钢筋混凝土构件在杂散电流和氯盐腐蚀下的疲劳性能及失效规律研究

刘成奎 ，张晨 ，王建军 ，刘生福 ，安生霞

（1.青海省建筑建材科学研究院有限责任公司，青海 西宁 810008；2.青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，青海 西宁 810008）

0 引言

钢筋混凝土材料是目前最理想的建筑与交通工程材料，然而服役环境的复杂性和钢筋混凝土构件发挥功能形式的特殊性，对钢筋混凝土构件的耐久性能提出了巨大的考验。在轨道交通工程中，钢筋混凝土构件常常受到疲劳荷载、静荷载、氯盐腐蚀、硫酸盐腐蚀、碳化作用、AAR、杂散电流等单因素或多因素的破坏。目前，学者们通过不同试验方法对钢筋混凝土在杂散电流、氯离子腐蚀作用下疲劳损伤规律进行了研究[1-2]，并取得了一些成果。西宁盆地地下埋藏了年代久远的硫酸盐、氯盐盐湖，地下水土对钢筋混凝土结构存在严重的耐久性影响。本研究根据西宁盆地地下氯盐环境特点及轨道交通工程中杂散电流和疲劳荷载对混凝土构件的影响，试制了西宁轨道交通工程中常用的4种混凝土配合比；在实验室内配制氯盐，模拟杂散电流和疲劳荷载，分析和研究了钢筋混凝土在杂散电流、氯盐腐蚀和疲劳荷载耦合作用下其力学行为和失效规律，对今后西宁轨道交通工程混凝土耐久性及服役机理具有重要意义。

1 混凝土配合比设计

1.1 试验用原材料

水泥：祁连山水泥有限公司产，混凝土强度等级为C30时采用P·O42.5水泥，28 d抗压强度48.3 MPa；混凝土强度等级为C50～C60时采用P·Ⅱ52.5水泥，28d抗压强度57.1MPa。粉煤灰：青海桥头铝电股份有限公司的Ⅰ级粉煤灰，细度9.0%。矿渣：西宁特殊钢股份有限公司生产的S95矿渣，比表面积430 m2/kg。硅灰：青海蓝天环保科技有限公司生产，SiO2含量90.51%，比表面积26200m2/kg。砂：河砂，细度模数2.65。石子：花岗岩碎石，最大粒径20 mm，表观密度2780 kg/m3，堆积密度1530 kg/m3，连续级配。阻锈剂：亚硝酸钙型，含固量30%。减水剂：西宁杨建生产的标准型（HWR-S）高效减水剂。引气剂：西卡（中国）有限公司生产。水：自来水。

试验用钢筋为HPB235φ6.5，其抗拉强度Rm=391 MPa，下屈服强度ReL=565 MPa，酒泉钢铁（集团）有限责任公司生产。

试验用氯盐中主要成分为NaCl，含量为208.98 g/L[3]。

1.2 配合比设计方法

根据课题组前期研究基础和技术论证，本次研究中共制定了 4 种混凝土配合比，即 Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z，“a”表示混凝土中添加了引气剂，“z”表示混凝土中添加了阻锈剂[3]。

依照工程项目研究方案，本次混凝土设计方法按照水胶比+用水量控制设计，设计原理根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行。4种混凝土配合比见表1。

表1 4种混凝土的配合比 kg/m3

2 耦合作用试验

2.1 试验试件设计

本研究试制了钢筋混凝土小梁作为试验用混凝土试件，尺寸为85 mm×100 mm×500 mm，钢筋混凝土配筋及尺寸如图1所示。

图1 钢筋混凝土试件尺寸及配筋示意

2.2 杂散电流及卤水腐蚀试验方法

试验时，每个配合比混凝土制定了4种工况的耦合作用形式。A工况：抗弯疲劳+无腐蚀+无电流；B工况：抗弯疲劳+无腐蚀+杂散电流；C工况：抗弯疲劳+有腐蚀+无电流；D工况：抗弯疲劳+有腐蚀+杂散电流。其中无腐蚀环境为水环境，有腐蚀环境为氯盐环境。

杂散电流模拟试验采用PS-605D型直流可调电压电源，通电电压30 V，通过每个试件的电流为60 mA，钢筋接“正极”用铜导线引出，混凝土介质内埋入导线接“负极”。设定杂散电流在水和氯盐环境中耦合作用时间为7 d，试验现场如图2所示。

图2 杂散电流、环境腐蚀和疲劳试验现场

2.3 疲劳荷载试验方法

本试验采用疲劳机疲劳荷载频率为0.43 Hz，试件受压面居中疲劳荷载，跨距为350 mm，试验时首先测试Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z钢筋混凝土小梁试件标准养护后的最大弯芯荷载MO。然后规定4个疲劳荷载级值，分别为：0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO，每个配合比钢筋混凝土试件制作6根小梁，其中2根作为备用试件。疲劳试验结束后记录预定疲劳荷载Fy、实际峰值Fs及疲劳次数N1（具体试验数据略列）。疲劳荷载试验以钢筋混凝土小梁受拉面初裂为标志停止试验。

初裂试验完毕后，对试件进行极限疲劳荷载试验，即按照以上方法对已经初裂的试件进行同级别疲劳荷载试验，直到裂缝宽度达到1.50 mm为止，记录极限疲劳荷载Fs′和疲劳次数N2（具体试验数据略列）。

需要说明的是，由于课题组采购的疲劳试验设备所限，尚不能满足杂散电流、氯盐腐蚀、疲劳荷载同时进行的条件，因此采用了“间歇耦合”的试验方法，即：先进行杂散电流与氯盐腐蚀耦合作用试验，然后进行疲劳试验的方法。

3 试验结果与分析

根据实际测试得到了 Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z钢筋混凝土小梁试件分别在 0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO级疲劳荷载下的疲劳寿命次数N1和极限疲劳寿命次数N2，并绘制出4种配合比混凝土构件在耦合作用下初裂疲劳和极限疲劳试验S－N曲线，如图3～图6所示。然后利用疲劳（S－N）曲线方程计算出Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z配合比钢筋混凝土小梁试件在杂散电流、氯盐腐蚀和疲劳荷载的耦合作用下，在0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO级疲劳荷载下的疲劳寿命与疲劳折减强度系数，计算结果如表2所示。

图3 Ca30混凝土构件疲劳试验S－N曲线

图4 Ca50混凝土构件疲劳试验S－N曲线

图5 Ca50z混凝土构件疲劳试验S－N曲线

表2 混凝土在耦合因素作用下的疲劳寿命与疲劳折减强度系数

图6 Ca60z混凝土构件疲劳试验S-N曲线

通过以上试验和结果得出以下结论：

（1）除Ca30在“弯曲疲劳+化学腐蚀”作用下的疲劳方程外，其余所有混凝土在弯曲疲劳、氯盐腐蚀与杂散电流及其耦合因素作用下，其疲劳方程符合单对数疲劳S-N曲线。

（2）Ca30在“弯曲疲劳+氯盐”腐蚀作用下的疲劳方程符合折线型的单对数疲劳S-N曲线，因此在图3中有C1、C2两种疲劳S-N曲线形式。

（3）混凝土强度等级越高，其在弯曲疲劳、氯盐腐蚀与杂散电流及其耦合因素作用下的疲劳寿命越长。

（4）掺加阻锈剂能够显著提高混凝土在弯曲疲劳、氯盐腐蚀与杂散电流及其耦合因素作用下的疲劳寿命。

（5）Ca50z混凝土具有较强的抗弯曲疲劳与杂散电流的双因素耦合作用破坏的能力，对应于100万次和200万次循环的疲劳折减强度系数分别为0.27和0.20，适合于轨道交通的高架桥梁式结构构件；而Ca60z混凝土具有更强的抗弯曲疲劳、氯盐腐蚀与杂散电流的多因素耦合作用破坏的能力，对应于100万次和200万次循环的疲劳折减强度系数分别为0.37和0.33，适合于轨道交通的地下隧道管片或衬砌结构构件。

（6）Ca30混凝土在弯曲疲劳、氯盐腐蚀与杂散电流及其耦合因素作用下的抗疲劳能力很差。对于西宁轨道交通工程的主要混凝土结构，混凝土的抗压强度等级要求不低于Ca50，并且必须掺加防止钢筋锈蚀的阻锈剂。

4 结语

通过模拟试验的方法，针对西宁轨道交通工程混凝土结构服役特点，研究了钢筋混凝土构件在疲劳荷载、杂散电流、氯盐腐蚀等耦合作用下的疲劳性能失效规律，并得出了相关结论。对西宁轨道交通工程中钢筋混凝土结构耐久性的提升和钢筋混凝土结构服役寿命模型的建立具有较为重要理论的指导意义。同时，该研究成果不仅在西宁轨道交通工程中直接应用，在我国西部其他省份类似环境地区的地铁、轻轨、铁路和公路桥梁等工程中也具有一定的参考价值。

在今后的研究中，应从结合工程实际运营、增加耦合作用因素及耦合作用形式、完善和细化试验研究内容等方面提升研究，为今后在类似工程中提高钢筋混凝土结构耐久性提供理论支撑。