鹽酸腐蝕混凝土受反復(fù)壓應(yīng)力作用時的力學(xué)性能

羅小勇 程茜 程俊峰? 劉晉宏 史艷

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.湖南省裝配式建筑工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410075)

鋼筋混凝土材料雖然已在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但腐蝕引起的耐久性問題仍是制約其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土的腐蝕種類及腐蝕機(jī)理[1- 4]、腐蝕影響因素[5- 10]、各因素的共同作用機(jī)制[11- 14]、應(yīng)力狀態(tài)和損傷層[14- 17]等對腐蝕混凝土力學(xué)性能的影響開展了大量研究；研究發(fā)現(xiàn)，酸是腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)的主要侵蝕介質(zhì)之一。工業(yè)生產(chǎn)會排放大量的酸性氣體和含有大量酸性物質(zhì)的工業(yè)廢液，尤其是在沿海[18- 19]及西部地區(qū)，部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常年處于酸性腐蝕環(huán)境之中，導(dǎo)致鋼筋混凝土性能劣化加速，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用。

目前，關(guān)于混凝土受酸腐蝕的研究多集中于對混凝土結(jié)構(gòu)在不受荷載作用或受單調(diào)荷載作用[8，15，20]時的力學(xué)行為的探究，但結(jié)構(gòu)在正常使用過程中往往承受的是反復(fù)荷載作用，且腐蝕損傷和疲勞損傷之間存在耦合效應(yīng)[21- 22]。因此，探討鹽酸腐蝕環(huán)境下在役混凝土構(gòu)件承受反復(fù)荷載時的力學(xué)性能變化規(guī)律及其本構(gòu)關(guān)系，具有較大的工程實(shí)際意義。

為此，文中首先以混凝土腐蝕齡期為試驗(yàn)參數(shù)，研究了受鹽酸腐蝕后混凝土在單調(diào)與反復(fù)荷載下的破壞形態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律以及力學(xué)性能特征值等；然后提出了有效承載截面積比的概念，基于有效承載截面積比建立了反復(fù)荷載下鹽酸腐蝕混凝土的實(shí)用本構(gòu)模型，并對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果可極大地豐富酸性環(huán)境(沿海)地區(qū)在役老舊建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)構(gòu)造措施，并可對混凝土結(jié)構(gòu)抗震全壽命周期和疲勞再設(shè)計(jì)提供一定技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬老舊建筑，本研究試驗(yàn)用混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，所需要材料主要有32.5R普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑小于18 mm的普通碎石及水等，混凝土詳細(xì)配合比如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，28 d 齡期的未腐蝕立方體混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度為31.3 MPa、彈性模量為3.03×104MPa。

表1 混凝土配料表

1.2 腐蝕試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求，設(shè)計(jì)制作了尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體混凝土試件。試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行鹽酸腐蝕，本研究采用“實(shí)驗(yàn)室快速腐蝕試驗(yàn)法”進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，即以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸腐蝕溶液全浸泡試件加速腐蝕，并每兩天更換一次腐蝕溶液。設(shè)計(jì)腐蝕齡期分別為6、12、18、24和30 d，為充分考慮混凝土試件的離散性，以不同腐蝕齡期，將試件分為6組，每組試驗(yàn)取6個試樣，其中3個試樣進(jìn)行單調(diào)受壓試驗(yàn)，另外3個試樣進(jìn)行反復(fù)受壓試驗(yàn)，試樣編號及參數(shù)詳如表2所示。采用強(qiáng)度退化深度以表征鹽酸腐蝕深度。

表2 試驗(yàn)編號及工況

1.3 單調(diào)及反復(fù)加載試驗(yàn)

加載試驗(yàn)在中南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最大壓力為3 000 kN，精度為0.1 kN，可實(shí)現(xiàn)荷載、位移控制模式之間的平滑切換，試驗(yàn)加載裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)加載裝置圖

依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，選擇與試件上、下底面相垂直的兩個相對面，并將試件的兩個受力面打磨平，以確保上、下兩端部與軸線垂直。試驗(yàn)加載前，分別涂抹一層黃油于試件和承壓鋼板接觸面上以減少或避免試件端面與壓板間摩擦力的影響。并在試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)加載以消除初始非彈性變形。

本試驗(yàn)主要從靜載角度考慮混凝土本構(gòu)關(guān)系的變化規(guī)律，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)以位移作為控制條件。單調(diào)加載模式的加載速度為0.3 mm/min，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到試件預(yù)估峰值應(yīng)力的70%～90%時，降低加載速度，直至試件破壞后停止加載。在進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)時，與單調(diào)加載的加載方式類似，采用等位移增幅加載，卸載段采用力控制，下降段速率減慢；待荷載完全卸載后，再次循環(huán)加載直至試件破壞。

2 單調(diào)及反復(fù)荷載下腐蝕混凝土的性能

2.1 腐蝕混凝土的破壞形態(tài)

對混凝土試件進(jìn)行鹽酸腐蝕，通過觀察腐蝕過程發(fā)現(xiàn)：當(dāng)腐蝕齡期大于12 d后，試件表面出現(xiàn)明顯的起砂現(xiàn)象，砂粒較粗糙麻密，部分表面砂漿消失并露出骨料，并隨腐蝕齡期的延長愈發(fā)顯著，表明鹽酸與混凝土發(fā)生了較強(qiáng)的化學(xué)腐蝕反應(yīng)。待腐蝕完成后，對6組混凝土試件分別進(jìn)行單調(diào)及反復(fù)荷載試驗(yàn)，單調(diào)及反復(fù)荷載下不同鹽酸腐蝕齡期試件的破壞形態(tài)如圖2所示。

(a)F0試件

由圖2可知，各混凝土試件的破壞形態(tài)均表現(xiàn)為壓潰破壞?；趯虞d過程的觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載達(dá)到抗壓強(qiáng)度的60%～70%時，混凝土表面出現(xiàn)第一條可見豎向裂縫，此后隨著荷載不斷遞增，裂縫迅速延伸發(fā)展，數(shù)量增多，形態(tài)迅速擴(kuò)展，裂縫變寬；加載至抗壓強(qiáng)度時，混凝土被壓扁、壓碎，且被交叉連通的裂縫分割成若干區(qū)塊，整體豎向變形較大。腐蝕齡期較短的混凝土試件(F1)，其破壞形態(tài)和未腐蝕混凝土試件(F0)基本無明顯區(qū)別，如圖2(a)和2(b)所示；當(dāng)腐蝕齡期達(dá)到12 d或18 d時，混凝土試件在受壓荷載下，表面會先產(chǎn)生較短窄且不規(guī)則的裂縫，內(nèi)部出現(xiàn)若干條微小裂縫，試件存在局部壓碎現(xiàn)象，剝落面積較大、裂縫發(fā)展相對較小，如圖2(c)和2(d)所示；對于腐蝕齡期超過24 d的混凝土試件(F4和F5)，在出現(xiàn)第一條裂縫(主裂縫)后不久便迅速發(fā)展出若干其它明顯裂縫，主裂縫不斷延伸、變寬，試件破壞時，表面呈鼓狀，且主裂縫基本貫穿整個試件，寬度達(dá)到約3 mm以上，如圖2(e)和2(f)所示。

2.2 單調(diào)及反復(fù)荷載下腐蝕混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單調(diào)荷載下腐蝕前后混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，各腐蝕齡期下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律未發(fā)生較大改變，形態(tài)基本一致。

為便于對比分析，圖3(b)給出了統(tǒng)一量綱坐標(biāo)化的典型單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3(b)可看出，單調(diào)受壓試驗(yàn)過程中腐蝕混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為5個階段：AB段為彈性階段；BC段為非線性上升階段，在上升階段，試件微裂縫形成，且相互獨(dú)立發(fā)展；CD段為非線性下降段，曲線略顯陡峭，隨著變形的遞增，應(yīng)力下降，裂縫發(fā)展進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，該階段，第一條裂紋繼續(xù)發(fā)展、拓寬的同時，表面還出現(xiàn)其它微小裂縫分叉與連通，逐步形成較大的裂縫，應(yīng)力水平大幅降低，表現(xiàn)為峰值后的軟化效應(yīng)；DE段為反向彎曲階段，曲線斜率快速下降后，曲線變得很平緩；E點(diǎn)之后完全破壞，有1～2條主裂縫貫穿整個試件，最終混凝土試件出現(xiàn)明顯的宏觀裂縫特征破壞。其中C點(diǎn)為試件應(yīng)力峰值點(diǎn)，其應(yīng)變相對值ε/ε0為1；D點(diǎn)近似為下降曲線拐點(diǎn)。

對比圖3(a)可知，隨著腐蝕齡期的延長，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于扁平，曲線初始斜率下降；曲線上升段斜率明顯減小，下降段趨于平緩，表明混凝土彈性模量大幅下降，極限應(yīng)變較未腐蝕混凝土有所增大。腐蝕混凝土與未腐蝕混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的另一特征區(qū)別在于峰值點(diǎn)“向下及向后偏移”，這表明隨著腐蝕齡期的延長混凝土的峰值應(yīng)力下降，峰值應(yīng)變逐漸增大，受鹽酸腐蝕的混凝土呈現(xiàn)逐漸疏松的趨勢。

(a)各腐蝕齡期混凝土試件單調(diào)受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

反復(fù)荷載下各腐蝕齡期混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變無量綱歸一化曲線如圖4所示。同時，為便于對比分析，圖4還描繪了各腐蝕齡期下混凝土單調(diào)受壓時應(yīng)力-應(yīng)變曲線的包絡(luò)線(如圖中藍(lán)色實(shí)線所示)。

由圖4可知，腐蝕混凝土在反復(fù)壓荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律同單調(diào)荷載下的相似，即隨著腐蝕齡期的增加，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于扁平，曲線初始斜率逐漸變小，峰值應(yīng)力顯著減小，而極限應(yīng)變與峰值應(yīng)變逐漸增加，強(qiáng)度及承載力明顯降低。

(a)0 d

2.3 力學(xué)性能特征值分析

為深入分析單調(diào)及反復(fù)荷載下混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，圖5給出了每組試驗(yàn)的力學(xué)性能特征值變化趨勢(反復(fù)荷載下取3個試件的平均值作為特征值)。其中峰值應(yīng)力取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的最大應(yīng)力；峰值應(yīng)變?nèi)》逯祽?yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變；彈性模量取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上原點(diǎn)及0.4倍峰值應(yīng)力點(diǎn)的割線模量；峰值位移取峰值荷載對應(yīng)的位移；極限壓應(yīng)變?yōu)樵趹?yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段上，當(dāng)應(yīng)力(殘余強(qiáng)度)減至峰值應(yīng)力的0.5倍時所對應(yīng)的壓應(yīng)變[23]。

(a)彈性模量，單調(diào)荷載

結(jié)合圖4和圖5可知，相比于未腐蝕混凝土，單調(diào)荷載作用下，腐蝕齡期30 d的混凝土彈性模量和峰值應(yīng)力迅速下降，其值分別降低了73.9%和53.3%；同時，峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變顯著增加，最大分別提高了52.1%和69.4%。反復(fù)荷載作用下，相比于未腐蝕混凝土，當(dāng)腐蝕齡期達(dá)到30 d時，峰值應(yīng)力和彈性模量分別降低了53.3%和74.1%，而峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變均得到了提高，分別增大了55.7%和77.9%。從而可知，鹽酸嚴(yán)重腐蝕后，混凝土的承載力與強(qiáng)度均快速下降。分析原因認(rèn)為，強(qiáng)酸與偏堿性的混凝土發(fā)生中和化學(xué)反應(yīng)，生成了大量不具承載能力的非膠凝性或易溶性物質(zhì)，極大地降低了混凝土的抗壓能力；同時溶液中的氯離子擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，與水泥石中的Ca(OH)2發(fā)生置換反應(yīng)，產(chǎn)生大量石膏和鈣礬石在水泥毛細(xì)孔中沉積，此外生成的鹽結(jié)晶體中含有大量結(jié)晶水，形成了局部膨脹壓力。另外，混凝土中的水泥砂漿和粗骨料因失水收縮變形能力差異會產(chǎn)生不均勻變形，導(dǎo)致內(nèi)部微裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而混凝土內(nèi)部裂縫生成，混凝土材料呈現(xiàn)出明顯的疏松態(tài)勢；且隨著腐蝕齡期的延長，這種損傷程度愈顯著。在較大荷載作用下混凝土內(nèi)部微裂縫逐步擴(kuò)展、貫通，利于更多鹽酸溶液進(jìn)入混凝土內(nèi)部，繼而加速混凝土腐蝕，最后變?yōu)闊o粘結(jié)力的糊狀物質(zhì)，造成混凝土內(nèi)部損傷，強(qiáng)度侵蝕深度加深。因而，腐蝕混凝土峰值應(yīng)力、動彈性模量均表現(xiàn)為顯著下降的變化規(guī)律；且在較大荷載作用下，材料變形不協(xié)調(diào)，混凝土表面裂縫、內(nèi)部空隙數(shù)量增加，表現(xiàn)出疏松趨勢，從而極限應(yīng)變、峰值應(yīng)變增大。但是，應(yīng)明確一點(diǎn)，峰值應(yīng)變并不是體現(xiàn)材料性能變化的唯一充要指標(biāo)[24]，塑性變形能力應(yīng)該由混凝土試件在單調(diào)受壓狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段綜合展現(xiàn)。

由圖5還可知，峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變和彈性模量均基本呈線性變化，即表達(dá)式為

Qmti/cti=Pt+Z

(1)

其中，Qmti/cti為單調(diào)/反復(fù)荷載下彈性模量、峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變和峰值應(yīng)變強(qiáng)度退化深度，t為腐蝕齡期(天數(shù))，P、Z為參數(shù)。

同時，對比文獻(xiàn)[9，13，15]發(fā)現(xiàn)，單調(diào)受壓荷載作用下，鹽酸腐蝕混凝土強(qiáng)度變化趨勢與硫酸腐蝕基本一致。由于文獻(xiàn)中存在水泥規(guī)格等級、酸性溶液濃度等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及所處環(huán)境條件的差異性，雖不具有絕對定量分析的可比性，但變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為鹽酸腐蝕對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響大于并早于硫酸腐蝕。原因在于，初期硫酸與混凝土反應(yīng)生成的二水石膏減緩了反應(yīng)的進(jìn)行，后期酸性介質(zhì)通過混凝土表面因產(chǎn)物不斷積累而生成的裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而加速腐蝕。

2.4 反復(fù)加載腐蝕混凝土損傷分析

不同腐蝕齡期混凝土在反復(fù)荷載與單調(diào)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比如圖6所示。

從圖6可以看出，在上升段，鹽酸腐蝕混凝土在重復(fù)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的包絡(luò)線與單調(diào)荷載作用下的曲線基本重合，峰值應(yīng)力基本無明顯差別；然而，對下降段而言，反復(fù)荷載作用下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更陡峭，其斜率明顯大于單調(diào)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表明反復(fù)荷載作用下腐蝕混凝土的剛度衰退速率增大。分析原因認(rèn)為，相對單調(diào)受壓荷載，在較大的反復(fù)荷載作用下，腐蝕混凝土內(nèi)部損傷不斷積累，從而混凝土剛度退化率增大，表現(xiàn)出一定的脆性特征，此時其抗壓強(qiáng)度迅速下降。由于混凝土試樣具有一定的離散性，試驗(yàn)的受力條件不能保證完全相同，因而有些試件還是表現(xiàn)出細(xì)微的區(qū)別。

(a)0 d

此外，本研究著重從殘余變形、損傷變量及累計(jì)耗能等3個性能指標(biāo)對腐蝕混凝土試件在反復(fù)軸壓荷載作用下的損傷進(jìn)行評估。

(1)殘余變形

鹽酸腐蝕后混凝土在重復(fù)荷載作用下的殘余應(yīng)變與包絡(luò)線上的卸載點(diǎn)應(yīng)變、再加載點(diǎn)應(yīng)變之間的關(guān)系曲線如圖7所示。

(a)xp與xa的關(guān)系

從圖7可以看出，在反復(fù)軸壓荷載作用下，隨著加載循環(huán)次數(shù)的遞增，混凝土塑性變形加劇，內(nèi)部損傷嚴(yán)重，殘余應(yīng)變快速增大，且腐蝕齡期越長，這種損傷越嚴(yán)重。

對圖7(a)中關(guān)系曲線進(jìn)行歸一化擬合，其中殘余應(yīng)變與卸載點(diǎn)應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

式中，xa為包絡(luò)線上的卸載點(diǎn)應(yīng)變與ε0(峰值應(yīng)變)之比，xp為相應(yīng)的殘余應(yīng)變與ε0的比值，αa為與腐蝕齡期有關(guān)的參數(shù)，T表示腐蝕齡期。

同理，對圖7(b)中關(guān)系曲線進(jìn)行歸一化擬合，混凝土殘余應(yīng)變與包絡(luò)線上卸載點(diǎn)相應(yīng)的再加載點(diǎn)應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式詳見式(4)和式(5)：

(4)

(5)

式中，xb為加載曲線與包絡(luò)線交點(diǎn)處的應(yīng)變與ε0之比，αb為與腐蝕齡期有關(guān)的參數(shù)。

(2)累積耗能與損傷變量(D)

累積耗能一般由單位體積混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍成的面積來表征。損傷變量(D)根據(jù)損傷力學(xué)的定義，表示為混凝土經(jīng)過腐蝕后動態(tài)彈性模量損失率，采用式(6)計(jì)算得到：

(6)

式中，D為用彈性模量表示的延性損傷量，E0表示未腐蝕混凝土彈性模量，E′表示腐蝕后混凝土彈性模量。

未腐蝕與腐蝕混凝土的D值及累積耗能計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 腐蝕混凝土損傷

由表3可知，混凝土在腐蝕后D值增大，其延性損傷度逐漸增大。對比可知，腐蝕齡期較短時(6 d)，D值增量微小，其量級為10-2，表明混凝土腐蝕齡期較短時，延性損傷量變化基本不大；而當(dāng)腐蝕齡期大于12 d甚至更長時，D值則明顯增大，表明混凝土彈性模量明顯下降，承載力顯著降低。由表3還可知，混凝土腐蝕齡期較短時，累積耗能性能變化不大；而當(dāng)腐蝕齡期較長時，其峰值應(yīng)變雖然有所延長，但峰值應(yīng)力大幅減小，試件承載能力大幅下降，耗能性能降低。

3 反復(fù)荷載作用下腐蝕混凝土的本構(gòu)關(guān)系

3.1 有效承載面積比

由于不同的試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)服役環(huán)境中酸性溶液濃度及環(huán)境溫度、濕度存在差異，僅以腐蝕齡期作為混凝土腐蝕程度表征量的研究結(jié)論難以廣泛應(yīng)用。因此，本研究以腐蝕深度為媒介，提出有效承載截面積比的概念，研究反復(fù)荷載作用下不同腐蝕程度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€關(guān)系。

為深入探討腐蝕混凝土損傷程度，依據(jù)文獻(xiàn)[11]提出兩個假定：①各溶液對混凝土的腐蝕均從外表面垂直向內(nèi)均勻發(fā)展，即同一試塊的每個表面腐蝕層厚度相等，均為df；②受鹽酸腐蝕混凝土由均勻分布的腐蝕層及未腐蝕層兩部分組成，兩部分間分界明顯，荷載均由未腐蝕層承受，腐蝕深度即為強(qiáng)度退化深度，如圖8所示。

圖8 鹽酸腐蝕示意圖

依據(jù)腐蝕層混凝土不能承受壓力但與未腐蝕層應(yīng)變協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，可得到強(qiáng)度退化深度df的計(jì)算公式為

(7)

式中：F0為未腐蝕混凝土立方體抗壓值，kN；Fn為腐蝕溶液浸泡后立方體抗壓值，kN；a為試塊受壓面短邊長，mm；b為試塊受壓面長邊長，mm；df為理論強(qiáng)度退化深度，mm。

本研究中b=a=100，由式(7)簡化可得：

(8)

有效承載面積比p即為未腐蝕層面積占原混凝土中被腐蝕混凝土面積與未腐蝕混凝土面積之和的比例，即

(9)

式中：S1、S2分別為未腐蝕混凝土面積、腐蝕混凝土面積，mm2；df為強(qiáng)度退化深度，mm；a為受壓面邊長，mm。

實(shí)測不同腐蝕齡期各試件的強(qiáng)度退化深度及有效承載截面積比如圖9所示，由于強(qiáng)度退化深度僅與鹽酸腐蝕有關(guān)，且本研究主要探討反復(fù)荷載作用下腐蝕混凝土的本構(gòu)關(guān)系，故文中僅就反復(fù)荷載作用下強(qiáng)度退化深度進(jìn)行分析。由圖9可知，強(qiáng)度退化深度隨腐蝕齡期遞增表現(xiàn)為指數(shù)增長趨勢，其表達(dá)式為

dmts/cts=M+Nemt

(10)

其中，dmts/cts為單調(diào)/反復(fù)荷載下強(qiáng)度退化深度，t為腐蝕齡期(天數(shù))，M、N、m為參數(shù)。

對比文獻(xiàn)[9]，在一定腐蝕齡期內(nèi)鹽酸腐蝕深度略大于硫酸腐蝕深度。原因在于，在腐蝕初期，硫酸腐蝕對混凝土抗壓強(qiáng)度有增大作用，當(dāng)腐蝕齡期超過一定天數(shù)后，兩種酸對強(qiáng)度退化深度影響基本持平[9]。

(a)強(qiáng)度侵蝕深度

(b)有效承載面積比

3.2 模型建立

為了準(zhǔn)確地反映混凝土腐蝕后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段與下降段，本研究采用分段表達(dá)式，具有與試驗(yàn)曲線相似度很高的幾何特征；可以較準(zhǔn)確、完整地?cái)M合其上升段以及下降段；且能夠真實(shí)反映混凝土的全部受力性能的特點(diǎn)。文中將重復(fù)荷載作用下的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線無量綱化，擬合包絡(luò)線公式采用丁發(fā)興等[25- 26]提出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線統(tǒng)一計(jì)算公式。

(11)

(12)

(13)

式中：σ為任意一點(diǎn)的應(yīng)力，fc為軸心抗壓強(qiáng)度，ε為任意一點(diǎn)的應(yīng)變，εc為與單軸抗壓強(qiáng)度fc相應(yīng)的混凝土峰值應(yīng)變，α為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)，參數(shù)A為混凝土彈性模量與峰值割線模量比值，參數(shù)B為控制上升段曲線彈性模量衰減程度。

參數(shù)A、B與腐蝕齡期的關(guān)系曲線以及參數(shù)A、B和有效承載面積比p的關(guān)系曲線如圖10所示。

(a)A、B值與腐蝕齡期的關(guān)系

由圖10(a)可以看出參數(shù)A、B隨腐蝕齡期的延長逐漸降低，呈線性負(fù)增長關(guān)系，但變化幅度較小，說明在壓應(yīng)力狀態(tài)下，反復(fù)荷載作用較單調(diào)荷載作用在包絡(luò)線上升段差異并不大。同時，A、B值隨著有效承載面積比的減小而有所下降，表明混凝土非線性越明顯，見圖10(b)。

由圖6及圖10均可知，腐蝕混凝土在反復(fù)荷載作用下的包絡(luò)線曲線上升段與單調(diào)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致，重合度較好，文獻(xiàn)[25]提供的模型具有較好適用性。然而，反復(fù)荷載作用下，其下降段與單調(diào)荷載下的相差較大，且隨著腐蝕齡期的增加，兩者區(qū)別明顯增大。因此，對于腐蝕混凝土下降段，上述混凝土本構(gòu)關(guān)系不再適用。原因在于，腐蝕混凝土的隨機(jī)性更為顯著，且腐蝕混凝土內(nèi)部損傷的積累，其下降段較單調(diào)荷載變得更為陡峭。為反映這一特性，應(yīng)對應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段進(jìn)行修正，引入與腐蝕齡期有關(guān)的下降段參數(shù)修正系數(shù)αt，其表達(dá)式如式(14)。

(14)

(15)

式中：αc為未腐蝕混凝土根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的下降段值；b、c為計(jì)算參數(shù)；α根據(jù)試驗(yàn)εu/εc推算所得[23]，文中根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算(圖11)，取其比值為2.574。

圖11 腐蝕混凝土本構(gòu)關(guān)系修正系數(shù)

在反復(fù)荷載下，受壓混凝土卸載及再加載應(yīng)力路徑采用下列公式確定：

σ=Er(ε-εp)

(16)

(17)

式中，σ為受壓混凝土的壓應(yīng)力，ε為受壓混凝土的壓應(yīng)變，εp為受壓混凝土卸載至零應(yīng)力點(diǎn)時的殘余應(yīng)變，Er為受壓混凝土卸載/再加載的變形模量，σun、εun分別為受壓混凝土從骨架線開始卸載時的應(yīng)力和應(yīng)變。

3.3 模型驗(yàn)證

采用文中建立的鹽酸腐蝕混凝土本構(gòu)關(guān)系計(jì)算試件在不同有效承載面積比p下受反復(fù)荷載作用時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖12所示。

由圖12可知，對于腐蝕齡期24 d及以內(nèi)的混凝土試件，采用文中建立的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算的曲線與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，所建立的模型能較好地反映腐蝕混凝土在反復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對于腐蝕齡期超過24 d的混凝土試件，其上升段與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，下降段有一定誤差，模型計(jì)算結(jié)果偏于安全。究其原因，在荷載和化學(xué)腐蝕的共同作用下混凝土損傷積累、劣化更嚴(yán)重，裂縫發(fā)展更不規(guī)律，嚴(yán)重腐蝕混凝土本身的隨機(jī)性更強(qiáng)，從而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值后下降段與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定差異，模型計(jì)算結(jié)果更偏于安全。

(a)p=1(0 d)

4 結(jié)論

(1)鹽酸腐蝕對混凝土破壞特征具有顯著影響，荷載作用下腐蝕混凝土表面易剝落，隨著荷載遞增，內(nèi)部出現(xiàn)若干條微小裂縫，豎向主裂縫突顯并不斷延伸、拓寬，表面剝落面積變大；同時，隨著腐蝕齡期的增加，抗壓強(qiáng)度明顯下降，承載能力迅速降低。

(2)不同腐蝕齡期混凝土在反復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線包絡(luò)線與單調(diào)加載基本一致；在上升段，由于曲線處于線彈性階段，損傷不明顯，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的離散性不大；但由于反復(fù)荷載下，裂縫不斷發(fā)展、內(nèi)部損傷逐漸積累，在達(dá)到峰值點(diǎn)以及峰值點(diǎn)以后，其下降段比單調(diào)荷載下的更為陡峭，破壞較為突然，反復(fù)荷載下腐蝕混凝土延性有所下降。

(3)隨著鹽酸腐蝕齡期的增長，在反復(fù)荷載作用下混凝土峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變明顯增大，而峰值應(yīng)力、彈性模量大幅度下降，腐蝕后混凝土應(yīng) 力-應(yīng)變曲線逐漸扁平；鹽酸腐蝕使混凝土材料較快呈現(xiàn)疏松的趨勢，加速了荷載作用下混凝土的破壞，相較于未腐蝕混凝土，腐蝕混凝土的實(shí)測峰值應(yīng)力和彈性模量分別下降了53.25%和74.1%，而峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變分別提高了55.7%和77.87%。

(4)通過回歸分析，引入下降段修正系數(shù)，基于有效承載截面積比建立了反復(fù)荷載下鹽酸腐蝕混凝土的實(shí)用本構(gòu)模型，基于該模型計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。