環境和荷載對RC柱滯回性能和氯質量分數的影響

沈 孛，刁 波，葉英華，耿 嬌

(1.北京航空航天大學土木工程系，100191北京;2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，510640廣州)

我國是地震多發國家，混凝土結構在正常使用階段通常是帶裂縫工作的，沿海環境下混凝土結構經歷一段時間的使用荷載和氯離子侵蝕綜合作用后的抗震性能和耐久性能引人關注.耐久性設計規范［1］將海洋氯化物環境分為大氣區、潮汐區、浪濺區等.金祖權等［2］試驗研究了長期浸泡和浸泡烘干循環混凝土中氯離子擴散規律，發現與長期浸泡相比，浸烘循環增加了氯離子在混凝土中的擴散速率;Thomas［3］研究了海水潮汐區鋼筋混凝土試件中鋼筋銹蝕及氯離子含量，發現增加粉煤灰摻量會降低氯離子閾值;Cheewaket等［4］對建成10年的海港的不同深度混凝土取樣測試氯離子含量，提出鋼筋開始銹蝕的氯離子含量閾值.

牛荻濤等［5］和貢金鑫等［6］研究了鋼筋銹蝕率對鋼筋混凝土偏壓構件抗震性能的影響，劉伯權等［7］通過幅對稱位移低周疲勞加載試驗研究混凝土柱的累積損傷;Li［8-9］試驗研究了不同裂縫寬度鋼筋混凝土梁的氯滲透性，基于試驗結果提出初始裂縫寬度限值為0.1 mm;Win等［10］用電子探針測試荷載裂縫寬度分別為0.1、0.2、0.3 mm時，從裂縫面或試件表面滲透的氯離子濃度和深度，結果表明，裂縫面滲透的濃度約是表面滲透的2倍，裂縫寬度為0.1 mm和0.2 mm時氯溶液的滲透深度相近;Diao等［11-12］研究了持續承載的鋼筋混凝土構件經歷侵蝕和凍融綜合作用后剩余承載力的變化規律，證實持續荷載加劇了構件的劣化速度;Tammo等［13］通過軸心加載柱試驗，證實鋼筋應力是混凝土裂縫寬度的主要影響因素;Berto等［14］通過非線性分析研究鋼筋銹蝕和環境對結構抗震性能的影響，建議進行在役混凝土結構剩余抗震性能試驗.對于同樣承受持續偏壓荷載的鋼筋混凝土柱，經歷海水干濕循環后的滯回性能與放置在大氣環境下的有何差別尚未見相關文獻報導.

本文首先模擬結構正常使用狀態，利用螺栓桿和螺帽對RC柱施加偏壓荷載，再進行100次海水干濕循環模擬沿海潮汐環境或放置在大氣環境下100 d，最后進行低周水平反復加載試驗并測試氯離子質量分數.研究持續偏壓荷載比例分別為0、0.2、0.35時，海水干濕環境與大氣環境下RC柱滯回性能的差異和氯離子質量分數的差異.

1 試驗概況

1.1 試件設計

總共制作7個RC柱試件和3個混凝土立方體試件，7個柱試件編號為Z0～Z6.RC柱試件尺寸及配筋見圖1，保護層厚度為25 mm.齡期28 d時對參考柱試件Z0進行單調加載得到極限偏壓荷載，作為柱試件Z1～Z6持續偏壓荷載的參考.各試件的試驗環境和持續荷載比例(持續偏壓荷載與極限偏壓荷載的比值)見表1.柱試件Z1～Z3處于大氣環境，柱試件Z4～Z6處于海水干濕循環環境.

圖1 柱試件幾何尺寸及配筋

表1 柱試件Z0～Z6的試驗條件

因本試驗重點研究不同持續荷載比例和不同環境下RC柱的滯回性能和氯離子質量分數的差異，且RC柱試件的截面尺寸和配筋均相同，故可忽略尺寸效應的影響.

混凝土骨料最大粒徑為10 mm，細骨料中砂的細度模數為2.6，硅酸鹽水泥強度等級PC32.5R，混凝土配合比見表2.縱筋直徑8 mm，屈服強度為250 MPa，混凝土28 d立方體抗壓強度為51.1 MPa.

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗方案

如表1所示，7個柱試件編號為Z0～Z6.試件Z0在28 d齡期時測得極限偏壓荷載Pu=65.1 kN，偏心距為100 mm.依據表1的持續荷載比例，28 d齡期時對柱試件Z1和Z4，Z2和Z5，Z3和Z6分別施加0、0.2Pu、0.35Pu的持續偏心壓力，施加方式與文獻［15］相同.

依據表1的試驗環境和循環次數，柱試件Z1～Z3在大氣環境下放置到齡期128 d.柱試件Z4～Z6在(20±3)℃的海水中完成100個干濕循環.每個海水干濕循環持續24 h，其中在海水中浸泡12 h，在大氣環境下放置12 h.海水按3%NaCl和0.34%MgSO4的配比人工配置.

依據表1的加載齡期和加載方式，到128 d齡期時，卸去柱試件的持續偏壓荷載，進行柱頂低周水平反復加載試驗.反復加載試驗裝置如圖2所示.先在柱頂施加軸心受壓荷載至105 kN(軸壓比為0.19)，并在整個加載過程保持不變，再在柱頂施加由水平位移控制的低周反復荷載，每級位移增量為2 mm，逐級加載至荷載下降到峰值荷載的85%后結束試驗.試驗過程中，縱筋和混凝土應變、以及水平位移等數據由IMP系統自動采集.

水平低周反復加載試驗完成后，在柱試件Z1～Z6承受持續偏壓荷載的受拉側，分別距受拉表面20 mm和40 mm深處取樣混凝土，測定自由氯離子質量分數.

圖2 低周水平反復加載裝置

2 主要試驗結果及分析

2.1 RC柱試件主要試驗結果

表3給出了低周水平反復加載試驗結果，即柱Z1～Z6的屈服荷載、峰值荷載、破壞荷載及其對應的柱頂水平位移.正向加載是指水平荷載產生的截面應力分布與持續偏壓荷載同向，反向加載指水平荷載產生的截面應力分布與持續偏壓荷載反向，下同.

表3 柱試件Z1～Z6的特征荷載與位移

由表3可以看出，正向加載時，大氣環境柱Z1～Z3和海水干濕柱Z4～Z6的屈服荷載、極限荷載和延性系數均隨持續偏壓荷載比例的增加而降低，反向加載時變化規律不明顯.

2.2 荷載-位移滯回曲線

將持續荷載比例相同的大氣環境柱和海水干濕柱的滯回曲線繪于圖3.由圖3可見，海水干濕柱的加載剛度和峰值荷載均小于大氣環境柱;越過峰值荷載后，干濕循環柱的承載力下降速度比大氣環境柱快;隨著持續荷載比例增加，海水干濕柱和大氣環境柱的滯回曲線均呈現不對稱，其中，海水干濕柱的不對稱性更加顯著.

造成滯回曲線不對稱的原因有:首先，柱試件從28 d齡期起受到持續偏壓荷載作用100 d，受壓區混凝土產生徐變，受壓鋼筋產生預壓應力，從而提高反向加載剛度和峰值荷載;其次，在海水干濕循環過程中，海水易通過柱試件Z5和Z6裂縫滲入混凝土并造成腐蝕，導致其滯回曲線不對稱甚于柱Z2和Z3.貢金鑫等［6］的試驗結果也表明鋼筋銹蝕使柱的滯回曲線呈現明顯的不對稱.

圖3 海水干濕柱與大氣環境柱滯回曲線比較

2.3 海水干濕柱與大氣環境柱峰值荷載

將海水干濕柱和大氣環境柱在正向加載和反向加載時的屈服荷載、峰值荷載與持續荷載比例的關系繪于圖4.由圖4可見，正向加載時，大氣環境柱的屈服荷載、峰值荷載均大于海水干濕柱.反向加載時，變化規律不明顯.

圖4 不同持續荷載比例柱試件的屈服荷載和峰值荷載

2.4 海水干濕柱與大氣環境柱延性

將海水干濕柱Z4、Z5、Z6和相同持續荷載比例的大氣環境柱Z1、Z2、Z3的延性系數的比值列于表4.由表4可見，正向加載時，延性比值隨持續荷載比例變化較小，說明兩種環境對延性影響不大.

表4 海水干濕柱和大氣環境柱峰值荷載和延性比值

2.5 海水干濕柱與大氣環境柱剛度

將海水干濕柱和大氣環境柱在正向加載和反向加載時的割線剛度變化曲線繪于圖5.由圖5可見，正向加載時，持續偏壓柱試件 Z2、Z3、Z5、Z6的剛度均低于未承受偏壓柱試件Z1和Z4，說明持續偏壓荷載使RC柱的正向加載剛度降低.反向加載時，則無明顯規律.因此，無論是正向加載還是反向加載，海水干濕柱和大氣環境柱割線剛度無明顯差異.

圖5 海水干濕柱與大氣環境柱剛度比較

2.6 海水干濕柱與大氣環境柱的耗能能力

骨架曲線所圍面積可近似表示耗能能力.過峰值荷載后下降到85%峰值荷載時，骨架曲線與坐標軸所圍面積值(耗能)繪于圖6.由圖6可見，海水干濕柱的耗能能力小于大氣環境柱.將海水干濕柱Z4、Z5、Z6的耗能值分別除以相同持續荷載比例的大氣環境柱Z1、Z2、Z3的耗能值，所得比值見表5.持續荷載比例為0.35時，正向加載耗能比為0.57(海水干濕柱耗能較大氣環境柱低43%)，反向加載耗能比為1.08.說明海水干濕柱Z6正向耗能明顯減弱，反向耗能增加，可見，持續偏壓荷載耦合海水干濕作用對RC柱耗能的影響大于持續偏壓大氣環境柱.

圖6 海水干濕柱與大氣環境柱耗能比較

表5 海水干濕柱與大氣環境柱的耗能能力

將相同持續荷載比例的海水干濕柱與大氣環境柱的骨架曲線繪于圖7.由圖7可見，持續荷載比例不大于0.2時，骨架曲線接近，越過峰值點后海水干濕循環柱Z4和Z5的承載力下降速度較大氣環境柱Z1和Z2略快;持續荷載比例為0.35時，海水干濕柱Z6骨架曲線的不對稱性較大氣環境柱Z3更加顯著.

圖7 海水干濕柱與大氣環境柱的骨架曲線對比

2.7 海水干濕柱與大氣環境柱氯離子質量分數

低周反復加載試驗結束后，在柱試件Z1～Z6承受持續偏壓作用的受拉側，距受拉表面20 mm和40 mm深處取樣混凝土，測定氯離子質量分數的結果見表6，環境影響比較見表6和圖8.

表6 海水干濕柱與大氣環境柱的氯離子質量分數

圖8 海水干濕柱與大氣環境柱氯離子質量分數比較

圖8(a)給出了海水干濕柱和大氣環境柱距受拉表面20 mm處混凝土的氯離子質量分數.可以看出，持續荷載比例相同時，海水干濕柱受拉混凝土的氯離子質量分數遠高于大氣環境柱.表6給出了兩者的氯離子質量分數比值，即海水干濕柱的氯離子質量分數是大氣環境柱的3.3倍以上.圖8(b)給出了40 mm處混凝土的氯離子質量分數比較.由圖8(b)可見，無持續荷載時海水干濕柱與大氣環境柱的氯離子質量分數基本相同;隨著持續荷載比例增加，海水干濕柱的氯離子質量分數增加，而大氣環境柱的氯離子質量分數大體相同.由表6可見，無論在20 mm還是40 mm深處，持續偏壓荷載耦合海水干濕循環作用后，海水干濕柱與大氣環境柱氯離子質量分數的比值均在3.0倍以上;說明持續偏壓荷載耦合海水干濕循環作用時的氯離子質量分數增幅大于持續荷載單獨作用(即相同持續荷載比例的大氣環境柱).

低周反復加載試驗完成后，除去保護層，可以看到柱試件中鋼筋的銹蝕狀態.試件Z1～Z4的縱筋和箍筋均無銹蝕，僅海水干濕柱Z5和Z6的受拉一側的箍筋出現銹蝕.如圖9所示，試件Z5的箍筋出現輕微銹蝕，試件Z6的箍筋銹蝕程度較重.可見，持續受拉應力耦合海水干濕循環加速了鋼筋的銹蝕.

圖9 不同持續荷載比例海水干濕柱受拉側箍筋銹蝕狀態

3 結 論

1)當柱頂水平荷載與持續偏壓荷載產生的截面應力分布同向時，海水干濕柱和大氣環境柱的屈服荷載、峰值荷載和延性均隨持續荷載比例提高而降低;反之，變化規律不明顯.

2)持續偏壓荷載作用下，海水干濕柱和大氣環境柱的滯回曲線均隨持續荷載比例提高而呈現不對稱性，其中，海水干濕柱的不對稱性更加顯著.

3)當柱頂水平荷載與持續偏壓荷載產生的截面應力分布同向時，海水干濕柱的峰值荷載和耗能能力均小于相同持續荷載比例的大氣環境柱;持續荷載比例為0.35時，海水干濕柱的峰值荷載和耗能能力分別比大氣環境柱低11%和43%.

4)持續偏壓荷載耦合海水干濕循環作用后，距受拉表面20 mm和40 mm深處，受拉混凝土的氯離子質量分數是持續偏壓荷載單獨作用(即大氣環境柱)的3倍以上.可見，持續偏壓荷載耦合海水干濕循環作用加速了氯離子的滲透，進而會影響RC結構的使用壽命.

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