持续荷载与锈蚀作用下RC梁力学性能试验研究

左 驰， 张梦光， 汪思维， 曾 妮

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

持续荷载与锈蚀作用下RC梁力学性能试验研究

左 驰， 张梦光， 汪思维， 曾 妮

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

采用更符合实际环境的干湿循环条件下通电加速锈蚀的方法,对不同持续荷载以及加卸载作用下的钢筋混凝土梁进行比较试验，研究钢筋混凝土梁在持续荷载和锈蚀耦合作用下的力学性能。试验结果表明:持续荷载与锈蚀共同作用下，荷载的大小与纵向钢筋锈蚀程度成正相关；钢筋混凝土简支梁的极限承载力随着持续荷载的增加而降低；同时，持续荷载水平越大，梁刚度下降速度愈快。

混凝土梁； 持续荷载； 剩余承载力； 钢筋锈蚀

在影响混凝土结构耐久性的因素中，钢筋锈蚀己成为导致混凝土结构耐久性失效的主要原因[1-2]。由于混凝土结构的自身材料和使用环境的特点，其不可避免地需要长期暴露在恶劣的腐蚀环境中。尤其是对于长期处于荷载和氯盐侵蚀双重作用下的沿海地区混凝土结构而言，其通常是带裂缝状态下服役，氯离子会沿着裂缝进入混凝土内部腐蚀钢筋，这些混凝土结构往往会过早发生破坏。然而，目前对持续荷载和锈蚀共同作用下钢筋混凝土梁的试验研究尚处于起步阶段，早前对钢筋锈蚀的研究多是对不受荷载作用的试件采用电化学加速锈蚀的方法，模拟自然环境混凝土中钢筋的锈蚀，然后进行其锈蚀作用后的性能研究[3-6]。因此开展持续荷载和锈蚀共同作用下的相关力学性能的研究，进而来指导混凝土结构的耐久性设计和安全性评估具有重大的经济效益和社会意义。本文通过对不同持续荷载作用的钢筋混凝土梁在干湿循环条件下通电加速锈蚀试验，开展了更符合实际环境作用下的钢筋混凝土梁的力学性能研究。

1 试验材料及试件设计

1.1 试验材料

水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，砂为天然河砂，粗骨料为最大骨料粒径不超过31.5 mm的碎石；减水剂选用的是SH-高效聚羧酸减水剂。混凝土设计强度等级C30，坍落度为160～180 mm。每立方米混凝土的各材料用量如下：水灰比0.50，水170，水泥190，砂750，石1100，减水剂0.034。

1.2 试件设计

本试验制作了5根钢筋混凝土梁试件，分别标记为L-0、L-1、L-2、L-3、L-4(L-0：参考梁，实验梁L-1、L-2、L-3分别表示持续荷载为极限荷载的0%、30%、60%，L-4表示荷载为60%的加载卸载锈蚀梁)。所用尺寸均为150 mm×200 mm×1500 mm，混凝土保护层厚度为25 mm，纵向受拉钢筋为2C14，两端均竖向弯起50 mm，架立筋为2C10，箍筋采用6∅@100。同时，在箍筋与受拉纵筋相接触处缠绕绝缘胶布，避免电流强度的损失。试验梁尺寸及配筋见图1。

图 1 梁的截面尺寸及配筋示意图(mm)

2 锈蚀与加载试验方法

2.1 锈蚀方案

锈蚀方案由于实际生活当中钢筋的锈蚀属于一种非均匀性锈蚀，故而本试验采用更能与真实情况相契合的干湿循环通电加速锈蚀方案。首先在梁底从下往上依次包裹保水塑料布、吸水海绵、不锈钢丝网并绑扎固定，之后将质量分数为5%NaCl溶液导入保水塑料布内，使得吸水海绵充分浸湿24 h，然后将预留在受拉纵筋上的导线与DH1718E-3型双路跟踪稳压稳流电源的阳极相连，而不锈钢网片则与其阴极相接，开始通电加速锈蚀。由于混凝土内部本身的不均匀性，所以造成钢筋表面氯离子也不均匀，这样也就可以模拟实际环境中钢筋的不均匀锈蚀。本试验采用干3 d湿4 d的循环方案进行干湿处理，每根试验梁进行6个循环周期(共计42天)后结束干湿循环试验。加速锈蚀方案见图2。图2混凝土梁加速锈蚀方案。

图 2 混凝土梁加速锈蚀方案

2.2 加载方案

加载方案本试验采用两集中力对称加载，通过对参考梁的静载试验得到其极限承载力Pu，然后根据极限荷载的0、30%、60%的荷载水平进行持续加载，持续加载时间根据钢筋锈蚀率达到10%所需时间确定。纯弯段长度设置为500 mm，支座到自由端为150 mm。梁的两端支座及跨中，加载点底部各布置1个百分表,以测量梁的跨中挠度。试验加载装置见图3。

图 3 加载装置设备图

3 试验结果分析

3.1 理论与实测纵筋锈蚀率

分别用法拉第定律和破型实测方法确定梁中纵向受拉钢筋的理论和实际锈蚀(锈蚀前后质量损失率)，结果见表1。

表1 理论计算和实测纵筋锈蚀率 %

由表1可以看出，理论方法计算所得出的锈蚀率与实测锈蚀率有所差别，实测值比理论计算值低。持续荷载作用下的梁以及加载卸载梁钢筋的锈蚀率较之未加荷载梁钢筋的锈蚀率大，而且施加的荷载与钢筋的锈蚀率成正比例关系。究其原因有:1)持续荷载作用对混凝土造成损伤，使受拉区混凝土出现细小的微裂缝;2)持续荷载的作用使裂缝一直处于张开状态;3)持续荷载使水泥浆体和骨料界面受到损伤。综合来说，以上几个方面原因都增强了氯盐溶液的渗透性，加快了锈蚀速度，荷载作用越大，锈蚀越快。

3.2 荷载-挠度曲线图

持续荷载作用下加速锈蚀试验结束后，对钢筋混凝土梁进行静力荷载试验，可得到混凝土梁跨中挠度随荷载的发展变化。荷载-挠度曲线见图4。

图 4 荷载-挠度曲线

从图4可以看出，未加载试验梁L-1的荷载-挠度曲线与参考梁L-0呈现基本一致的趋势，但是由于钢筋锈蚀作用，试验梁极限承载力有所降低。加载之后卸载梁L-4，由于裂缝产生“自闭合”的现象，其荷载-挠度曲线也与未锈蚀梁L-0的趋势基本相同。而对于L-2、L-3梁而言，在加载的前期阶段，其刚度变化较之于未加载锈蚀梁以及加载卸载锈蚀梁刚度变化小。究其原因是由于梁在加载的过程当中，在弯曲荷载的作用下跨中部位产生弯曲裂缝，钢筋的锈蚀会降低钢筋与混凝土之间的粘接性能，在钢筋屈服前的不断加载过程中，拉应力很大程度上由预先产生裂缝处的钢筋承担，不能有效地传递给混凝土，导致梁底产生的裂缝较少，刚度变化相对较少。通过对L-2与L-3进行对比发现，后者在屈服前刚度变化比前者刚度变化小。由此可说明施加持续荷载越大，屈服前刚度越大。这是由于持续荷载水平越大，受拉区混凝土的裂缝开展至纵向钢筋，梁内钢筋与混凝土的粘结性能退化越严重，拉应力基本上完全由裂缝处的钢筋承担。

3.3 钢筋混凝土梁的抗弯承载力分析

表2为承载力试验结果和试验结束后用称量法得到的钢筋锈蚀率。由表2可知，以参考梁L-0为基准，通电锈蚀后梁的极限承载力都有不同程度的降低，具体而言,L-4的极限承载力降低到91%，L-1的极限承载力降低到96% ，L-2的极限承载力降低到88%，L-3的极限承载力降低到85%。将承载能力和钢筋的实测锈蚀率对比发现：梁的锈蚀程度与极限承载力成反相关。这主要是因为钢筋的锈蚀使得钢筋与混凝土的粘结性能发生退化而产生的。对预加载后卸载锈蚀的梁L-4，与持续荷载作用下的锈蚀梁相比，其极限承载力降低程度明显较小。分析结果表明，钢筋混凝土梁所承受持续荷载越大，纵向受拉钢筋锈蚀程度越大，混凝土梁极限承载力降低幅度也就越大。

表2 锈蚀梁承载力试验结果

3.4 锈蚀钢筋混凝土梁延性性能分析

采用位移延性系数反映梁的延性性能，位移延性系数由下式表示[7]：

式中:μφ为位移延性系数,Δμ为极限位移,Δy为屈服位移。通过承载力试验确定不同持续荷载和锈蚀作用下的混凝土梁位移延性系数，并将锈蚀梁位移延性系数降低幅度与未锈蚀梁的位移延性系数比值定义为延性降低系数δ，试验结果见表3。

表3 试验梁位移延性系数

从表3中可以看出，钢筋混凝土梁锈蚀之后，其位移延性降低系数都有一定程度的增大。对于L-1和L-4，位移延性降低系数相对较小，分别为0.11、0.18；而相较于L-1和L-4而言的钢筋混凝土梁L-2和L-3，其位移延性降低系数δ就要大很多。由此可知，钢筋的锈蚀会造成混凝土结构屈服强度的降低和耐久性损伤，从而导致钢筋混凝土梁位移延性降低系数增大，而且持续荷载越大位移延性降低系数越大，从而钢筋混凝土构件的延性越小，构件的安全储备也随之降低，脆性破坏特征也就越发明显。

4 结论

1)高水平持续荷载不仅会增大钢筋的锈蚀率，而且还会导致梁的刚度和极限承载力降低程度也相应增大，由此可见，持续荷载对梁劣化性能有着很大的促进作用，严重影响其结构使用耐久性能，使得混凝土结构过早地发生破坏。

2)在加载的到达屈服强度之前，持续加载作用下刚度变化比未加载锈蚀梁以及加载卸载锈蚀梁刚度变化小。这主要是由于梁在持续受力的过程当中，跨中部位产生弯曲裂缝，而同时钢筋的锈蚀会降低钢筋与混凝土之间的粘接性能，其拉应力很大程度上由产生裂缝处的钢筋承担，不能有效地传递给混凝土，导致梁底产生的裂缝较少，刚度变化相对较少。

3)钢筋锈蚀和荷载作用导致屈服强度的下降和混凝土劣化，双重影响将导致钢筋混凝土梁位移延性系数降低，施加持续荷载越大，其位移延性系数降低幅度越快，且梁构件逐步由延性破坏转为弯曲粘接撕裂破坏。

4)试验证明了持续荷载与锈蚀共同作用会导致钢筋混凝土梁的抗弯承载力明显降低，而且持续荷载越大，其下降程度也就越大。当持续荷载分别为参考梁极限承载力的0、30%、60%时，对应极限承载力依次降为参考梁的96%、88%、85%，而60%加载卸载梁降低为参考梁的91%。

[1] 金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性 [M]. 北京：科学出版社，2012.

[2] 陈肇元. 土建结构工程的安全性与耐久性[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] 张克波，张建仁，王磊．锈蚀对钢筋强度影响试验研究[J]．公路交通科技，2010，27 (12)：59-66.

[4] 曾志兴，宋小雷. 锈蚀钢筋混凝土梁静承载力性能试验[J]. 华侨大学学报(自然科学版),2011,32(1) :92-95.

[5] 何世钦,王海超,贡金鑫. 荷载与锈蚀共同作用下钢筋混凝土梁抗弯试验研究[J]. 水力发电学报,2007(6):46-51.

[6] 金伟良,王毅. 持续荷载与氯盐作用下钢筋混凝土梁力学性能试验[J]. 浙江大学学报(工学版),2014(2):221-227.

[7] 赵国藩.高等钢筋混凝土结构学[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[责任编校： 张岩芳]

Mechanics Behaviors of Reinforced Concrete Beams under Sustained Load and Corrosion

ZUO Chi,ZHANG Meng-guang, WANG Si-wei, ZENG Ni

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

This paper adopts the method of power-to-accelerate-steel-corrosion test under the Cycle of Dry and Wet to do a comparative trial of various sustain loads and loading-unloading reinforced concrete beam. On this basis ,this study focuses on the mechanical properties of reinforced concrete beams under continuous loading and corrosion coupling interaction. Experiment results show that under the combined action of continuous load and corrosion, the magnitude of the load is positively correlated with the degree of longitudinal reinforcement rusting and the ultimate strength of reinforced concrete simple support beams decreases with the increase of the sustained load. Simultaneously, the greater the continuous load is, the faster the rigidity of the beam declines.

reinforced concrete beam；sustained load；residual capacity；Steel corrosion

2016-05-18

左 驰(1991-)， 男，湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为钢筋混凝土耐久性

1003-4684(2017)02-0092-03

TU375.1

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