持續承載鋼筋混凝土梁的凍融循環試驗

刁 波，孫 洋，葉英華

(北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京，100191)

寒冷地區侵蝕環境中的凍融循環已經成為鋼筋混凝土結構性能劣化的主要影響因素。鋼筋混凝土結構通常附有裂縫，侵蝕性物質通過裂縫進入構件內部會加速鋼筋銹蝕，降低結構耐久性。對此，美國和中國規范都通過限制裂縫寬度、加大保護層厚度、控制混凝土材料配方和保證施工質量等措施力圖設計抗凍融性能好的混凝土結構[1-2]。但這些規范主要基于素混凝土和鋼筋的材料性能試驗制定的。目前，美國每年要耗費200億美元用于維修、防護和加固鋼筋混凝土結構[1]；我國每年花費大約5千億元人民幣[3]用于維修鋼筋混凝土結構。巨額維護費用已經引起各國政府和學者的關注[4-8]。目前，人們對鋼筋混凝土結構在侵蝕環境下的凍融損傷研究主要集中在材料層面[9-16]。Liang等[9]對氯離子、硫酸根離子、二氧化碳 3種化學侵蝕因素進行了兩兩組合試驗，研究了侵蝕因素的疊加效應，并提出了新的侵蝕計算模型；Hasan等[10]研究了凍融損傷引起混凝土抗壓強度和疲勞強度退化的機理；宋玉普等[11]測定了凍融環境下混凝土單、多軸拉壓強度和變形特性，提出了強度退化規律和破壞準則：Yang等[12-13]通過試驗證實了荷載裂縫的存在會加劇混凝土凍融循環損傷的速度；Sun等[14]研究了氯化鈉、凍融循環和荷載同時作用對混凝土性能的影響，發現與在水中凍融循環相比，在氯化鈉溶液中凍融會導致試件表面混凝土更嚴重剝蝕及出現較大的質量損失，但因冰點降低，從而使極限凍融次數增加約20%，荷載能加速混凝土凍融破壞，而且荷載越高，破壞時凍融循環次數越少，試件表面剝蝕也越嚴重；Montejo等[15]通過鋼筋混凝土構件在低溫環境下往復靜載試驗，證明鋼筋混凝土構件在低溫環境下極限承載力和構件剛度隨著溫度降低而提高，但構件的延性卻隨之降低。這改變了以往根據鋼筋和混凝土材料層面的研究得出的結論(即混凝土結構隨溫度降低，其強度和剛度增加而無其他損失)。可見，根據在混凝土材料層面取得的試驗研究成果很難準確推定鋼筋混凝土結構在凍融循環和侵蝕環境下的性能退化情況，因此，有必要進行相關試驗研究。在此，本文作者在混合侵蝕和凍融循環交替作用下混凝土材料性能劣化試驗研究[16-17]的基礎上，通過試驗研究在混合侵蝕和凍融循環交替作用下持續承載鋼筋混凝土梁的力學性能。

1 試驗概況

試驗按照我國《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》[18](簡稱《耐久性試驗方法》)中的“快凍法”進行，改用氣凍水融方式。侵蝕介質用質量分數為3%氯化鈉溶液和5%硫酸鈉溶液組成的混合溶液。

1.1 試件設計

為緊貼工程實際，類似于商品混凝土，摻加了緩凝高效減水劑和F類Ⅰ級粉煤灰。鋼筋混凝土矩形截面梁試件共5組(每組2根，編號為a和b)，5組梁的橫截面尺寸、跨度、配筋和混凝土強度等級均相同。梁橫截面面積(寬×高)為100 mm×150 mm，梁長為700 mm，縱向受拉筋和箍筋均采用直徑為6 mm光圓鋼筋,鋼筋屈服強度為300 MPa、極限強度為350 MPa，彈性模量為2.15×105MPa。梁中配置2根受拉縱筋并在彎剪段配置間距為100 mm的雙肢箍筋。混凝土水與灰的質量比為 0.44，棱柱體抗壓強度平均為 32.5 MPa, 彈性模量為3.15×104MPa。

1.2 試驗方法

試件養護齡期為28 d，其中，帶模養護1 d，拆模后在標準條件下養護，23 d時將其中 4組試件在(20±3) ℃的混合侵蝕性溶液中浸泡 4 d，之后對這 4組試件進行凍融循環試驗。凍融循環試驗在北京航空航天大學結構工程實驗室的高低溫控制艙中進行，最高溫控制在(8±2) ℃，最低溫控制在(-15±2) ℃。參照《耐久性試驗方法》中的“快凍法”，每個凍融循環周期為4 h。

5組試驗梁中，有1組參考梁(Beam-Ref)，在齡期28 d時，通過靜載試驗獲得梁極限承載力Pu，作為其余4組梁持續加載的基準值。其余4組梁施加不同水平的持續荷載：第1組不加載，第2組加載至梁剛剛出現垂直裂縫為止(約20%Pu)，第3和第4組分別施加荷載 50%Pu和 70%Pu(根據施加荷載比例將梁編號為Beam-0, Beam-0.2, Beam-0.5和Beam-0.7，見表1)。持續加載和靜載試驗都采取兩點對稱加載，持續加載點和支座位置與參考梁的相同。試驗分3個階段進行：

(1) 對梁施加兩點對稱持續荷載(見圖1)。

(2) 試件在混和侵蝕溶液中浸泡和凍融循環交替進行，每凍融循環10次在侵蝕溶液中浸泡24 h。每循環 50次測量記錄梁的裂縫高度、寬度和梁體表觀形態；共經歷凍融循環400次。

(3) 靜力加載試驗。完成 400次凍融循環后，卸去持續荷載，進行梁的兩點加載試驗，測定梁的極限承載力及剛度退化情況。

表1 梁編號及其特性Table1 Symbol of beams and its characteristics

圖1 持續荷載加載圖Fig.1 Loading setup

2 梁凍融循環后表觀現象及加載試驗

2.1 梁的凍融循環試驗

隨著凍融循環次數的增加，梁表面不再光滑，有顆粒脫落，邊、角處脫落較快，初始橫向裂縫開始變寬、延伸；循環100次后，梁表面生成細裂紋，漸有混凝土呈片狀脫落，Beam-0.5和Beam-0.7梁出現新的垂直裂縫；循環200次時，梁的邊、角處有骨料露出，梁表面無大面積剝蝕；循環250次時，Beam-0.7出現了沿縱向鋼筋寬度為0.05 mm的繡脹裂縫；循環300次后，各組梁表面裂縫和剝蝕明顯，垂直裂縫繼續變寬、延伸；循環350次時，Beam-0.5出現了沿縱筋方向寬度為0.05 mm的繡脹裂縫；循環400次時，梁表面混凝土變得比較疏松，Beam-0.5的繡脹裂縫寬度達到0.07 mm，Beam-0.7的繡脹裂縫寬度達到0.12 mm。

梁中垂直裂縫高度、寬度隨凍融次數增加的變化趨勢如圖2所示。圖中裂縫上的數字串表示凍融循環次數N∶裂縫高度∶最大裂縫寬度；裂縫高度和寬度都以mm為單位，裂縫高度是從受拉混凝土梁底纖維到裂縫端部(例如 400:112:0.30表示經 400次凍融循環以后，裂縫高度為112 mm，相應的最大裂縫寬度為0.30 mm)。

在靜力試驗結束后將鋼筋鑿出，測定其銹蝕率，并觀察其表面銹蝕程度，如表2所示。

圖2 裂縫高度、寬度隨凍融循環次數發展示意圖Fig.2 Sketch of height and width of cracks under different freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環后梁的靜力加載試驗

圖3 所示為經過凍融循環試驗和靜載試驗的5組(共10根)梁的圖片。凍融400次時混凝土棱柱體抗壓強度為14.95 MPa。試驗結果表明：各組梁的破壞過程和類型不盡相同。

對于Beam-Ref：因未經凍融和侵蝕，呈現典型的適筋梁彎曲破壞。

對于Beam-0：經過400次凍融和侵蝕交替作用，但未施加持續荷載，開裂荷載與Beam-Ref的基本相同，破壞過程與Beam-Ref的相似，極限荷載相近。

對于 Beam-0.2和 Beam-0.5：梁受拉區混凝土已經存在的垂直裂縫，經過凍融和侵蝕作用后裂縫明顯加大。在靜載試驗過程中，隨著荷載增加，原有裂縫并沒有變寬和延伸，全過程都沒有新的垂直裂縫產生。達到屈服荷載(極限荷載的 80%左右)時，某條垂直裂縫突然加寬并延長，最終受壓混凝土被壓碎，梁發生延性破壞。

對于Beam-0.7：梁的破壞表現為彎曲破壞并伴隨著黏結破壞。在靜載試驗過程中，隨著荷載增加，原有裂縫并沒有變寬和延伸；在其破壞荷載約為85%時，梁的純彎段出現類似彎曲破壞的特征，有新的裂縫產生，最終原有的某處裂縫突然變寬延伸而破壞。破壞時縱向鋼筋界面出現劈裂裂縫，同時，出現鋼筋被拉斷的脆性破壞，梁突然發生破壞。

表2 試驗后鋼筋狀態Table2 State of bars after experiments

3 試驗結果分析

靜載試驗結果見表3。由表3可以看出：在凍融循環(N=400次)和侵蝕性液體相同的條件下，梁的屈服荷載和極限荷載都隨著持續荷載水平的提高而降低，說明持續荷載裂縫對結構凍融和侵蝕環境耐久性影響很大?？赡苁乔治g性溶液易進入荷載裂縫，經過凍融循環加速了混凝土劣化(表面剝蝕、微裂縫發展)和鋼筋銹蝕，導致縱筋銹脹裂縫，破壞了鋼筋與混凝土的黏結，從而使第4組梁產生彎曲破壞伴隨黏結破壞的發生。當梁的持載比例為0，0.2，0.5和0.7時，其極限荷載與參考梁極限荷載相比分別降低約4.7%，15.9%，21.9%和29.3%?？梢姡狠^高的持續荷載在凍融和侵蝕溶液綜合作用下，鋼筋混凝土梁的耐久性存在隱患。

圖3 靜載試驗后的各組梁形貌Fig.3 Photos of beams after static load experiment

表3 靜載試驗結果Table3 Summary of test results under static loading

圖4所示為經過400次凍融循環后試驗梁的屈服荷載和極限荷載隨持續加載水平變化的情況。從圖 4可以看出：經過400次凍融循環后，持續荷載水平越高，鋼筋混凝土梁的屈服荷載和極限承載力都隨著所施加的持續荷載水平加大而迅速降低。

圖4 經過400次凍融循環后試驗梁屈服和極限荷載隨持續荷載的變化Fig.4 Yielding load and ultimate load capacity of beams under persistent load after 400 freeze-thaw cycles

圖5 所示為試驗梁相應于極限荷載的跨中撓度和極限撓度(荷載撓度曲線下降段上相應于 85%極限荷載的撓度)隨持續加載水平變化的情況。從圖5可見：隨著持續荷載的增加，相應于極限荷載的撓度和極限撓度都隨著持續荷載的增大而降低?？梢?，較大的持續荷載加速了結構的劣化進程。

圖6所示為Beam-Ref和Beam-0梁的荷載-撓度曲線(其中：Beam-0梁未施加持續荷載但受到400次凍融循環和侵蝕溶液的交替作用)。從圖6可以看出：經過凍融循環和液體侵蝕后，鋼筋混凝土梁 Beam-0雖然表面存在剝離，但與參考梁 Beam-Ref相比，其剛度和極限荷載降低幅度不大，說明 Beam-0梁力學性能退化不嚴重。

圖5 跨中撓度隨持續荷載的變化Fig.5 Deflection at mid-span under persistent load

圖6 Beam-Ref與Beam-0梁的荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-deflection curves of Beam-Ref and Beam-0

圖7 所示為參考梁和在凍融和侵蝕液體交替作用下，不同持載水平梁的荷載-跨中撓度關系曲線(每組選用1條作為代表)。從圖7可以看出：經過400次凍融循環后，持續荷載水平越高，鋼筋混凝土梁的剛度退化越快，進入非線性階段的荷載越低。

圖7 凍融循環400次時不同持載梁的荷載-跨中撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves of beams under different preloading ratios after 400 freeze-thaw cycles

4 結論

(1) 在侵蝕和凍融循環交替作用下，隨著凍融次數的增加，鋼筋混凝土梁表面剝蝕趨于嚴重。并且在相同凍融循環次數下，持續荷載高的梁荷載裂縫和銹脹裂縫發展迅速。

(2) 在侵蝕和凍融循環交替作用下，梁的屈服荷載和極限荷載及其相應的變形都隨著持續荷載的增加而降低。

(3) 在侵蝕和凍融循環交替作用下，梁的變形能力隨著持續荷載的增加而降低。

(4) 本文試驗研究了單一濃度混合侵蝕液體與凍融循環復合作用下持載鋼筋混凝土梁力學性能退化的情況，混和侵蝕離子濃度變化的影響有待于進一步探討。

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