng)期持載作用后的鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：持續(xù)荷載和氯離子侵蝕的耦合作用顯著降低了鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度，且持續(xù)荷載越大，黏結(jié)強(qiáng)度越低；在持續(xù)荷載和氯離子侵蝕的耦合作用下, 試件黏結(jié)強(qiáng)度的損失要大于僅在單因素作用下黏結(jié)強(qiáng)度的損失。雖然文獻(xiàn)[22]與本文加載方式不同，但卻得到了相同的試驗(yàn)結(jié)果，說明兩者耦合作用影響了鋼筋與混凝土間的黏結(jié)，究其原因是因?yàn)殚L(zhǎng)期荷載作用引起的混凝土微觀及宏觀損傷，加速了氯離子在混凝土中的傳輸，縮短了侵蝕介質(zhì)到達(dá)鋼筋與混凝土間界面的時(shí)間，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕的加快加重進(jìn)而導(dǎo)致了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

1) 隨著初始荷載增大，梁式試件加載端和自由端的S0均有所增大，且同一試件加載端的S0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由端的S0。

2) 鋼筋與混凝土間的Sd呈非線性增長(zhǎng)，在受荷前期鋼筋與混凝土間的Sd增長(zhǎng)迅速，30 d后逐漸趨于穩(wěn)定，并且承受荷載越大，Sd越大。

3) 重復(fù)荷載與氯離子侵蝕耦合作用下Sd大于單因素作用下的Sd，且荷載等級(jí)越大耦合作用越明顯。

4) 試驗(yàn)對(duì)不同重復(fù)荷載水平和氯離子侵蝕作用下的Sd進(jìn)行了非線性擬合分析，結(jié)果顯示不同荷載水平作用下試驗(yàn)值與計(jì)算值擬合程度較好，可為今后重復(fù)荷載與氯離子耦合作用下鋼筋與混凝土間Sd的計(jì)算提供參考依據(jù)。

5) 隨著重復(fù)荷載的增大，鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度降低；荷載與氯離子侵蝕的耦合作用降低了試件的黏結(jié)強(qiáng)度，且大于僅在單因素作用下黏結(jié)強(qiáng)度的損失。