酸雨侵蚀弯曲型破坏钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

2021-11-25郑山锁陈嘉晨郑淏张驰尚志刚

中南大学学报（自然科学版） 2021年10期

郑山锁，陈嘉晨，郑淏，张驰，尚志刚

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安，710055；2.西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西西安，710055；3.火箭军工程大学作战保障学院，陕西西安，710025；4.陕西建工第五建设集团有限公司，陕西西安，710032）

随着工业化进程加快，大量酸性污染物被排放到空气中，与大气降水融合后形成酸雨[1-2]。有关研究表明[3]，钢筋混凝土结构在遭受酸雨侵蚀后，会加快混凝土劣化与钢筋锈蚀过程，使得钢筋混凝土结构整体承载力下降，进而威胁结构安全。因此，探讨酸雨对于钢筋混凝土结构性能的影响是十分必要的。

目前，针对混凝土材料本身受酸雨侵蚀后的性能退化研究比较成熟。OKOCHI 等[4-5]使用不同pH的模拟酸雨溶液对混凝土试件进行了腐蚀试验，结果表明不同pH的模拟酸雨溶液会对酸性物质在混凝土内部的扩散速度产生影响。张英姿等[6-8]通过模拟酸雨环境对混凝土受酸雨侵蚀后的弹性模量、抗压性能、抗拉性能进行了研究。范颖芳等[9]通过对比多种腐蚀方式，分析了酸沉降环境下钢筋混凝土梁受弯性能的劣化机理。GUAN等[10]研究了酸雨侵蚀下不同轴压比的钢筋混凝土框架节点抗震性能的退化规律。目前，人们对受酸雨侵蚀弯曲型破坏钢筋混凝土柱的相关试验研究报道较少。鉴于此，本文作者采用人工气候环境法模拟酸雨环境，对4 榀剪跨比为5 的RC 柱进行加速腐蚀试验，试验完成后对其进行拟静力试验，分析不同腐蚀程度下RC柱的抗震性能（包括承载能力、刚度、延性、耗能等）退化规律，研究成果可为酸雨环境下在役RC 结构的抗震性能评估提供试验依据。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验设计并制作4 个几何尺寸与配筋形式均相同的RC 柱试件，试件剪跨比λ为5。采用固定在混凝土基础上的悬臂式试件，混凝土保护层厚度为10 mm，轴压比为0.3，纵向钢筋对称布置，纵筋（HRB335）和箍筋（HPB300）直径分别为16 mm和6 mm。试件几何尺寸与配筋形式如图1所示。

图1 试件几何尺寸与配筋Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

本试验混凝土强度等级为C40，其中水泥采用P.O 42.5R 级普通硅酸盐水泥，通过力学性能试验与测试，得到混凝土立方体抗压强度为45.30 MPa，弹性模量为3.25×104MPa。试验中采用2 种不同规格的钢筋，通过力学性能试验与测试，A6 钢筋（HPB300）的屈服强度为305 MPa，抗拉强度为440 MPa，弹性模量为2.1×105MPa；B16 钢筋（HRB335）的屈服强度为373 MPa，抗拉强度为537 MPa，弹性模量为2.0×105MPa。

1.2 酸雨环境模拟试验

近年来，人工气候环境法逐渐应用于钢筋混凝土结构的耐久性试验研究[11-14]。本文采用ZHT/W2300 型气候模拟实验室对试件进行酸雨环境模拟试验。

试件养护结束后，将其转移至气候模拟实验室进行酸雨环境模拟试验。采用周期喷淋腐蚀方案，腐蚀方案如图2所示。模拟酸雨溶液的配制方案参考我国气象资料[1]以及文献[15-16]确定。首先在自来水中添加硫酸钠，直至溶液中的硫酸根离子浓度达到0.06 mol/L，之后添加硝酸，将模拟酸雨溶液的pH调节为3.0。

图2 腐蚀方案示意图Fig.2 Schematic diagram of corrosion scheme

各试件的设计腐蚀循环次数见表1，其中试件C-1作为对比试件，未进行腐蚀试验。

表1 试件设计参数Table 1 Design parameters of specimens

1.3 加载制度

拟静力试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室完成。试验采用悬臂式加载方式，加载装置如图3所示。加载方案包括恒定竖向荷载与水平往复荷载2个部分。其中恒定竖向荷载由液压千斤顶施加，水平往复荷载由电液伺服作动器施加，荷载和位移通过MTS 加载系统的传感器实时记录。

图3 加载装置示意图Fig.3 Setup for loading tests

试验时先施加竖向荷载至设定值，竖向荷载值按照轴压比0.3确定，并在试验过程中保持竖向荷载不变，之后，采用位移控制方法对试件施加水平往复荷载，试验加载制度见表2。当剩余承载力降为峰值承载力的85%，停止加载。

表2 试验加载制度Table 2 Loading protocol of experiments

2 酸雨环境模拟试验现象

2.1 酸雨腐蚀机理

混凝土在酸雨环境中产生腐蚀破坏主要取决于2个因素[17]：外部环境介质与酸雨。外部环境中的介质主要是指CO2，其从混凝土材料表层的裂缝中扩散，CO2融合水介质后形成碳酸，碳酸再与水泥水化作用的产物（氢氧化钙、水化硅酸钙等）发生化学反应，形成碳酸盐的过程，反应式如下：

酸雨对混凝土的侵蚀主要由H+和SO2-4作用[3]。其中H+与混凝土表层的碱性物质发生中和反应而对混凝土产生酸性破坏。此外，H+侵蚀打破了混凝土内部各组成成分的碱平衡，加速硅酸盐的分解过程，从而降低混凝土强度，反应式如下：

酸雨溶液中的硫酸盐与水泥水化产物（氢氧化钙、水化铝酸钙等）发生化学反应生成CaSO4·2H2O和钙矾石等膨胀性产物，由于膨胀性产物比原反应物体积更大，其在混凝土的孔隙不断堆积，混凝土微结构密实度不断增大。当孔隙被填充满时，混凝土产生内部应力，其表面出现明显裂缝，进而引起混凝土的开裂破坏，反应式如下：

混凝土在经受上述腐蚀作用后，产生腐蚀孔洞，孔隙率增加，混凝土力学性能劣化。同时，碱性环境受酸雨影响发生中性化，致使钢筋表面钝化膜被破坏，钢筋发生锈蚀，钢筋强度降低，进而导致钢筋混凝土整体结构的承载力下降。

2.2 外观损伤

酸雨环境模拟试验进程完成后，试件的外观损伤状况如图4所示。从图4可以看出：随着腐蚀循环次数增加，试件外观损伤逐渐加剧。具体表现为：经历240次腐蚀的试件C-2表面形成少量白色的针状晶体，局部泛黄，并出现蜂窝状孔洞；经历360次腐蚀的试件C-3，表面孔洞和砂粒更多，棱柱角处出现轻微损坏；经历480 次腐蚀的试件C-4表面可见大量孔洞、粗骨料外露，棱角处混凝土疏松。

图4 试件的外观损伤Fig.4 Surfaces damage of specimens

2.3 钢筋锈蚀率

为了获得试件中钢筋实际的锈蚀率，拟静力试验结束后将纵筋和箍筋从试件中取出。经过除锈、清洗、干燥和称质量，测量钢筋相对于未腐蚀状态的质量损失，根据下式计算纵筋和箍筋的实际平均锈蚀率：

式中：η为钢筋的锈蚀率；m0为预留未腐蚀钢筋的单位长度质量；m1为除锈后钢筋的单位长度质量。

不同腐蚀程度下钢筋的锈蚀率测量结果见表1。

3 拟静力试验结果与分析

3.1 试验现象

RC 柱试件在低周往复荷载作用下主要发生弯曲型破坏，即加载过程中纵筋出现屈服，之后混凝土达到极限压应变被压碎破坏。试件最终裂缝与破坏形态如图5所示。典型试验现象与破坏过程叙述如下：在加载过程中，首先在柱底部受拉区出现水平弯曲裂缝；随着水平加载位移增加，水平弯曲裂缝越来越多，同时柱底部开始出现斜裂缝；当纵筋接近屈服时，一些微小的竖向受压裂缝逐渐从柱底棱角处发展；随着水平加载位移的继续增加，现有的裂缝继续发展并持续变宽，试件水平承载力达到峰值，柱底保护层混凝土开始压碎、剥落；此后，混凝土压碎、剥落面积持续扩大。当试件剩余承载力降为峰值承载力的85%时，认为试件已经破坏，停止加载。

图5 试件破坏形态Fig.5 Failure status of specimens

各试件在低周往复荷载作用下的破坏形态相似，但由于腐蚀程度不同，其破坏发展的速度和程度有所差异。由于存在初始腐蚀微裂缝，在加载过程中，随着腐蚀程度加重，试件的受力裂缝提前出现，且此后裂缝发展的速度和范围增大，保护层混凝土破损面积加大，试件破坏程度明显增加。

3.2 滞回曲线

滞回曲线是构件在低周往复荷载作用下水平荷载（P）随着位移（Δ）变化的全过程曲线，各试件的荷载-位移滞回曲线如图6所示。从图6可以得到如下结论：

图6 试件滞回曲线Fig.6 Hysteretic curves of specimens

1）各试件的滞回曲线具有共性。初始加载时，试件处于弹性阶段，荷载与位移呈线性关系，加载与卸载路径基本重合，滞回环面积接近于0。随着水平加载位移增加，荷载-位移曲线的斜率开始降低，刚度逐渐降低，卸载结束后开始出现残余变形，滞回环面积增加，试件耗散能量的能量增大，试件进入弹塑性阶段。纵向钢筋屈服后，滞后环变得越来越大、越来越宽，卸载后的残余变形增大；当水平荷载达到峰值后，强度和刚度降低越来越明显。该现象同样出现于每级位移加载的加载次数从1逐步增加到3的过程中。

2）对于遭受不同程度腐蚀的试件，随着腐蚀程度加重，滞回曲线的捏缩现象更加明显，同一加载位移水平下的滞回曲线丰满程度降低，面积减少；水平荷载达到峰值后下降较快，与极限荷载对应的极限位移明显减小，刚度降低加剧。结果表明，腐蚀程度越高，低周往复荷载作用下RC柱的强度衰减速率有所增大，延性和耗能性能越差。

3.3 骨架曲线及特征值

构件的骨架曲线为其滞回曲线开始卸载点的包络线，图7所示为各试件的骨架曲线。从图7可以看出：在低周往复荷载作用下，试件的骨架曲线不完全对称，其原因是存在钢筋锈蚀的离散性、施工的初始误差以及加载过程中细微裂缝的不对称性。水平加载位移达到屈服位移之前，骨架曲线近似呈线性变化；水平加载位移达到屈服位移之后，骨架曲线出现弯曲，表明试件的刚度降低；水平加载位移达到峰值位移之后，骨架曲线逐渐降低，试件的承载能力和刚度随着加载位移增加而降低。

图7 试件骨架曲线Fig.7 Skeleton curves of specimens

表3所示为各试件的骨架曲线特征值，其中骨架曲线的等效屈服点通过能量等值法[18]确定，试件的变形能力通过位移延性系数μ（μ为极限位移与屈服位移的比值）评价[19]。结合图7和表3可知：遭受不同程度腐蚀试件的骨架曲线及其特征值有所差异，具体叙述如下。

经受不同程度腐蚀试件骨架曲线的初始斜率变化不大。随着腐蚀程度增加，骨架曲线的下降阶段变得越来越陡，总体上，腐蚀程度较大试件的骨架曲线在腐蚀程度较小试件的骨架曲线下方。此外，随着腐蚀程度增加，试件的屈服、峰值荷载逐渐降低，其中，与未腐蚀试件C-1相比，经历480 次腐蚀循环C-4 的屈服、极限荷载分别降低16.11%和17.84%。同时，试件的特征位移均随腐蚀程度增加而减小，当腐蚀程度从0次增加至480次时，试件的峰值位移从15.41 mm降低为14.66 mm，极限位移从41.67 mm 降低为33.65 mm；各试件的位移延性系数均大于5，表明其均为延性破坏，同时，与位移特征类似，位移延性系数亦与腐蚀程度呈负相关，当腐蚀程度从0 次增加至480 次时，试件的位移延性系数由5.84减少至5.12。表明酸雨腐蚀对RC柱的承载力与变形能力均有较大影响。

将表3中腐蚀试件C-2，C-3和C-4各特征点的荷载与位移分别除以未腐蚀试件C-1对应特征点的荷载与位移，得到相应修正系数。以纵筋锈蚀率ηs为横坐标，相应修正系数为纵坐标，通过Origin软件拟合得到各特征点的荷载与位移的修正系数计算公式及拟合优度，见式（11）～（16）。

表3 骨架曲线特征值及位移延性系数Table 3 Main seismic behavior parameters and displacement ductility ratios of specimens

1）屈服荷载与对应位移：

2）峰值荷载与对应位移：

3）极限荷载与对应位移：

式中：ηs为RC 柱的纵筋锈蚀率；Pi和Δi分别为未腐蚀RC 柱骨架曲线各特征点i的荷载与位移；Pid和Δid分别为腐蚀RC 柱骨架曲线各特征点i的荷载与位移；R2为拟合优度。

3.4 刚度退化

构件的刚度是评价其抗震性能的重要指标之一。本文采用割线刚度代表试件每级加载过程中的刚度，计算公式为

式中：Ki为第i级加载试件的割线刚度；Pi为试件骨架曲线上第i级加载的水平荷载；Δi为第i级加载的水平位移，“+”表示正向加载，“-”表示负向加载。基于拟静力试验结果，根据式（17）计算出各试件每级加载的割线刚度，见图8。

图8 试件刚度退化曲线Fig.8 Stiffness degradation curves of specimens

加载初期，各试件刚度较大。随着水平加载位移的增加，试件内部微裂缝逐步发展，刚度逐渐减小，下降程度较大，柱中裂缝逐步扩展并增多；超过极限位移后，试件的刚度退化曲线并趋向平缓。

对比经受不同程度腐蚀试件的刚度退化曲线，各试件初始刚度接近。随着腐蚀程度增加，刚度退化速率不断加快，尤其是经历480次腐蚀循环的试件C-4，其刚度退化率远比其他试件的大。其原因是RC柱中混凝土与钢筋力学性能逐渐退化，且酸雨腐蚀导致的混凝土与钢筋黏结性能下降。

3.5 耗能性能

通过拟静力试验得到的滞回环所包围面积可以反映构件在低周往复荷载作用下所耗散的能量，客观表征构件滞回耗能。本文采用累积耗能Esum[20]对试件的滞回耗能性能进行量化与分析。累积耗能是试件在低周往复加载过程中所耗散的总能量。试件累积耗能（E）与加载循环次数（n）的关系如图9所示。

图9 试件累积耗能曲线Fig.9 Cumulative dissipation energy curves of specimens

由图9可知：随着加载循环次数增加，各试件的累积耗能单调增大；各试件的累积耗能在峰值位移之前差别较小，之后，腐蚀试件的累积耗能相比未腐蚀试件的累积耗能有较大幅度降低，其中，经历240，360 和480 次腐蚀循环后，试件累积耗能较未腐蚀试件分别降低14.13%，18.69%和24.82%（往复加载次数为33次）。