強腐蝕圓鋼管再生混凝土柱受壓性能研究

惠 存，李永剛，李 克，唐 兵，海 然

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450007；2.河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心，河南鄭州 450007）

引言

與普通混凝土相比，再生混凝土的基本力學(xué)性能有一定程度的降低，表現(xiàn)為脆性大、流動性差、收縮和徐變大等特點［1-2］，且隨著再生骨料取代率的增大，混凝土的抗壓強度下降［3-4］。將再生混凝土取代普通混凝土形成鋼管再生混凝土，可有效解決再生骨料的脆性和強度問題。鋼管再生混凝土柱的受壓破壞形態(tài)和鋼管普通混凝土柱相似，加載過程包括彈性階段和彈塑性階段［5］，試件的承載力隨著骨料取代率的增大而降低［6-7］，極限應(yīng)變隨著再生粗骨料取代率的提高先增大后減小，再生混凝土強度、彈性模量均呈下降趨勢［8］。與用鋼量相同的鋼筋再生混凝土試件相比，鋼管再生混凝土試件表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能［9］，且在鋼管混凝土構(gòu)件中，用鋼率也是影響其承載力的主要因素［10-11］。鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中除承受荷載作用外，還將受到氯離子腐蝕和酸雨侵蝕。學(xué)者對腐蝕環(huán)境下鋼管普通混凝土柱的力學(xué)性能進行了研究，結(jié)果表明：腐蝕環(huán)境會影響鋼管的彈性模量和強度［12-13］，其對核心混凝土的約束作用減弱，導(dǎo)致試件的承載力、延性、抗震和長期性能均有不同程度的降低［14］。陳夢成等［15］研究了酸雨腐蝕下鋼管再生混凝土柱的軸壓性能，得出類似的規(guī)律，并給出了試件的承載力計算公式。針對圓形鋼管再生混凝土柱在不同腐蝕程度下相關(guān)研究成果較少，各國規(guī)范均未提供基于不同腐蝕程度下的軸壓承載力計算理論方法，因此有必要對其進行深入研究。

為研究氯鹽腐蝕環(huán)境下鋼管再生混凝土柱的軸壓性能，文中設(shè)計了12根鋼管再生混凝土柱，并對腐蝕后各試件的受壓性能進行了研究，分析了軸向重復(fù)荷載作用下的受力過程和破壞形態(tài)，探究了混凝土強度、鋼管壁厚、腐蝕程度對試件承載力和延性的影響規(guī)律，研究結(jié)論可為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及試驗材料

本次試驗?zāi)M海水腐蝕效應(yīng)，根據(jù)《金屬和合金的腐蝕-鹽溶液周浸試驗》（GB/T 19746-2018）配制海水腐蝕溶液，共設(shè)計了12根圓形鋼管再生混凝土柱，參數(shù)包括腐蝕程度（10%、15%、20%）、再生混凝土強度（C30、C45）和鋼管壁厚（3 mm、4 mm），試件直徑D為114 mm，高度L為280 mm，試件設(shè)計參數(shù)見表1。其中，試件編號為RCX-Y-Z，RC代表再生混凝土，X為混凝土強度等級，Y為腐蝕程度，Z為鋼管壁厚，ηw給出的腐蝕程度為理論值；ηw1為實測腐蝕程度；t為管壁厚度；te為腐蝕前除銹后的管壁實測厚度；fcu為混凝土立方體抗壓強度；ξ為構(gòu)件的約束效應(yīng)系數(shù)，ξ=Asfy/（Acfck），As為鋼管橫截面面積，fy為鋼材的屈服強度，Ac為核心混凝土橫截面面積，fck為混凝土軸心抗壓強度標準值；ξe為腐蝕后的有效約束效應(yīng)系數(shù)，ξe=Asefy/（Acfck），Ase代表腐蝕后的鋼管橫截面積。再生混凝土粗骨料取代率均為50%，配合比見表2，試件編號同表1，RC代表再生混凝土，X為混凝土強度等級，鋼管采用Q235無縫鋼管，力學(xué)性能見表3。

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

表2 再生混凝土配合比Table 2 Mix proportion of recycled concrete

表3 鋼材力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of steel

1.2 試驗方法

本次試驗包括氯鹽腐蝕和軸心受壓。氯鹽腐蝕采用通電加速腐蝕的方法，電流強度嚴格控制為5.1A，試件全部浸入腐蝕液中，腐蝕溶液根據(jù)《金屬和合金的腐蝕-鹽溶液周浸試驗》（GB/T 19746-2018）配制。使用pHS-25數(shù)字式pH計對腐蝕溶液進行測量，用事先準備好的氫氧化鈉溶液對腐蝕箱的pH值進行調(diào)控，穩(wěn)定在8.2，腐蝕程度根據(jù)法拉第定律控制。軸心受壓試驗依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》（GB/T 50152-2012），采用單調(diào)重復(fù)加載：理論峰值承載力的70%之前采用力控制，從理論極限承載力的30%起加，每級荷載為預(yù)估極限承載力的5%，每級加載后均卸載至20 kN，之后改為位移控制加載，位移級差為2 mm，當試件變形過大或者承載力降到峰值荷載的85%以下，試驗結(jié)束，加載裝置如圖1。在鋼管中間截面縱橫向粘貼4組應(yīng)變片，以測量加載過程中鋼管的縱橫向應(yīng)變，在試件兩側(cè)布置位移計量測試件縱向壓縮位移，測點布置如圖2所示。

圖1 試驗加載裝置圖Fig.1 Diagram of test loading device

圖2 試件測點布置Fig.2 Arrangement of test points

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

典型試件最終破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可知：

圖3 典型試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of typical specimens

（1）各試件加載過程基本一致，加載初期試件外觀無明顯變化，正截面應(yīng)變及縱向壓縮變形隨荷載的增加呈線性變化，鋼管縱向應(yīng)變增長迅速，橫向應(yīng)變很小，發(fā)展緩慢；在加載到預(yù)估承載力的70%左右時，改為位移控制，此時鋼管端部開始出現(xiàn)剪切滑移線，并隨著荷載的增加逐漸向中部發(fā)展，中部截面應(yīng)變隨著荷載增大快速增加，呈現(xiàn)出非線性，橫向應(yīng)變急劇變大，表明鋼管對內(nèi)部再生混凝土約束作用加強，試件進入彈塑性階段，繼續(xù)加載，試件上端部及中部開始鼓曲，表面浮銹脫落，鋼管壁厚較厚的試件端部鼓曲較為明顯，卸載后鼓曲不能恢復(fù)，為塑性變形。

（2）不同腐蝕程度的試件最終的破壞形態(tài)也略有差異，腐蝕程度高的試件表面出現(xiàn)多處連續(xù)蜂窩凹陷，試件承載力達到最大值，試件中部和上部鼓曲明顯并迅速向外延伸，鼓曲位置隨腐蝕程度提高逐漸向柱兩端偏移；峰值荷載后，試件的承載力下降，腐蝕程度越高的試件承載力降低越快。需要說明的是，部分試件后期承載力略有提高，這是由于試件豎向變形較大，截面橫截面面積增大，但此時鋼管變形很大，已不適宜繼續(xù)承載。

2.2 荷載-位移曲線

各試件荷載-位移曲線見圖4。

圖4 各試件荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of the specimens

由圖4可知：

（1）各試件荷載-位移曲線變化趨勢分成2種，規(guī)律大體相近，試件RC30-10-3、RC45-15-3、RC30-10-4、RC45-10-4、RC30-15-4、RC45-15-4、RC30-20-4、RC45-20-4荷載-位移曲線可分為彈性階段、屈服階段、強化階段，其他試件的荷載-位移曲線可分為彈性階段、屈服階段、強化階段，局部變形階段。在力控制階段，加載和卸載曲線基本重合，卸載后幾乎無殘余變形；隨后進行位移控制加載，此時加載和卸載路徑不重合，卸載后產(chǎn)生殘余變形，但是荷載仍可繼續(xù)增大，直至達到峰值荷載；峰值荷載后鋼管鼓曲，對再生混凝土的約束減弱，試件的承載力降低，每一級加卸載產(chǎn)生的大小相等的塑性變形，加卸載曲線斜率略有減小，這是由于隨著荷載增大，混凝土內(nèi)部損傷累積，導(dǎo)致試件剛度降低所致。

（2）不同腐蝕程度的試件的軸壓力學(xué)性能存在差異，氯鹽腐蝕導(dǎo)致鋼管變薄，厚度減小，鋼材強度和彈性模量降低，隨著腐蝕程度的提高，試件的前期剛度和承載力降低，峰值荷載后承載力迅速下降，延性減弱。強腐蝕試件在加載后期鋼管多出現(xiàn)撕裂，而腐蝕程度較低的薄鋼管再生混凝土柱鋼管在加載過程中能夠保持完整性，這也說明腐蝕導(dǎo)致鋼材性能退化，進而弱化了試件的力學(xué)性能。對比20%腐蝕程度下的試件RC30-20-3和RC45-20-3，壁厚相同為3 mm時，內(nèi)部混凝土強度等級由C30提高到C45，峰值荷載由579.53 kN提高到696.17 kN，提高20.1%，加載后期鋼管逐漸出現(xiàn)裂紋，承載力急劇下降；分別比較試件RC30-20-3和RC30-20-4、RC45-20-3和RC45-20-4，這兩組試件腐蝕程度、混凝土強度等級相同，鋼管壁厚由3 mm提升到4 mm，峰值荷載分別提高11.2%、16.2%，且壁厚為4 mm的2個試件RC30-20-4和RC45-20-4相較于RC30-20-3和RC45-20-3，加載后期并未出現(xiàn)承載力下降趨勢，說明鋼管初始壁厚越小，強腐蝕條件下越容易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，鋼材材性退化越嚴重，延性越差。

2.3 特征荷載和位移分析

圖5為各試件骨架曲線。表4為各試件的特征荷載與位移，部分試件承載力并未下降到其峰值荷載的85%，本文取峰值荷載為極限承載力，位移為50 mm對應(yīng)的荷載值為其極限荷載，延性系數(shù)等于極限位移和屈服位移的比值，用μ表示，本文取85%峰值荷載對應(yīng)的位移為極限位移。

圖5 各試件骨架曲線Fig.5 Specimen skeleton curves of the specimens

表4 各試件特征荷載與位移Table 4 Characteristic load and displacement of the specimens

由圖5和表4可知：

（1）再生混凝土強度的影響。彈性階段，各試件的骨架曲線基本呈線性變化，再生混凝土強度越高，其自身剛度越大，相應(yīng)試件骨架曲線彈性段的斜率也越大。隨著荷載的不斷增加，試件進入彈塑性階段。試件的峰值荷載隨著再生混凝土強度的提高而增大，由于試件在加載后期出現(xiàn)強化段，再生混凝土強度高的試件強化段越長，延性越好。鋼管厚度為3 mm，腐蝕程度為10%的一組試件，當再生混凝土強度由C30提高到C45，其峰值荷載提高了19.45%，延性系數(shù)提高了8.03%；鋼管厚度為3 mm，腐蝕程度為15%的一組試件，當再生混凝土強度由C30提高到C45時，試件的峰值荷載提高了6.75%，延性系數(shù)提高了9.27%；鋼管厚度為3 mm，腐蝕程度為20%的一組試件，當再生混凝土強度由C30提高到C45時，其峰值荷載提高了20.13%，延性系數(shù)提高了7.13%?？傊?，提高再生混凝土強度可以提高氯鹽腐蝕圓形鋼管再生混凝土柱的峰值荷載和延性，這是因為內(nèi)部再生混凝土強度的提高，增強了其對外部鋼管的支撐作用，阻止其失穩(wěn)破壞，在腐蝕程度為10%下，混凝土等級從C30提升至C45對提高圓形鋼管再生混凝土柱承載力和延性最明顯。

（2）鋼管壁厚的影響。彈性階段，由于鋼管的彈性模量大于混凝土，鋼管壁厚大的試件早期剛度也越大。隨著荷載不斷增加，試件的曲線開始呈非線性發(fā)展，試件進入彈塑性階段，鋼管壁厚越小，對混凝土的約束作用也越弱，試件越早進入彈塑性階段，峰值荷載越小，加載后期的延性也越差。再生混凝土強度C45，腐蝕程度為10%的一組試件，當鋼管厚度由3 mm提高到4 mm時，試件的極限承載力提高了13.54%，延性系數(shù)提高了13.34%；再生混凝土強度C45，腐蝕程度為15%的一組試件，當鋼管厚度由3 mm提高到4 mm時，試件的峰值荷載提高了18.89%，延性系數(shù)提高了9.15%；再生混凝土強度C45，腐蝕程度為20%的一組試件，當鋼管厚度由3 mm提高到4 mm時，試件的峰值荷載提高了16.22%，延性系數(shù)提高了17.74%。這表明，增大鋼管壁厚不僅可提高鋼管自身的承載力，同時也增強了外部鋼管對內(nèi)部再生混凝土的約束作用，兩者共同作用提高了氯鹽腐蝕圓形鋼管再生混凝土柱的峰值荷載與延性。

（3）腐蝕程度的影響。鋼管在遭受氯鹽腐蝕后，厚度變薄，導(dǎo)致試件的早期剛度、峰值荷載和延性有不同程度的降低。再生混凝土強度C45，鋼管厚度為3 mm的一組試件，當腐蝕程度由10%提高到15%和20%時，試件的峰值荷載下降了11.57%和17.88%，延性系數(shù)下降了0.99%和10.87%；再生混凝土強度C45，鋼管厚度為4 mm的一組試件，當腐蝕程度由10%提高到15%和20%時，試件的峰值荷載下降了8.00%和18.95%，延性系數(shù)下降了4.87%和8.01%。這表明，隨著腐蝕程度的增高，鋼管的剛度和強度均降低，試件的峰值荷載和延性均降低，圓形鋼管再生混凝土柱的屈服位移和極限位移也相應(yīng)減小，這是因為強腐蝕造成試件外部鋼管壁厚減小，使得鋼管對內(nèi)部核心混凝土的約束效應(yīng)減弱。

2.4 荷載-縱（橫）向應(yīng)變曲線

不同參數(shù)下典型試件荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6，圖中縱坐標為豎向荷載，受壓為正；橫坐標分別為縱向和橫向應(yīng)變，受拉為正?？v、橫向應(yīng)變分別為縱、橫向應(yīng)變讀數(shù)的平均值。由圖6可知：

圖6 典型試件荷載-縱向（橫向）應(yīng)變曲線Fig.6 Load-longitudinal（transverse）strain curves of typical specimens

（1）加載初期，試件處于彈性階段，鋼管縱橫向應(yīng)變隨荷載的變化呈線性增長，但縱向應(yīng)變增幅快于橫向應(yīng)變；當荷載達到0.80Nu左右時，試件進入彈塑性階段，鋼管中截面縱橫向應(yīng)變發(fā)展加快，荷載-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出一定的非線性，此時外部鋼管開始對內(nèi)部再生混凝土產(chǎn)生套箍作用，鋼管對混凝土的約束作用變強。隨著荷載的增加，鋼管的縱橫向應(yīng)變不斷增大，外部鋼管對內(nèi)部再生混凝土的約束逐漸增強，試件逐漸達到峰值荷載。峰值荷載后，試件的荷載-應(yīng)變曲線能保持近乎水平。

（2）鋼管壁厚的影響。彈性階段，各鋼管壁厚的試件的荷載-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢基本相同，鋼管壁厚越小的試件其彈性階段越長。峰值荷載時，隨著鋼管壁厚的增加，各試件對應(yīng)的縱、橫向應(yīng)變也越大，以再生混凝土強度C45，腐蝕程度為10%的一組試件為例，當鋼管厚度由3 mm提高到4 mm時，試件峰值荷載對應(yīng)的縱向應(yīng)變分別為0.004 65和0.008 64，橫向應(yīng)變分別為0.005 32和0.012 31，這表明外部鋼管對內(nèi)部再生混凝土提供的約束也越強。峰值荷載以后，鋼管壁厚越厚，其提供的約束能力越強，荷載-應(yīng)變曲線下降越平緩。

（3）再生混凝土強度的影響。加載初期，各試件均處于彈性階段，再生混凝土強度越高的試件其彈性階段越長。峰值荷載時，內(nèi)部再生混凝土強度越高，其對應(yīng)的縱、橫向應(yīng)變也越大，以鋼管厚度為3 mm，腐蝕程度為10%的一組試件為例，當再生混凝土強度由C30提高到C45時，試件峰值荷載對應(yīng)的縱向應(yīng)變分別為0.007 53、0.004 65，橫向應(yīng)變分別為0.008 95、0.005 32，這表明隨著再生混凝土強度的增加，外部鋼管對內(nèi)部再生混凝土提供的約束作用越強。峰值荷載以后，再生混凝土強度越高，外部鋼管對內(nèi)部再生混凝土提供的約束也越強，其荷載-應(yīng)變曲線下降越平緩。

（4）腐蝕程度的影響。不同腐蝕程度下試件彈性階段的荷載-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢基本一致。峰值荷載時，隨著腐蝕程度的增加，各試件對應(yīng)的縱、橫向應(yīng)變也越小，以再生混凝土強度C45，鋼管厚度為3 mm的一組試件為例，當腐蝕程度由10%提高到15%和20%時，試件峰值荷載對應(yīng)的縱向應(yīng)變分別為0.004 65、0.004 25和0.004 00，橫向應(yīng)變分別為0.005 32、0.004 87和0.004 20，這表明腐蝕對鋼管產(chǎn)生損傷，外部鋼管對內(nèi)部再生混凝土提供的約束也越弱。峰值荷載以后，腐蝕程度越高，鋼管提供的約束能力越弱，荷載-應(yīng)變曲線下降越陡。

3 結(jié)論

（1）各試件的軸壓破壞形態(tài)基本相同，試件中部鼓曲，發(fā)生斜向剪切破壞。隨著試件腐蝕程度的增加，荷載達到峰值后的破壞速度也加快，腐蝕程度高的鋼管再生混凝土柱表面出現(xiàn)多處連續(xù)蜂窩凹陷。

（2）各試件的荷載-縱向位移可分為彈性段、彈塑性段及破壞段3個階段。鋼管壁厚的增加對試件的軸壓剛度影響有限，但可顯著提高其極限承載力與后期延性；再生混凝土強度越高，試件的彈性階段越長，軸壓剛度、極限承載力和延性也越大；試件的承載力和延性隨著腐蝕程度的增大而減小。

（3）各試件加載過程中，鋼管縱向受壓，橫向受拉。加載初期，縱向應(yīng)變增長速率快于橫向應(yīng)變，鋼管以縱向受壓為主；進入彈塑性階段后，橫向應(yīng)變發(fā)展速率開始快于縱向應(yīng)力，鋼管以橫向受拉為主；破壞時，鋼管縱橫向應(yīng)變大幅增長，鋼管對再生混凝土提供了較好的約束作用。其他條件相同的情況下，鋼管的縱橫向應(yīng)變與鋼管壁厚和再生混凝土強度等級正相關(guān)，與腐蝕程度的提高負相關(guān)；增大壁厚和提升混凝土強度等級使荷載-應(yīng)變曲線下降平緩，能有效發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢；腐蝕程度增加使壁厚減小且腐蝕不均勻，荷載-應(yīng)變曲線下降變陡，降低鋼管的約束作用。