疲劳荷载下无砟轨道混凝土中氯离子传输研究

2021-07-02任娟娟邓世杰

西南交通大学学报 2021年3期

任娟娟，杜威，邓世杰，凤翔

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031；4.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510220）

钢筋混凝土结构除在海洋环境中受到氯盐侵蚀外，近海和部分内陆地区的混凝土结构也同样会遭受氯离子的威胁.海水在相互撞击和风力作用下逐渐形成大气盐核，当大气盐核运动至海岸以外的地方时，造成附近的混凝土结构处于盐雾环境区域中[1]，沿海的高速铁路，包括温福铁路、广珠铁路、甬台温铁路、海南环岛高铁等均会遭受氯离子的侵蚀作用.混凝土作为构筑无砟轨道结构的主要材料，暴露于大气环境中，长期经受盐雾和氯盐环境的作用，加上列车荷载的反复作用导致混凝土内部产生细、微观损伤，增加了氯离子传输通道，致使氯离子对混凝土的侵蚀加快[2].

氯离子侵蚀是钢筋混凝土结构衰变的元凶，而氯离子引起钢筋锈蚀在很大程度上取决于环境介质在混凝土中的传输机制，因此正确认识环境介质在混凝土中的传输机制，对钢筋混凝土结构的长期服役特性的监控及预测具有重要意义.

针对疲劳荷载下氯离子传输规律问题，目前国内外学者已做了大量理论分析和试验研究.Yoon等[3]对混凝土梁采用四点法进行弯曲疲劳荷载加载，试验发现弯曲荷载使得钢筋加速锈蚀，且当荷载应力增大时，钢筋混凝土结构的耐久性显著下降；Castel等[4]将弯曲荷载作用下的混凝土试件置于氯盐环境中，14 a后检测受拉区混凝土中的氯离子侵蚀情况，试验发现混凝土受拉区域的侵蚀深度比无应力区域的侵蚀深度大40%左右；Ahn等[5]在近海区域研究对比了疲劳荷载下与静力作用下混凝土中氯离子侵蚀情况，试验发现疲劳荷载下的结构耐久性比静力下的耐久性降低严重，结构也出现了更多的微裂缝；Samaha等[6]针对不同压应力水平作用下的圆柱体混凝土，评估了微裂纹对混凝土中氯离子传输性能的影响；Satio等[7]采用AASHTO试验方法研究了承受静态和反复压载荷的普通混凝土氯离子渗透性；李炜等[8]针对混凝土棱柱体进行0.5和0.7两种应力水平下的轴向压缩疲劳加载试验，获得了混凝土疲劳损伤量与氯离子扩散系数间的变化关系；孙伟等[9]针对混凝土损伤的第二阶段，研究了疲劳荷载与氯离子的协同作用对高性能混凝土耐久性的影响；苏林王等[10]利用研制的海洋环境与动荷载耦合试验设备，对混凝土梁试件进行了试验研究，结果表明，在加载频率一定时，荷载应力水平越大，相同深度下的氯离子含量越大；於德美[11]基于混凝土中氯离子的传输机制，建立了合理的疲劳荷载下氯离子传输模型，探究了荷载大小、加载频率等因素对氯离子在混凝土中传输影响；柳磊等[12]利用自主设计的加载装置，探究了混凝土在疲劳压缩荷载和氯离子侵蚀的耦合作用下氯离子的分布规律；王丹等[13]通过试验模拟钢筋混凝土梁在沿海地区的真实工作条件，在先后对钢筋混凝土梁试件进行疲劳荷载加载和海水干湿循环后，分析了氯离子在混凝土中的扩散系数；段一鸣[14]针对盐雾区的预应力铁路桥箱梁，利用ANSYS自带的疲劳分析模块和热-结构耦合模块，建立了疲劳荷载与氯离子传递系数之间的关系.

由上述国内外研究可知，目前关于疲劳荷载下混凝土中氯传输研究大多采用顺序耦合，将荷载与氯溶液侵蚀分开施加，其结果与实际情况存在一定的区别，为此本文建立了结构力学场与氯离子传输场的两场耦合模型，实现了疲劳荷载与氯溶液侵蚀同步耦合，能更加真实的反映混凝土内部氯离子的传输规律.此外，上述文献也少有根据无砟轨道的受力特点进行设计，由于列车运行速度快，其作用的疲劳荷载频率高于目前的试验.因此为了防范无砟轨道结构遭受氯离子侵蚀的潜在危害，研究列车疲劳荷载作用下无砟轨道混凝土中氯离子的传输规律是十分有必要的.

1 疲劳荷载下混凝土中氯离子传输试验

现有研究表明[15-17]，在疲劳荷载作用下，混凝土中氯离子迁移受荷载大小及加载方式的影响较大.混凝土结构在疲劳荷载作用下，其内部损伤不断累积，微裂缝数量增多，致使混凝土的耐久性能下降.以混凝土为主要组成材料的无砟轨道结构长期经受的列车荷载具有频率高和随机性等特性，疲劳荷载下的无砟轨道混凝土的抗氯离子渗透性能成为影响轨道服役特性的重要因素之一[18].因此，本文从无砟轨道轨道板自身的受力特点出发，针对混凝土试件设计了弯曲疲劳加载试验，分析不同加载频率及应力水平对氯离子传输性能的影响.

1.1 混凝土抗压强度及抗折强度测试

轨道板作为无砟轨道的重要组成部分，其耐久性对铁路线路的运营影响较大，故研究列车荷载下轨道板中氯离子的传输规律是必要的.本试验依据实际运营条件下无砟轨道轨道板的强度等级（主要为C60）进行混凝土试件配制.

试验共浇筑了两种尺寸的混凝土试件，其中棱柱体试件（100 mm × 100 mm × 400 mm）用于混凝土抗折强度测试和氯离子扩散试验，立方体试件（边长为100 mm）用来进行抗压强度测试.混凝土抗压强度测试采用NYL-2000D压力试验机，测试过程如图1所示；混凝土棱柱体抗折试验采用WE-300D液压式万能试验机，测试过程如图2所示.

图2 混凝土棱柱体抗折试验Fig.2 Flexural test of concrete prism

测试获得用于疲劳荷载下混凝土中氯离子传输试验的混凝土试件的极限抗折强度为7.46 MPa，立方体抗压强度为69.2 MPa.根据试件的极限抗折强度大小，由GBT 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》可计算极限荷载为29.30 kN.

1.2 混凝土疲劳加载试验

混凝土试件的疲劳加载采用MTS拉扭试验机，并将 100 mm × 100 mm × 400 mm 的混凝土棱柱体试件置于氯化钠溶液中，由于本次试验周期较短，可适当增加溶液浓度，以此加速氯离子在混凝土中的扩散，故选取氯化钠溶液浓度为10%.采用三点集中力法对混凝土试件进行加载，如图3所示.

图3 疲劳荷载下混凝土中氯离子传输试验Fig.3 Chloride ion transport test in concrete under fatigue loading

在混凝土试件完成为期2 d的疲劳加载后，对试件进行钻孔粉样，按照水溶性氯离子测定方法[19]，获取混凝土侵蚀面在不同深度处的氯离子质量分数（氯离子与混凝土的质量之比）.

列车荷载频率与列车行驶速度、转向架固定轴距有关，可由式（1）计算.

式中：f为列车荷载频率；v为行车速度；l为转向架固定轴距.

作者所在团队于2014年—2016年在遂渝线的现场调研发现，遂渝线客车的运行速度大多在120～180 km/h，货车速度在 60～90 km/h.客车、货车的转向架固定轴距分别取 2.5、1.8 m，代入式（1）可得客车、货车荷载作用频率分别为13.3～20.0 Hz、9.2～13.9 Hz.考虑到试验设备的最大加载频率，故试验中选取荷载频率分别为10、15、20 Hz.

疲劳荷载应力水平的选取则基于应力等效原理，将客货车荷载转化为试验过程中试件受到的实际荷载值，分别取0.3、0.5和0.7[20].根据以上选取的荷载频率与应力水平，共确定了5种试验工况，分别模拟不同的车型，如表1所示.

表1 试验模拟工况Tab.1 Test simulation conditions

2 基于Fick第二定律的氯离子传输理论模型

氯离子在混凝土中不仅存在扩散、对流、毛细吸附和渗透等多种传输形式，还受温度、裂缝以及混凝土水灰比等多种因素的影响，其传输机理十分复杂.尽管如此，扩散仍是氯离子在混凝土中主要的传输机理.因此，本文采用Fick第二定律模拟混凝土中氯离子的扩散过程，如式（2）所示.

式中：C为氯离子含量；DCl为氯离子扩散系数，如式（3）；t为浸泡时间；x为氯离子的扩散距离（x向）.

式中：Dref为基体的氯离子扩散系数；f1(t)为时间t修正函数；f2(T)为温度T修正函数；f3(S)为相对湿度S修正函数；f4(r)为试件冻融损伤r修正函数；f5(λ)为氯离子结合能力λ 的修正系数；f6(σ)为试件应力σ和开裂状态修正函数；f7(f)为疲劳荷载频率f修正系数.

Bentz等[21]基于氯离子扩散试验，验证了混凝土基体的孔隙率与氯离子扩散有着直接关系，并测定出两者之间的关系，如式（4）.

式中：Dr为氯离子在溶液中的自由扩散系数，取2×10−9m2/s；ϕ 为混凝土基体的孔隙率；u为heaviside函数，当ϕ ≤ ϕth时，u=0，而当ϕ ＞ ϕth时，u=1，ϕth为常数，根据试验数据可取为0.18.

f7(f)是描述疲劳荷载下氯离子扩散的重要环节，也是疲劳荷载下混凝土中氯离子传输模型求解的关键参数.本文基于疲劳荷载下混凝土氯离子传输试验求得不同加载频率下的氯离子扩散系数变化规律，如图4所示.

由图4可知：当a=0.3时，随着f的增大，氯离子扩散系数逐渐增大；假定荷载频率处于0～10 Hz和15～20 Hz范围内，氯离子扩散系数均与加载频率呈线性正相关，在10～15 Hz范围内保持不变.基于此，可拟合得到疲劳荷载频率修正系数f7(f)关于加载频率f的分段函数为

图4 不同加载频率下氯离子扩散系数（a=0.3）Fig.4 Chloride diffusion coefficient at different loading frequency (a=0.3)

3 疲劳荷载下混凝土中氯离子传输规律

为验证上文提出的疲劳荷载下混凝土中氯离子传输理论模型的正确性，本节将该理论模型应用于COMSOL软件，建立两场耦合有限元模型，并与第1节获得的试验数据进行对比，验证模型的合理性，在此基础上分析混凝土中氯离子在疲劳荷载与氯溶液侵蚀耦合作用下的传输规律.

3.1 两场耦合有限元模型

在COMSOL中，采用固体力学模块（描述荷载作用）与稀物质传递模块（描述混凝土中的氯离子传输）同步耦合模拟疲劳荷载下氯离子在混凝土中的扩散行为.混凝土试件的加载形式与浓度边界设置如图5.

图5 加载形式与浓度边界设置Fig.5 Load form and concentration boundary setting

利用COMSOL中的固体力学模块建立结构力学场，设置与疲劳加载试验相同的材料属性、边界载荷、约束形式等相关条件，试件的具体力学参数见表2.

表2 COMSOL中试件的力学参数Tab.2 Mechanical parameters of the specimen in COMSOL

模型中支座及加载头均与混凝土试件采用粘结处理，计算时共选取3个加载工况，荷载以均布荷载的形式施加于加载头上，大小分别为极限荷载的30%、50%及70%，对应应力比分别为0.3、0.5和0.7，计算得到3组应力比下的体积应变ε.通过式（6）建立混凝土试件ε 与ϕ 之间的关系，再将式（6）代入式（4），建立固体力学场与稀物质传递场的关系.

式中：ϕ0为混凝土初始孔隙率.

氯离子浓度边界设置在混凝土试件的底面，其余5个面均无氯离子通量，模型计算所用参数见表3.

表3 扩散模型相关参数Tab.3 Parameters of diffusion model

3.2 疲劳荷载下混凝土氯离子含量分布规律

由于试验选取混凝土跨中截面作为标准截面，并测定出氯离子含量分布，故模型中亦取此截面作为对照，3种应力比下氯离子含量分布如图6.

图6 不同应力比下跨中截面氯离子含量分布Fig.6 Distribution of chloride ion concentration in the mid-span section under different stress levels

由图6可知：混凝土内部氯离子扩散深度随疲劳荷载的应力比增大而增加.当混凝土试件放置于10%的氯化钠溶液2 d，同时受到应力比分别为0.3、0.5和0.7的疲劳荷载作用时，氯离子扩散深度分别约为7、11、16 mm.将弯曲荷载作用下由氯离子扩散理论模型计算的跨中截面氯离子含量与试验值进行对比，如图7所示.

图7 不同应力比下模型计算值与试验值对比Fig.7 Comparison of calculated and experimental values under different stress levels

由图7可以看出：模型计算值与试验值基本吻合，基于孔隙率、体积应变与氯离子扩散系数相互关系建立的氯离子传输模型较为合理，可用于进一步的计算.当疲劳荷载的应力比增大时，氯离子的扩散深度与扩散程度均相应增加.

由于试验中溶液浸泡时间仅为2 d，相对较短，为观察更长时间下疲劳荷载对氯离子扩散的影响，本节基于上述建立的两场耦合有限元模型，考虑到表面氯离子质量分数可采用指数型模型C1=C(1−e−λt)描述其时变规律[22]，λ =0.03.故侵蚀时间为10、15、20、25、30 d 对应的表面氯离子质量分数分别为0.006 5、0.009 1、0.011 3、0.013 2和0.014 9.计算得到不同荷载应力比、不同侵蚀时间下氯离子含量沿混凝土深度的变化规律如图8所示.

图8 不同应力比与侵蚀时间下氯离子含量变化Fig.8 Changes in chloride ion concentration under different stress levels and erosion times

由图8可以发现，氯离子扩散深度、同一深度处氯离子质量分数均随侵蚀时间和应力比的增加而增加，不同应力比和侵蚀时间下的氯离子扩散深度变化规律见图9.

图9 混凝土中氯离子扩散深度变化规律Fig.9 Variation of chloride erosion depth in concrete

从图9（a）可知：在不同的氯离子溶液侵蚀时间下，混凝土中氯离子扩散深度均随荷载应力比大致呈线性增长的趋势，这主要是因为荷载增大时，混凝土内部损伤加剧，氯离子传输通道增多，导致氯离子的进一步扩散，但增长速率相差不大.由图9（b）可知：在不同的荷载应力比下，氯离子扩散深度均随侵蚀时间的增大而增大，采用一元二次多项式拟合可较好地描述扩散深度与侵蚀时间的关系.从拟合曲线还可以得到，当荷载应力比为0.3时，氯离子扩散深度的增长速率随侵蚀时间的增大而不断减小，但应力比为0.5、0.7时，随着侵蚀时间的增大，氯离子扩散深度的增长速率不断增大，且应力比0.7的增长速率较应力比0.5的大，可见荷载应力比的大小对氯离子扩散深度的增长快慢有较大影响.