力与氯盐侵蚀耦合作用下TRC叠合梁的力学性能退化研究

吴 庆,谢 贺,荀 勇

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院, 镇江 212003) (2.盐城工学院 土木工程学院, 盐城 224051)

混凝土结构在自然环境的长期作用下,会发生复杂的物理及化学变化,造成结构的各项性能逐渐降低,特别是在海洋等氯盐侵蚀环境,结构构件的力学性能退化更为严重．早期人们把过多的精力放在提高混凝土结构的强度上,忽视了对其耐久性的重视,因而造成的工程灾害不胜枚举．

织物增强混凝土(textile reinforced concrete,TRC)是土木工程学科与现代纺织工业交织的伟大创举,是一种结合了短切纤维增强混凝土和普通钢筋混凝土二者优点的复合材料[1-2],所用的纤维材料(如耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维)本身具有一定的耐腐蚀性,应用于结构中可有效提高其耐久性．

随着建筑工业化的不断推进,织物增强混凝土永久性模板(TRC-Sip-F)应运而生．TRC-Sip-F与现浇混凝土结合制成叠合构件,一方面,永久性模板对内部现浇混凝土可以起到保护作用,增强其耐久性；另一方面,永久性模板作为结构体的一部分参与结构受力,从而提高了结构的力学性能．TRC材料已有钢筋混凝土结构抗弯加固方面的实际运用[3].因此,研究织物增强混凝土叠合构件的耐久性显得尤为必要．

然而,目前大部分的研究主要存在于织物网与现浇钢筋混凝土结构形式上的研究,氯盐侵蚀钢筋引起的结构破坏危害极大[4]，涉及到这一块耐久性方面的研究还比较少，故文中主要从钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的机理出发,研究因持荷方式、锈蚀率大小、溶液浓度的不同对TRC叠合梁力学性能的影响．

1 试验

1.1 纤维织物网

本试验所用的纤维织物网是用相互垂直的碳纤维束和耐碱玻璃纤维束编制而成的二纬缝编织物,如图1．其网格间距为12.5 mm×12.5 mm,所用的两种纤维束复丝无任何扭曲,碳纤维束直插入耐碱玻璃纤维束中,再在正交点处用细线反复缝合,保证了纤维织物网的稳定性．

图1 纤维织物网Fig.1 Fiber network

1.2 高性能混凝土

本试验所用的U型TRC永久性模板基体是一种具有高流动性、不离析的自密实性高性能细骨料混凝土,可以与纤维织物网很好的粘合在一起,减小了制作难度．设计抗压强度为50 MPa,28 d实测强度为55 MPa．其配合比如表1[5].

表1 高性能混凝土配合比Table 1 High-performance concrete mix

1.3 试件的设计与制作

1.3.1 U型TRC-Sip梁模制作

根据实际试件尺寸,制作厚度为25 mm的U型TRC-Sip梁模,由于纤维织物网质地柔软难以平整地置于梁模之中,故把两层织物网用细线绑扎于U型的304不锈钢菱形网两侧形成织物网——钢板网联合体系,随后置入木模之中,菱形钢板网定位于梁模厚度的中部位置,采用铺网——注浆法一次浇筑成型,具体方法为先在木模板底部浇筑一层混凝土作为保护层厚度,压实并抹平,随后铺设一层织物网,再浇筑一层混凝土,压实并抹平,以此类推．总共铺设四层织物网,U型TRC-Sip梁模的厚度控制在25 mm．

1.3.2 叠合梁的设计与制作

在叠合构件的制作中,新老混凝土界面之间的粘合力一直是需要重视的问题,常用的处理方法有表面凿毛以及植筋的方法,本试验采用在新老混凝土交界面涂拌环氧树脂的方法加强界面粘合力．待上述的U型TRC-Sip梁模经过28 d养护成型后,在其内表面涂满新拌环氧树脂,随后立即浇筑内部钢筋混凝土,形成叠合构件(图2)．

图2 试件截面尺寸和配筋(单位：mm)Fig.2 Sectional dimensions of specimenand configuration of steel(unit：mm)

TRC叠合梁试件如图2,试件设计尺寸为b×h=150 mm×250 mm,跨度l=1 500 mm,净跨l0=1 200 mm．纵向受拉钢筋为两根直径为10 mm的HRB335钢筋,箍筋为φ6的HPB300钢筋,箍筋间距s=60 mm,为便于观察弯曲裂缝,试件中部设400 mm纯弯段．U型TRC模板内混凝土为C30,28 d实测强度为C35,保护层厚度为25 mm．普通RC梁的设计尺寸和配筋与TRC叠合梁试件相同．

1.4 试件参数

本文试验研究了不同NaCl溶液浓度、不同锈蚀率、是否持荷的影响,试件参数如表2．

表2 试验梁分组Table 2 Text beam group

1.5 试验方法

试验共制作了7根梁,其中5根TRC叠合梁,2根普通RC梁．持荷方式采用重力加载,梁内钢筋锈蚀采用电化学侵蚀法．首先将梁放入特制的水槽内,随后将整体置于重力加载设备之上,重力大小为16 kN,约为TRC叠合梁开裂荷载的0.3倍．如图3．将梁内钢筋引出的通电导线与直流电源相连,梁顶跨中放置百分表用于测量电化学侵蚀跨中挠度的变化,加入所需溶液,定期测量挠度变化值．

图3 重力加载装置Fig.3 Gravity loading device

1.6 加载方式及测试内容

采用四点弯曲试验，试验方法参照文献[6-7],纯弯段长度为400 mm,加载设备采用30T机械千斤顶手动加载,荷载由反力架与千斤顶之间的力传感器控制．加载方式为分级加载,在梁出现弯曲裂缝前以5 kN为一级,随后以10 kN为一级进行加载．钢筋应变及混凝土应变数据由东华DH3816N静态应变测试系统自动采集．加载及测点布置如图4．

图4 加载示意图(单位：mm)Fig.4 Sketch of load(unit：mm)

待所有试验梁弯曲破坏后,对其破型取出纵向受拉钢筋进行实际锈蚀率的测试,测试方法为每根锈蚀钢筋截取5段10cm的小钢筋,经过仔细打磨除锈,通过计算钢筋锈蚀前后的质量差得出实际锈蚀率,并取平均值．

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态及裂缝发展

整个试验过程中,梁的破坏形态主要分为两种：(1) 普通RC梁呈现出明显的适筋梁破坏形态,钢筋屈服随后上部混凝土被压碎．(2) TRC叠合梁均为钢筋屈服(在下面的承载力分析中具体说明了通过比较钢筋应变数值判断钢筋已经屈服),随后底部织物网被拉断．TRC叠合梁与普通RC梁相比,在破坏形态方面具有明显的优势．后者裂缝数量较多,裂缝间距较短,主裂缝的宽度也较细,总体呈现“细而密”的特点．如图5破坏时,由于钢筋的锈胀作用,侧面新老混凝土界面出现局部分离现象,但底部未发现分离、空鼓的现象,U型TRC梁模与内部后浇混凝土结构依然保持良好的整体性．普通RC梁裂缝数量较少,裂缝间距较大,主裂缝宽度较大,如图6．

图5 TRC叠合梁裂缝发展情况Fig.5 Crack development of TRC composite beam

图6 普通梁裂缝发展情况Fig.6 Crack development of general beam

2.2 承载力分析

试件的承载力试验结果汇总于表3．钢筋应变的采集使用DH3816N数据采集仪,通过比较钢筋应变的数值涨幅情况可以确定试件梁的屈服荷载．从表中数据可以看出,使用了U型TRC梁模的叠合构件相比于普通钢筋混凝土构件,其屈服荷载和极限荷载均有了大幅度的提升．U型TRC梁模与内部现浇钢筋混凝土共同受力,使其加载之初的开裂荷载均明显滞后于普通现浇钢筋混凝土．为了加速钢筋锈蚀速率,试验中采用电化学侵蚀法使直流电源与梁内钢筋相连,在控制锈蚀率的过程中,虽然试验实际测量得到的钢筋锈蚀率与理论计算值存在一定偏差,但也足以反映一定的试验规律．比较L1、L2、L6与L7可以得出,普通现浇钢筋混凝土梁与U型TRC叠合梁在相同锈蚀条件下,其屈服荷载分别下降了25%和15.4%,其极限荷载下降了15.7%和9.4%,这主要是因为梁内钢筋在受到锈蚀损伤后,钢筋与混凝土协同工作能力下降,但

U型TRC叠合梁是由TRC梁模与内部现浇钢筋混凝土共同受力,钢筋达到屈服强度后主要表现为TRC梁模内的织物网抵抗荷载作用．从表中亦可以看出,在相同锈蚀条件下,TRC叠合梁内钢筋实测锈蚀率略小于普通现浇梁,TRC梁模对氯离子的渗透起到了一定的阻滞作用,降低了氯离子对于钢筋锈蚀的“催化”作用．

比较L2、L3、L4与L5可以看出不同因素对于TRC叠合梁的力学性能退化影响．L2、L3、L5的屈服荷载较未锈蚀TRC叠合梁分别下降了15.4%、19.2%、7.7%,极限荷载下降了9.4%、12.5%、9.4%,溶液浓度越高,穿透TRC梁模的氯离子数量越多,造成的钢筋锈蚀率越大．L3试件由于试验外部环境问题,通电时的电流偏大,造成未持荷状态下的叠合梁内钢筋实测锈蚀率偏大．而对于L4试件,由于较小的锈蚀率使梁内钢筋锈胀作用更加明显,增强了混凝土对钢筋的握裹力,因此其屈服荷载和极限荷载均有小幅度提升．

表3 试验梁结果汇总Table 3 Summary of test beam results

注:Pcr、Pu和Pu′分别代表试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载

2.3 荷载—跨中挠度 荷载—钢筋应变分析

试验梁的荷载—挠度曲线以及荷载—钢筋应变曲线如图7、8．

图7 试验梁的荷载—挠度曲线Fig.7 Load-deflection curves of test beam

自开始加载至达到开裂荷载前,试验梁的跨中挠度以及钢筋应变趋势基本相同．随着荷载的不断增大,特别是在钢筋达到屈服强度以后,由于有U型TRC梁模的存在,织物网分担了大部分的荷载作用,TRC叠合梁体现出较好的控制变形能力．综合比较各影响因素,在同一级别荷载作用下,钢筋锈蚀率越大,跨中挠度发展越迅速,钢筋应变越大．而L4试件由于锈蚀率较小,梁内钢筋的锈胀作用间接增强了梁的整体刚度,体现出更优的控制变形能力．

图8 试验梁的荷载—钢筋应变曲线Fig.8 Load-strain curves of test beam

2.4 试验梁截面应变分析

经试验验证,普通钢筋混凝土梁与TRC叠合梁均能满足平截面假定,以L2和L7举例说明,如图9,10．

从试件加载到破坏,在各级荷载作用下,试件的截面沿梁高近似呈线性分布,基本可认定试件在加载过程中符合平截面假定．

图9 L2梁的截面应变分布Fig.9 Distribution of L2 beam section strain

图10 L7梁的截面应变分布Fig.10 Distribution of L7 beam section strain

3 锈蚀TRC叠合梁的正截面承载力分析

3.1 正截面承载力计算的相关假定

基于锈蚀钢筋造成的结构性能退化影响,立足于TRC叠合梁在未锈蚀状态下的计算特点,进而得到锈蚀状态下的TRC叠合梁的理论分析方法．在计算之前,需明确以下假定:

(1) 截面保持平面,即平截面假定．

(2) 不考虑混凝土的抗拉强度．

(3) 钢筋应力—应变关系,混凝土应力—应变关系满足GB50010—2002《混凝土结构设计规范》中的相关规定:

σc=fc[1-(1-εc/ε0)n]εc<ε0

(1)

σc=fcε0<εc<εcu

(2)

3.2 锈蚀钢筋混凝土梁的破坏特性分析

计算锈蚀状态下TRC叠合梁的承载力是一个极为复杂的过程,主要应该从两个方面去考虑叠合梁的承载力退化:一是钢筋截面的损失以及蚀坑的影响；二是由于钢筋锈蚀造成的钢筋与混凝土之间的粘结能力的退化．锈蚀钢筋的屈服强度和弹性模量可用如下公式计算[8]:

屈服强度:

0<ρ≤5%时,fyx=(1-0.029ρ)fy

(3)

ρ≥5%时,fyx=(1.175-0.064ρ)fy

(4)

弹性模量:

0<ρ≤5%时,Esx=(1-0.052ρ)Es

(5)

ρ≥5%时,Esx=(0.895-0.031ρ)Es

(6)

在此通过纵向受拉钢筋等效截面面积来考虑钢筋截面损失和黏结性能两种因素的影响[9]:

(7)

式中:Ay,se为纵向受拉钢筋的等效截面面积；Asi为第i根受拉钢筋未锈蚀时的截面面积;ksi为第i根受拉钢筋协同工作系数．

考虑黏结性能的退化影响,根据经验公式[10]可得:

ksi=-0.272 2ω+1.043 8

(8)

式中：εsi为第i根受拉钢筋截面面积的减少系数．

将钢筋的锈蚀情况化简为沿钢筋圆周方向均匀锈蚀,按锈蚀率进行换算可得:

εsi=1-ρi

(9)

3.3 TRC叠合梁经锈蚀后的抗弯承载力计算

TRC叠合梁的承载力计算简图如图11[11-14]．

图11 正截面承载力计算简图Fig.11 Calculation model of theflexural carrying capacity

虽然在制作U型TRC叠合梁时使用了不锈钢板网,但由于其对抗弯承载力增强较小,可忽略不计．在受压状态下,受压区混凝土距中和轴y处的应变为:

(10)

式中:εu为梁顶混凝土应变．

受压区混凝土所受总合力F为:

(11)

混凝土受压区合力F到中和轴的距离yc为:

(12)

由计算简图之间的几何关系可得:

(13)

将x=β1xc代入(13)可得碳纤维应变εcf:

(14)

碳纤维应力fcf为:

(15)

式中:fcf为碳纤维织物的受拉应力;fcfu为碳纤维织物极限抗拉强度;β1为混凝土受压区高度与中和轴的比值;h1为U型永久性模板板底厚度．

由平衡条件可得:

(16)

M=∑σsiAy,se(h0i-yc)+∑fcfiAcfi(hcfi-yc)

(17)

式中:σsi为第i层钢筋的应力;Ay,se为经过换算过的锈蚀钢筋截面积;h0i为第i层钢筋的有效高度;Acfi为第i层纤维的截面积;hcfi为第i层纤维的有效高度；fcfi为第i层纤维的应力.

经过简化可得:

α1fcbx=fyxAy,se+fcfAcf

(18)

(19)

3.4 试验验证

运用文中所给出的锈蚀后TRC叠合梁抗弯承载力计算公式对本试验中的TRC叠合梁的承载力进行计算,并与试验值进行对比,试验值与计算值结果较为吻合，见表1．

表4 TRC锈蚀梁试验值与理论值对比Table 4 TRC corroded beams Comparison ofexperimental value and theoretical value

4 结论

(1) 经锈蚀后的TRC叠合梁相比于普通现浇钢筋混凝土梁,裂缝发展有明显的滞后性,其屈服荷载、极限荷载退化较小．

(2) 同一锈蚀条件下的TRC叠合梁和普通梁相比,钢筋锈蚀率明显降低．说明U型TRC梁模对氯离子的渗入起到了阻滞作用,延缓了内部钢筋的锈蚀．

(3) 钢筋锈蚀率对TRC叠合梁的承载力退化影响较大．钢筋锈蚀率越大,溶液浓度越高,TRC叠合梁承载力下降幅度越大．

(4) 较小的钢筋锈蚀率使TRC叠合梁的锈胀作用更加明显,增加了混凝土对钢筋的握裹力,其屈服荷载和极限荷载略有提升．

(5) 本文给出的锈蚀状态下的TRC叠合梁受弯承载力计算公式较为准确,计算值与试验值吻合程度较好．

产后抑郁症（postpartum depression，PPD）是指产褥期女性出现明显的抑郁症状，与产后精神病、心绪不宁均属于产褥期精神综合征，其发病率在15%搭配30%之间[1]。通常表现为自责、焦虑、悲伤、沮丧等，进一步发展会导致不同程度处事能力丧失、无法履行母亲义务等等，严重的还会有自杀倾向。现阶段对PPD诱发因素还没有形成系统的解释，普遍认为是由心理、社会及遗传等多种因素造成的。本次研究采用藏医霍尔麦疗法对PPD进行治疗，获得了较好的效果。现报告如下。

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