基于壓磁效應(yīng)的銹脹開(kāi)裂混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究

黃 爽，張 軍，金偉良，毛江鴻，鐘小平

(1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058; 2. 浙大寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100; 3. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065; 4. 揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

服役在海洋環(huán)境中的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁、碼頭等極易遭受氯鹽侵蝕，產(chǎn)生鋼筋銹蝕、混凝土銹脹開(kāi)裂等一系列耐久性問(wèn)題[1-2]。在車輛反復(fù)荷載和腐蝕環(huán)境作用下，鋼筋、界面黏結(jié)和混凝土材料性能加速退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)服役性能和服役壽命嚴(yán)重降低，甚至產(chǎn)生災(zāi)難性后果[3]。實(shí)際工程中鋼筋銹蝕形態(tài)多為不均勻銹蝕，特別是氯致銹蝕還極易產(chǎn)生蝕坑[4]。鋼筋銹蝕不僅降低其自身靜/動(dòng)力學(xué)性能，也將降低鋼筋和混凝土的黏結(jié)性能[5-6]。大量銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞試驗(yàn)顯示其失效的主要模式為縱筋的疲勞斷裂[7-8]。實(shí)際工程中也常見(jiàn)銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)疲勞失效案例，如美國(guó)的SR1014大橋因鋼筋銹蝕后疲勞斷裂而發(fā)生倒塌[9]。因此，研究銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的疲勞損傷演化規(guī)律，對(duì)于評(píng)估腐蝕環(huán)境和反復(fù)荷載共同作用下混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的試驗(yàn)和理論研究，已有研究重點(diǎn)關(guān)注銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命、撓度、破壞形式等特性的影響。常用方法包括S-N曲線預(yù)測(cè)法、損傷力學(xué)方法和斷裂力學(xué)方法。其中，S-N曲線方法常用于預(yù)測(cè)銹蝕鋼筋疲勞壽命，如張偉平等[10]和羅小勇等[11]基于銹蝕鋼筋疲勞拉伸試驗(yàn)建立了考慮鋼筋銹蝕率的疲勞曲線方程，王海超等[12]基于疲勞試驗(yàn)結(jié)果給出了銹蝕鋼筋混凝土梁的S-N曲線方程。雖然S-N曲線方法應(yīng)用簡(jiǎn)便，但無(wú)法表征非線性疲勞損傷累積發(fā)展過(guò)程。有學(xué)者通過(guò)定義損傷變量對(duì)疲勞損傷進(jìn)行量化，如胡超[13]根據(jù)疲勞作用下混凝土殘余應(yīng)變建立了梁的疲勞損傷方程，湯紅衛(wèi)等[14]和李士彬等[15]則根據(jù)混凝土梁剛度衰減規(guī)律量化了梁疲勞損傷。由于混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷通常起源于細(xì)微觀層面，基于宏觀力學(xué)的指標(biāo)定義的損傷變量對(duì)于結(jié)構(gòu)疲勞損傷的敏感性不足。考慮到銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋疲勞斷裂的基本特征，Sun等[16]和Ma等[17]以鋼筋蝕坑處裂紋的擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)疲勞壽命。但由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的受力特性與混凝土和界面黏結(jié)疲勞性能演化密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展通常難以準(zhǔn)確計(jì)算。

由于鋼材等鐵磁性材料的壓磁效應(yīng)對(duì)銹蝕、裂紋和應(yīng)力集中等的高度敏感性，逐漸得到研究人員的重視。如馬惠香等[18]基于金屬磁記憶方法檢測(cè)了混凝土內(nèi)鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線特性可表征鋼筋受力狀態(tài)；金偉良等[19]和張軍等[20]進(jìn)行了鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件和銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓磁信號(hào)，試驗(yàn)表明壓磁信號(hào)對(duì)疲勞損傷非常敏感，壓磁滯回曲線在疲勞失效前出現(xiàn)明顯變化。Zhang等[21]開(kāi)展了坑蝕鋼筋疲勞壓磁試驗(yàn)，建立了蝕坑處磁感應(yīng)強(qiáng)度變幅和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于壓磁信號(hào)評(píng)估鋼筋疲勞裂紋擴(kuò)展行為。進(jìn)一步的鋼筋混凝土梁的疲勞壓磁試驗(yàn)表明壓磁信號(hào)不僅可以反映梁的疲勞損傷狀態(tài)，還與梁疲勞失效位置和破壞模式密切相關(guān)[22]。銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于剛度與承載力降低，銹脹裂縫削弱了鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能，在反復(fù)荷載作用下危害性更大。因此，有必要基于其內(nèi)部銹蝕鋼筋的壓磁效應(yīng)分析結(jié)構(gòu)疲勞性能演化。

開(kāi)展了銹脹開(kāi)裂混凝土梁疲勞壓磁試驗(yàn)，同步記錄并分析了壓磁信號(hào)在混凝土梁疲勞損傷進(jìn)程中的演化規(guī)律，并建立了以磁信號(hào)特征值表征鋼筋銹蝕率的方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

梁尺寸及配筋詳見(jiàn)圖1，梁截面為矩形，尺寸為100 mm×150 mm×1 700 mm，保護(hù)層厚度為15 mm。縱筋直徑為10 mm，箍筋為6 mm雙肢箍。為使梁發(fā)生彎曲疲勞破壞并避免對(duì)縱筋壓磁信號(hào)產(chǎn)生影響等不利因素，純彎段不放置架立鋼筋和箍筋。梁所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土材料組分及28 d抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1，鋼筋基本力學(xué)性能見(jiàn)表2。

圖1 截面特征與疲勞加載示意Fig. 1 Schematic diagram of section features and fatigue loading

表1 混凝土配合比Tab. 1 Concrete mix ratio

表2 鋼筋基本力學(xué)性能Tab. 2 Basic mechanical properties of steel bars

梁養(yǎng)護(hù)完成后首先放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氯化鈉溶液中浸泡2 d，待充分潤(rùn)濕后再通電加速銹蝕。本試驗(yàn)采用恒電流加速鋼筋銹蝕，梁中鋼筋接直流電源相連正極，不銹鋼網(wǎng)接負(fù)極，如圖2所示。通電時(shí)，梁底部放置在吸水海綿上，以減少銹蝕產(chǎn)物隨溶液溢出[23]。通電電流密度為0.2 mA/cm2，根據(jù)預(yù)定銹蝕率和法拉第定律計(jì)算通電時(shí)間。疲勞加載試驗(yàn)完成后取出鋼筋，酸洗后測(cè)量實(shí)際銹蝕率。五根試驗(yàn)梁的實(shí)際銹蝕率如表3所示。

表3 梁銹蝕率與疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Corrosion rate of specimens and fatigue test results

圖2 通電加速銹蝕示意Fig. 2 Schematic diagram of energized accelerated corrosion

梁加速銹蝕完成后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。未銹蝕梁S0受彎極限承載力Mu為9.525 kN·m。循環(huán)荷載峰值為0.7Mu，應(yīng)力比為0.1，加載頻率為4.0 Hz。如圖1所示，在跨中位置自混凝土受壓區(qū)頂部10 mm處依次向下布置混凝土應(yīng)變片C1、C2、C3，在支座和跨中分別布置位移傳感器LVDT1、LVDT2、LVDT3。使用Model191A磁力儀實(shí)時(shí)測(cè)量壓磁信號(hào)，壓磁信號(hào)以磁感應(yīng)強(qiáng)度B進(jìn)行表征，其單位為mG。使用DH5922動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀同步采集數(shù)據(jù)，頻率為200 Hz。梁首次加載采用分級(jí)加卸載方式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞失效模式和疲勞壽命

梁銹蝕后在側(cè)面和底面部分位置出現(xiàn)銹脹裂縫，如圖3所示。表3列出了各梁銹脹裂縫的平均寬度。可見(jiàn)，銹脹裂縫寬度隨銹蝕率增加而增加，銹蝕率為14.15%的梁側(cè)面裂縫寬度達(dá)0.65 mm。在反復(fù)荷載作用下，銹蝕梁橫向裂縫逐漸與縱向銹脹裂縫相互交錯(cuò)。在疲勞末期，由于銹脹裂縫寬度顯著增加，混凝土保護(hù)層被交錯(cuò)裂縫嚴(yán)重分割，沿銹脹裂縫發(fā)生剝離甚至脫落，隨即鋼筋發(fā)生疲勞斷裂。未銹蝕梁則未出現(xiàn)混凝土沿縱向開(kāi)裂并剝落的現(xiàn)象。銹蝕混凝土梁的疲勞破壞形式均為一根鋼筋在純彎段發(fā)生突然斷裂，隨后發(fā)生疲勞失效，如圖4所示。

圖3 梁表面混凝土裂縫分布Fig. 3 Distribution of concrete cracks on the side of beams

圖4 銹蝕梁疲勞破壞形態(tài)Fig. 4 Fatigue failure form of corroded beam

試驗(yàn)梁疲勞壽命列于表3，未銹蝕梁CF0的疲勞壽命為208 180次，而銹蝕程度最大的CF4的疲勞壽命僅為CF0的14.34%?？梢?jiàn)，隨著銹蝕率的增加，混凝土梁疲勞壽命急劇減少。鋼筋銹蝕與混凝土銹脹裂縫對(duì)梁疲勞破壞形態(tài)和疲勞壽命影響較大。

2.2 撓度

圖5可見(jiàn)梁的撓度f(wàn)隨疲勞進(jìn)程N(yùn)/Nf(Nf為疲勞壽命)的三階段發(fā)展規(guī)律。隨著銹蝕率增加，各梁的初始撓度分別為5.68 mm、6.87 mm、7.82 mm、7.41 mm、8.59 mm，整體為增長(zhǎng)趨勢(shì)。鋼筋銹蝕不僅使梁的撓度大幅增加，還加快了撓度發(fā)展速率。梁CF3和CF4在疲勞作用開(kāi)始后撓度迅速發(fā)展到10 mm以上。梁CF1在疲勞第二階段撓度發(fā)生突變。鋼筋銹蝕嚴(yán)重降低了混凝土梁的剛度，這是由于鋼筋銹蝕降低了梁的承載能力，混凝土銹脹裂縫削弱了鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能。

圖5 最大撓度隨循環(huán)次數(shù)發(fā)展Fig. 5 The maximum deflection develops with the number of cycles

2.3 縱筋斷口形貌

梁疲勞破壞后破碎混凝土取出鋼筋，圖6為掃描電鏡下梁CF4疲勞斷口形貌。在鋼筋疲勞斷口處可觀察到微小蝕坑分布。在鋼筋斷口中還可觀察到裂紋源區(qū)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。裂紋源區(qū)常位于鋼筋表面的蝕坑等缺陷處，由細(xì)小的雜亂裂紋逐漸匯聚而成。在循環(huán)應(yīng)力作用下裂紋尖端不斷向前擴(kuò)展，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)可觀察到輪胎狀的線狀條紋。鋼筋銹蝕率越大，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的長(zhǎng)度通常越短，因此鋼筋疲勞壽命縮短[24]。

圖6 梁CF4鋼筋疲勞斷口形貌Fig. 6 Fatigue fracture morphology of steel bar in CF4

3 壓磁信號(hào)演化

3.1 銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞過(guò)程中的壓磁信號(hào)演化

梁首次循環(huán)加卸載過(guò)程中法向磁感應(yīng)強(qiáng)度隨分級(jí)荷載的變化如圖7所示。加載至7.5 kN左右時(shí)變化速率增加，表明混凝土梁發(fā)生了開(kāi)裂。卸載時(shí)減小速率較均勻。第一次加載后梁CF4產(chǎn)生了233.70 mG的不可逆磁化。梁CF3加載至7.5 kN也觀察到相同的試驗(yàn)現(xiàn)象，而梁CF1和CF2在加載至5.0 kN左右時(shí)觀察到相同現(xiàn)象。這表明混凝土梁的開(kāi)裂荷載為5.0～7.5 kN，各梁之間具有一定離散性。由于混凝土開(kāi)裂后鋼筋的漏磁效應(yīng)，梁表面磁感應(yīng)強(qiáng)度隨鋼筋應(yīng)力增加產(chǎn)生明顯變化。根據(jù)接近原理，循環(huán)應(yīng)力作用下鐵磁性材料的磁化狀態(tài)將逐漸達(dá)到無(wú)滯后的理想磁化狀態(tài)，即不可逆磁化的增量隨循環(huán)荷載不斷減小。

圖7 循環(huán)加卸載中法向磁感應(yīng)強(qiáng)度隨荷載變化Fig. 7 The normal magnetic induction intensity varies with the load during cyclic loading and unloading

圖8為梁CF4在不同循環(huán)次數(shù)時(shí)Bn隨時(shí)間的演化，H和T點(diǎn)表示時(shí)變曲線的頭部和尾部。以一個(gè)循環(huán)內(nèi)Bn時(shí)變曲線上最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最小磁感應(yīng)強(qiáng)度的差值表示磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，記為ΔBn，如圖8中H點(diǎn)與T點(diǎn)的差值。前600次循環(huán)中曲線上移，鋼筋在循環(huán)應(yīng)力下向應(yīng)力致磁化狀態(tài)發(fā)展；且H點(diǎn)到T點(diǎn)的幅值逐漸增加。這是由于混凝土在疲勞初期持續(xù)開(kāi)裂引起梁截面應(yīng)力發(fā)生重分布，鋼筋應(yīng)力增大。隨著撓度增大，梁的荷載裂縫與銹脹裂縫的寬度增加，鋼筋和混凝土黏結(jié)性能退化，界面疲勞損傷導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力進(jìn)一步增大。因此在600次循環(huán)荷載后，H點(diǎn)到T點(diǎn)的幅值更加顯著。如在1 200次循環(huán)時(shí)，T點(diǎn)已低于第10次循環(huán)。疲勞作用第二階段中，撓度和裂縫寬度增加放緩，鋼筋與混凝土界面疲勞損傷基本保持穩(wěn)定，鋼筋磁化狀態(tài)接近無(wú)滯后的理想磁化狀態(tài)。如圖8(b)所示，磁信號(hào)時(shí)變曲線在較大循環(huán)次數(shù)跨度內(nèi)保持穩(wěn)定形態(tài)。第29 550次循環(huán)時(shí)已臨近疲勞破壞，裂縫寬度增加并相互交錯(cuò)，撓度再次快速發(fā)展，界面黏結(jié)性能急劇退化，鋼筋裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展，理想磁化狀態(tài)已無(wú)法維持。相比于疲勞中期的穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)變曲線形態(tài)發(fā)生了明顯畸變。

圖8 CF4不同循環(huán)次數(shù)法向磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)變曲線Fig. 8 Normal magnetic induction intensity time-varying curve at different cycles of CF4

圖9為CF1不同循環(huán)次數(shù)時(shí)法向磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)變曲線。CF1磁信號(hào)時(shí)變曲線在疲勞初期時(shí)也近似呈正弦形態(tài)。25 810次循環(huán)后，時(shí)變曲線形態(tài)逐漸發(fā)生改變。如50 080次循環(huán)時(shí)，磁信號(hào)時(shí)變曲線在M點(diǎn)和N點(diǎn)演化出新的極值點(diǎn)。第112 950次循環(huán)時(shí)，CF1臨近疲勞破壞，此時(shí)時(shí)變曲線極值點(diǎn)消失，再次畸變?yōu)檎倚螒B(tài)，且曲線頭部和尾部之間的變化幅值增大?？梢园l(fā)現(xiàn)梁CF1與CF4壓磁信號(hào)時(shí)變曲線的相對(duì)差異較大，這是由各梁中混凝土裂縫發(fā)展速率、裂縫分布與磁探頭相對(duì)位置、鋼筋銹蝕形貌和銹蝕率等差異引起的。但其壓磁信號(hào)隨疲勞損傷的發(fā)展演化規(guī)律是一致的。CF2與CF3的壓磁信號(hào)在疲勞作用下的演化特征與上述結(jié)果分析一致，在疲勞作用不同時(shí)期表現(xiàn)出明顯的階段性特征。

圖9 CF1不同循環(huán)次數(shù)時(shí)法向磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)變曲線Fig. 9 Normal magnetic induction intensity time-varying curve at different cycles of CF1

因此可知，各梁鋼筋壓磁信號(hào)雖不呈現(xiàn)同一形態(tài)特征，但壓磁信號(hào)隨疲勞作用的演化過(guò)程變化顯著，在不同的疲勞階段具有不同的演化特征，與銹蝕混凝土梁在疲勞作用下的鋼筋應(yīng)力變化、疲勞損傷累積、疲勞裂紋擴(kuò)展、黏結(jié)性能退化等因素密切相關(guān)。

3.2 鋼筋銹蝕率與壓磁信號(hào)的相關(guān)關(guān)系

混凝土裂縫擴(kuò)展、鋼筋應(yīng)力、撓度發(fā)展和界面黏結(jié)性能與鋼筋銹蝕率相關(guān)。不同銹蝕程度混凝土梁疲勞特性的差異可直觀表現(xiàn)為壓磁信號(hào)的不同。法向磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值隨疲勞進(jìn)程的演化如圖10所示。CF0在疲勞全過(guò)程中幅值均保持在較低水平，僅在發(fā)生疲勞破壞時(shí)由于鋼筋漏磁現(xiàn)象較強(qiáng)而增加。銹蝕梁磁信號(hào)幅值隨疲勞進(jìn)程的演化為三階段形式，在疲勞作用初期和臨近疲勞破壞時(shí)快速增加。隨銹蝕率增加，幅值也逐漸增大且變化明顯。在疲勞作用下，壓磁信號(hào)對(duì)梁內(nèi)鋼筋銹蝕程度較敏感。

圖10 法向磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值隨疲勞進(jìn)程發(fā)展曲線Fig. 10 The development curve of normal magnetic induction intensity with fatigue progress

根據(jù)磁信號(hào)幅值演化規(guī)律分析了疲勞作用下壓磁信號(hào)與鋼筋銹蝕率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖11表明分別在疲勞前期、中期和末期不同循環(huán)壽命比(N/Nf)時(shí)，磁信號(hào)幅值與鋼筋銹蝕率ρ均具有良好的線性關(guān)系。根據(jù)疲勞作用所處的階段分析磁信號(hào)幅值可評(píng)估梁內(nèi)鋼筋銹蝕程度。

圖11 各梁不同疲勞階段磁信號(hào)幅值與銹蝕率的關(guān)系Fig. 11 The relationship between magnetic signal amplitude and corrosion rate in different fatigue stages

4 結(jié) 語(yǔ)

1)銹蝕和疲勞作用使混凝土橫向與縱向裂縫交錯(cuò)，導(dǎo)致混凝土剝離脫落。梁疲勞剛度由于鋼筋銹蝕致混凝土脹裂而降低，疲勞壽命隨銹蝕程度的增加而急劇降低。鋼筋斷裂發(fā)生在蝕坑處，混凝土在此處開(kāi)裂。

2)壓磁信號(hào)時(shí)變曲線隨疲勞進(jìn)程不斷演化，表現(xiàn)為三階段特性，與鋼筋應(yīng)力變化、裂縫發(fā)展和黏結(jié)性能退化密切相關(guān)。臨近疲勞失效時(shí)壓磁信號(hào)發(fā)生明顯畸變。

3)法向磁感強(qiáng)度變化幅值隨銹蝕率增加顯著增大，在疲勞作用下磁信號(hào)幅值與銹蝕率均存在良好的線性關(guān)系。