Experimental Study of RC Flexural Beams Under Sustained Damage Load and Seawater Spraying Dry-Wet Cycles
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摘要:
为了解决沿海地区正常使用工作状态下承受较大持续荷载钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）梁的力学性能劣化问题，通过实验室模拟经历180 d大气环境+180 d海水喷淋干湿循环（简称Ⅰ腐蚀）或180 d海水喷淋干湿循环+180 d大气环境（简称Ⅱ腐蚀）后，由静力加载试验测试RC梁试件力学性能劣化规律.试验结果，RC梁试件在不同持续荷载和一定腐蚀环境共同作用下，随着持续荷载增大其屈服荷载Py、极限荷载Pm和延性系数u降幅变大.Ⅱ腐蚀梁试件的Py、Pm和u降幅大于Ⅰ腐蚀梁试件的Py、Pm和u降幅.梁试件的抗弯刚度随着持续荷载增大而降低.试验结果表明较大持续荷载与一定腐蚀环境共同作用对RC梁力学性能劣化影响明显.
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关键词:
- 海水喷淋干湿循环 /
- 持续荷载 /
- 钢筋混凝土(RC)梁 /
- 力学性能劣化 /
- 耐久性
Abstract:In order to solve the problem of deterioration of mechanical properties of reinforced concrete (RC) beam in coastal zoneunder normal working condition of the larger load, the mechanical behavior deterioration of RC beam specimens was investigated by static loading test, after they experienced 180 d atmospheric environment and 180 d seawater spraying dry-wet cycle (Simplified by Ⅰ corrosion); or they experienced 180 d seawater spraying dry-wet cycles and180d atmospheric environment (Simplified by Ⅱ corrosion) by the laboratory simulation. Test results yielded load Py, limited load Pm, and ductility factor u of them decreased when the beam specimens were acted on by sustained damage load in Ⅰ corrosion (or Ⅱ corrosion); and Py Pm and u decreased more with the sustained damage load increasing; the decrease of Py Pm and u for the beam specimens in Ⅱ corrosion were greater than those of Py Pm and u for the beam specimens in Ⅰ corrosion. The flexural stiffness of the beam specimens became smaller with the increase of the sustained damage load. The experimental results show that the effect on the mechanical properties of RC beams is obvious form the larger sustained damage load and certain corrosive environment.
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钢筋混凝土(reinforced concrete，RC)结构在服役过程中可能会承受不同幅值的短期或长期荷载，产生不同程度荷载损伤.沿海地区RC结构不仅承受荷载作用同时还遭受环境氯离子侵蚀或大气环境的作用，使得RC结构耐久性大大降低.现有国内外关于荷载和海洋环境(或大气环境)共同作用下RC结构耐久性研究主要为：1)电化学钢筋锈蚀和混凝土材料抵抗氯离子渗透方面的研究；2)多从混凝土材料性能方面研究裂缝宽度与氯离子扩散以及钢筋锈蚀之间关系. Malumbela等[1]试验了不同持续荷载水平作用下混凝土开裂与钢筋腐蚀等级，结果为混凝土开裂与裂缝整体状态有关，钢筋腐蚀质量损伤1%时引起0.04 mm开裂裂缝.朱方之等[2]试验了在短期拉、压荷载作用损伤后混凝土抗氯离子侵蚀、抗冻性能，结果为混凝土在受拉荷载作用下其耐久性持续劣化，而在受压荷载作用下混凝土经历可逆、不可逆和加速劣化三劣化阶段.高丽燕等[3]利用实际海洋暴露环境试验了持续荷载作用下混凝土氯离子扩散性能，结果表明当持续荷载水平为60%时受拉区混凝土氯离子扩散系数接近没荷载作用时的2倍.姬永生等[4]试验了荷载引起横向裂缝宽度对受拉钢筋腐蚀影响，结果表明荷载引起的横向裂缝能直接提供钢筋腐蚀需要的氧气和水从而加速钢筋锈蚀. Yoon等[5]试验了不同荷载水平作用下(0~75%的极限荷载)在氯化钠溶液中电流加速腐蚀RC梁，结果表明加载历史和持续荷载水平对钢筋初始锈蚀时间和锈蚀速度影响明显. Masoud等[6]试验了在重复荷载下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced composites，CFRP)加固RC梁的氯离子侵蚀性能. Ballim等[7]和Malumbela等[8]试验了较小持续荷载水平作用下腐蚀RC梁力学性能变化. Malumbela等[9]试验了在持续荷载作用下经历干湿循环(5%的氯化钠溶液)过程后RC梁的性能改变情况，结果为在干湿循环作用下钢筋腐蚀最严重，持续荷载水平对钢筋锈蚀影响很小. Zhu等[10]试验了在服役(持续)荷载作用下暴露在氯离子侵蚀环境26 a的RC梁，结果表明持续荷载损伤和氯离子侵蚀共同作用对梁的承载力有重要影响，梁抗弯承载力受钢筋与混凝土黏结强度影响显著.较少文献研究RC结构受持续损伤荷载和氯离子侵蚀共同作用下力学性能劣化规律.沈孛等[11]试验了不同裂缝宽度RC偏压柱经海水干湿循环腐蚀后力学性能劣化，结果表明当裂缝宽度较大(大于0.10 mm)时，偏压柱力学性能下降明显.
RC梁在服役过程中承受持续荷载作用，一般带裂缝工作；荷载裂缝引起梁损伤程度与荷载大小密切相关.在正常使用阶段梁通常荷载约为0.4 Pu(Pu为参照梁承受的静力加载最大荷载)，但某些情况也会达到约0.7 Pu.故本文旨在试验研究持续荷载较大时受弯梁力学性能劣化规律.本文试验研究当持续荷载分别为0.00 Pu、0.45 Pu、0.60 Pu和0.75 Pu时，RC受弯梁试件在经历Ⅰ腐蚀(或Ⅱ腐蚀)后力学性能劣化规律，以期为RC构件耐久性设计、寿命预测提供参考.
1. 试验概况
1.1 试件材料
水泥采用中国建筑材料科学研究院的强度等级42.5普通硅酸盐水泥.粗骨料为厦门市产粒径6~14 mm玄武岩碎石.细骨料用厦门市石料厂产的中砂.水为自来水.
混凝土设计强度等级C25，水、水泥、砂、石子的配合比为0.60:1:2.15:3.50.纵向受拉钢筋、架立筋及箍筋均采用直径为6 mm HPB300级钢筋.测得钢筋的屈服强度、极限强度分别为428、493 MPa[12].
1.2 试件设计
本试验共设计了9根梁试件，其中1根为参照梁，另外8根施加持续荷载分别为0.00、0.45 Pu、0.60 Pu和0.75 Pu.试件分组、持续荷载幅值以及腐蚀类型见表 1. 9根试件几何尺寸、配筋和混凝土材料均相同.试件尺寸宽×高×长=110 mm×150 mm× 550 mm，保护层厚度25 mm.试件配筋如图 1所示.
表 1 梁试件分组、持载幅值和腐蚀类型Table 1. Beam specimen groups, holding amplitude and test corrosion environment试件编号 持载幅值 腐蚀 1-C25-B00 0.00Pu Ⅰ 1-C25-B45 0.45Pu Ⅰ 1-C25-B60 0.60Pu Ⅰ 1-C25-B75 0.75Pu Ⅰ 2-C25-B00 0.00Pu Ⅱ 2-C25-B45 0.45Pu Ⅱ 2-C25-B60 0.60Pu Ⅱ 2-C25-B75 0.75Pu Ⅱ C25参照梁 0.00 标准养护 1.3 试验方案
试验过程分3个阶段.
1.3.1 试件制作以及混凝土试块和参照梁力学性能测定阶段
试件浇筑后养护龄期28 d(带模养护1 d，拆模后室温养护27 d).试件养护龄期28 d后，测得混凝土立方体抗压强度fcu为45.3 MPa[13]；用弯曲静力加载测得参照梁C25-Bref最大承载力Pu为40.2 kN.
1.3.2 对梁试件施加持续荷载并腐蚀阶段
1) 对1组的4根梁施加持续荷载，见图 2(a)，进行Ⅰ腐蚀.
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图 2 梁施加持续荷载和喷淋系统Figure 2. Beams with sustained damage load and spraying system diagram2) 对2组的4根梁施加持续荷载，见图 2(a)，进行Ⅱ腐蚀.
海水喷淋干湿循环采用自制喷淋系统(见图 2(b))和人工海水(在自来水中加入3.5%NaCl制成).每个干湿循环持续1 d(24 h)，即用人工海水喷淋8 h，在大气环境中静置16 h.
1.3.3 试件加载测试阶段
试件完成腐蚀后，在最大量程50 t压弯试验机上测试，试验加载装置示意图如图 3所示.电子位移计量程0~30 mm.加载过程中，电子位移计接入东华DH3815N静态应变仪，加载力P与电子位移计位移通过电脑同步采集.试验过程以等速位移方式加载，加载速度为0.5 mm/min.
2. 试验结果与分析
2.1 梁的破坏
梁试件的破坏均为正截面适筋破坏.施加持续荷载为0.00Pu时，梁试件纯弯段受拉区混凝土随着荷载增加开裂，而其他梁试件纯弯段受拉区混凝土原有裂缝随着荷载增加基本没有变化.当加载至极限荷载的70%~80%时，钢筋屈服，某条裂缝突然加宽，并向上发展，最终受压区混凝土被压碎，梁发生延性破坏. 图 4给出部分试件的破坏图.
2.2 梁静载试验结果
2.2.1 荷载-挠度曲线
图 5给出2组梁试件的荷载P-挠度δ曲线.从图 5可以看出，2组梁试件经历腐蚀后，随着持续荷载增大，其承载力降低、刚度退化、延性降低.其中经历Ⅱ腐蚀的持续荷载0.75Pu梁试件刚度、延性降低最显著.
2.2.2 静载试验结果
表 2给出经历持续荷载和海水干湿循环共同作用后，梁试件弯曲静载试验结果.其中，Py为屈服荷载；Pm为极限荷载；δy为屈服荷载对应的梁跨中挠度；δu为梁跨中极限挠度，指越过极限荷载后下降至85%极限荷载时对应的挠度.从表 2可以看出，梁试件在不同持续荷载和Ⅰ(或Ⅱ)环境腐蚀作用下，随着持续荷载增大，梁试件的Py、Pm降低，延性有一定程度降低.其中经历Ⅱ腐蚀梁的δu比经历Ⅰ腐蚀梁的δu降低明显.
表 2 梁试件静力加载试验结果Table 2. Static loading test results of beam specimens试件编号 荷载 挠度 延性系数
u=δu/δy腐蚀 Py/kN Pm/kN δy/mm δu/mm 1-C25-B00 45.5 55.4 0.92 6.80 7.39 Ⅰ 1-C25-B45 43.5 51.0 0.81 5.49 6.78 Ⅰ 1-C25-B60 38.1 49.2 0.94 6.30 6.70 Ⅰ 1-C25-B75 34.1 45.8 0.96 6.03 6.28 Ⅰ 2-C25-B00 42.5 51.1 0.83 5.26 6.34 Ⅱ 2-C25-B45 40.5 51.0 0.92 5.73 6.23 Ⅱ 2-C25-B60 34.5 43.6 0.74 4.42 5.97 Ⅱ 2-C25-B75 28.5 41.7 0.89 3.54 3.98 Ⅱ 2.3 梁力学性能劣化
梁试件力学性能劣化指在荷载和环境腐蚀作用后力学性能的退化，主要表现为屈服荷载Py、极限荷载Pm、延性系数u和刚度等指标降低.
2.3.1 Py、Pm和u劣化
表 3和图 6给出每组梁试件与该组外加持续荷载为0.00Pu梁试件相比，其Py、Pm和u降幅值.由表 3和图 6可以看出：
表 3 梁试件静力加载试验结果劣化Table 3. Deterioration of static loading test results for beam specimens试件编号 ΔPy/% ΔPm/% Δu/% 腐蚀 1-C25-B00 0.00 0.00 0.00 Ⅰ 1-C25-B45 4.40 7.94 8.28 Ⅰ 1-C25-B60 16.26 11.19 9.31 Ⅰ 1-C25-B75 25.05 17.33 15.00 Ⅰ 2-C25-B00 0.00 0.00 0.00 Ⅱ 2-C25-B45 4.71 0.20 1.76 Ⅱ 2-C25-B60 18.82 14.72 5.79 Ⅱ 2-C25-B75 32.94 18.40 37.26 Ⅱ ![]()
图 6 梁试件力学性能随持续荷载幅值的降幅Figure 6. Mechanical behaviorreduction of beam specimens with sustained loading amplitude1) 随着持续荷载增大，梁试件的Py、Pm和u降幅加大.
2) 经历Ⅰ腐蚀持续荷载0.75 Pu梁试件的Py、Pm和u降幅分别达到25.05%、17.33%和15.0%.
3) 经历Ⅱ腐蚀持续荷载0.75 Pu梁试件的Py、Pm和u降幅分别达到32.94%、18.40%和37.26%.
4) Ⅱ腐蚀持续荷载0.75 Pu梁试件的Py、Pm和u降幅比Ⅰ腐蚀同持续荷载梁试件的相应降幅大，尤其是延性.可见在持续荷载与海水干湿循环共同作用下，特别是持续荷载幅值G较大时，梁试件力学性能劣化幅度需引起高度重视.
RC梁试件Py、Pm承载力劣化的主要原因为：
1) 持续荷载使受拉混凝土出现横向裂缝，裂缝数量及宽度对钢筋锈蚀都有影响.裂缝加快了氯离子的渗透，进而加快了钢筋腐蚀的发生.
2) 持续荷载破坏骨料界面与水泥浆体的初始状态，造成混凝土初始损伤，使混凝土变得较疏松，混凝土力学性能降低; 拉区混凝土在拉应力作用下密实性下降.混凝土抗渗性被削弱，钢筋锈蚀速度加快.
3) 随着持续荷载增大，梁的初始横向裂缝高度、宽度以及数量都在增加，为氯离子和水的渗透提供通道，加速混凝土的劣化.混凝土内部疏松及微裂缝的增加，降低了保护层的质量，使得氧气及水分的供给量增多，又加快了钢筋锈蚀速度.现有研究[14]表明钢筋锈蚀会引起钢筋截面面积减小、钢筋屈服强度降低、钢筋与混凝土之间黏结性能退化，会降低梁试件受弯正截面承载力.
RC梁试件延性降低主要因为：延性与钢筋混凝土黏结性能、钢筋塑性性能发展有密切关系[15-19].当钢筋锈蚀率较小时，钢筋能充分发挥强度，黏结性能退化不多甚至还有小幅提高，这对钢筋塑性性能发挥和结构延性影响不大，黏结性能退化不明显.一旦钢筋锈蚀率增大，钢筋的屈强比增大，塑性性能下降; 再加上钢筋混凝土黏结性能退化使得钢筋塑性性能不能发挥，结构的延性也就得不到充分发挥，甚至完全丧失.随着持续荷载增大，钢筋锈蚀越大，进而钢筋混凝土黏结性能退化和钢筋塑性性能发展越明显，梁试件的延性下降越厉害.
2.3.2 梁试件抗弯刚度劣化
图 7(a)(b)分别为不同持续荷载作用下经历Ⅰ和Ⅱ腐蚀后，梁试件抗弯刚度B随静力试验载荷变化情况(说明本文梁试件抗弯刚度为外加荷载与跨中挠度比值).从图 7可以看出，在持续荷载和海水喷淋干湿循环及大气环境共同作用后，梁试件抗弯刚度随持续荷载幅值增大而降幅增大.主要原因为由于持续荷载作用使梁试件产生裂缝和塑性变形，当梁试件再次加载时刚度下降；外加持续荷载水平越高，梁试件的裂缝、塑性变形越大，干湿循环及大气环境作用后再次加载梁试件的抗弯刚度下降越多.
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图 7 梁试件抗弯刚度随荷载幅值的劣化Figure 7. Bending stiffness deterioration of beam specimens with loading amplitude2.3.3 试件力学性能劣化受环境影响
图 8(a)(b)(c)分别给出经历Ⅰ和Ⅱ腐蚀环境后，梁试件的Py、Pm和u等劣化受腐蚀环境以及持续荷载幅值影响.从图 8可以看出，在持续荷载和环境腐蚀共同作用下，Ⅱ腐蚀的梁试件比Ⅰ腐蚀的梁试件，Py、Pm和u降幅大.笔者认为Ⅱ腐蚀的梁试件先经历海水喷淋干湿循环180 d，海水中氯离子较容易通过裂缝渗入混凝土内导致钢筋锈蚀，引起钢筋的屈服强度和塑性性能降低；之后即使在大气环境中静置180 d受持续荷载的作用，其钢筋通过裂缝渗透空气和水作用继续锈蚀.本项试验研究目的期望探讨腐蚀环境对RC结构构件力学性能劣化影响.
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图 8 梁试件力学性能劣化受腐蚀环境影响Figure 8. Deterioration of residual mechanical properties of beam specimens affected by corrosion environment3. 结论
1) 不同持续荷载梁试件经历腐蚀后，其Py、Pm和u均随持续荷载幅值的增加而降低.经历Ⅰ腐蚀后，持续荷载0.75Pu梁试件Py、Pm和u的降幅分别达到25.05%、17.33%和15.0%.经历Ⅱ腐蚀后，持续荷载0.75Pu梁试件Py、Pm和u的降幅分别达到32.94%、18.40%和37.26%.
2) 在持续荷载和Ⅰ(或Ⅱ)腐蚀共同作用下，随持续荷载幅值增幅越大，梁试件抗弯刚度降低越明显.
3) 梁试件经历Ⅰ或Ⅱ腐蚀，Ⅱ腐蚀的梁试件比Ⅰ腐蚀的梁试件，Py、Pm和u延性系数降幅大.
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图 2 梁施加持续荷载和喷淋系统
Figure 2. Beams with sustained damage load and spraying system diagram
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图 6 梁试件力学性能随持续荷载幅值的降幅
Figure 6. Mechanical behaviorreduction of beam specimens with sustained loading amplitude
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图 7 梁试件抗弯刚度随荷载幅值的劣化
Figure 7. Bending stiffness deterioration of beam specimens with loading amplitude
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图 8 梁试件力学性能劣化受腐蚀环境影响
Figure 8. Deterioration of residual mechanical properties of beam specimens affected by corrosion environment
表 1 梁试件分组、持载幅值和腐蚀类型
Table 1 Beam specimen groups, holding amplitude and test corrosion environment
试件编号 持载幅值 腐蚀 1-C25-B00 0.00Pu Ⅰ 1-C25-B45 0.45Pu Ⅰ 1-C25-B60 0.60Pu Ⅰ 1-C25-B75 0.75Pu Ⅰ 2-C25-B00 0.00Pu Ⅱ 2-C25-B45 0.45Pu Ⅱ 2-C25-B60 0.60Pu Ⅱ 2-C25-B75 0.75Pu Ⅱ C25参照梁 0.00 标准养护 
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表 2 梁试件静力加载试验结果
Table 2 Static loading test results of beam specimens
试件编号 荷载 挠度 延性系数
u=δu/δy腐蚀 Py/kN Pm/kN δy/mm δu/mm 1-C25-B00 45.5 55.4 0.92 6.80 7.39 Ⅰ 1-C25-B45 43.5 51.0 0.81 5.49 6.78 Ⅰ 1-C25-B60 38.1 49.2 0.94 6.30 6.70 Ⅰ 1-C25-B75 34.1 45.8 0.96 6.03 6.28 Ⅰ 2-C25-B00 42.5 51.1 0.83 5.26 6.34 Ⅱ 2-C25-B45 40.5 51.0 0.92 5.73 6.23 Ⅱ 2-C25-B60 34.5 43.6 0.74 4.42 5.97 Ⅱ 2-C25-B75 28.5 41.7 0.89 3.54 3.98 Ⅱ
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表 3 梁试件静力加载试验结果劣化
Table 3 Deterioration of static loading test results for beam specimens
试件编号 ΔPy/% ΔPm/% Δu/% 腐蚀 1-C25-B00 0.00 0.00 0.00 Ⅰ 1-C25-B45 4.40 7.94 8.28 Ⅰ 1-C25-B60 16.26 11.19 9.31 Ⅰ 1-C25-B75 25.05 17.33 15.00 Ⅰ 2-C25-B00 0.00 0.00 0.00 Ⅱ 2-C25-B45 4.71 0.20 1.76 Ⅱ 2-C25-B60 18.82 14.72 5.79 Ⅱ 2-C25-B75 32.94 18.40 37.26 Ⅱ
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百度学术
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