氯离子侵蚀下混合纤维增强钢筋混凝土损伤规律

郭 丹，沈才华，吕世明，谢 飞，魏思琦，唐 凯

(1.保利长大海外工程有限公司，广东 广州 510623；2.河海大学，岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

世界各地的结构建筑物因混凝土耐久性不足已造成了巨大的经济损失。美国侵蚀工程师协会和几个国际组织联合调查表明，1999—2001年间，美国每年花费约2 760亿美元用于侵蚀治理，其中混凝土结构侵蚀是重要组成部分。随着高性能混凝土的发展，纤维增韧混凝土[1-4]开始广泛使用，纤维混凝土的耐久性问题[5-8]也成为研究热点。姜锦磊等[9]采用干湿交替的侵蚀模拟海水环境，对PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)-钢混合纤维混凝土的弯曲韧性进行试验，结果表明侵蚀后的初裂荷载、峰值荷载和弯曲强度均有所下降。周美容等[10]针对聚丙烯纤维和碳纤维增强混凝土，采用NEL扩散试验测出氯离子扩散系数(NEL法是清华大学路新瀛在离子扩散和电迁移基础上提出的饱盐混凝土电导率试验方法，将测得的电导值通过Nernst-Einste方程计算出氯离子的渗透性)，认为混合纤维增强混凝土材料的抗弯性能、劈裂抗拉强度和耐久性能均优于单掺聚丙烯纤维、碳纤维增强混凝土，纤维的增韧效应减小微裂纹的扩展，提高氯离子渗透侵蚀的耐久性。王振山等[11-12]针对玄武岩纤维混凝土，研究置于质量分数为5%的氯化钠溶液和硫酸钠溶液下的材料耐侵蚀性及力学性能的退化，结果表明玄武岩纤维可有效抑制侵蚀裂缝的产生和发展，降低离子迁移速率，当纤维体积掺量为0.1%时，最为有利，当掺量超过0.2%后，性能反而降低。陶喆[13]研究混凝土面板在水环境中盐溶液侵蚀和冻结侵蚀作用下的损伤，发现混合纤维面板混凝土比单掺纤维面板混凝土更有利于抗盐冻侵蚀，聚丙烯-聚丙烯腈混合纤维面板混凝土的抗盐冻侵蚀性能不如含钢纤维的混合纤维面板混凝土。周兴宇[14]针对聚丙烯纤维混凝土进行了混凝土抗渗、抗冻及抗硫酸盐干湿循环试验，认为纤维的掺入能减少混凝土内部有害孔隙的含量，单掺聚丙烯细纤维对混凝土耐久性能的改善作用优于单掺聚丙烯粗纤维。

由于纤维对混凝土基质的影响非常复杂，而且与施工工艺等人为因素有关[15]，因此加大了研究的难度。混合纤维可以发挥不同纤维力学特征的过渡效应，让强度远高于混凝土的纤维发挥更好的作用，因此具有重要实用价值。本文针对PVA和UPE(ultra-high molecular weight polyethylene，超高分子聚乙烯)两种纤维的混合纤维混凝土氯离子侵蚀前后的力学性能开展试验研究，并结合数值模拟技术，预测混凝土氯离子侵蚀前后钢筋混凝土梁的弯曲承载力变化规律，为海洋环境下纤维混凝土梁结构的优化设计提供参考。

1 纤维混凝土氯离子侵蚀前后室内试验分析

1.1 试验方法和原材料

为了对比分析纤维混凝土码头梁在海洋侵蚀环境下的力学性能变化规律，通过室内增加氯离子浓度加速侵蚀的方法，侵蚀120 d，此时梁的钢筋已锈蚀，分析材料的耐侵蚀力学特性。考虑现场石子的来源太广，区别较大，因此采用现场实际拌合料，配合比见表1。其中原材料包括：海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；细度模数2.0的标准砂；5～20 mm的连续级配石子(含泥量2.4%)；常州天怡工程纤维公司生产的PVA纤维；湖南中泰特种装备有限责任公司生产的UPE；南京地区自来水；HPWR高性能减水剂(减水率26%，泌水率45%，含气量2.5%)。增强侵蚀海水采用美国材料试验协会ASTM标准的基础上增加浓度的方法，具体各化学成分含量见表2。

表1 纤维混凝土配合比

表2 试验海水的各化学成分含量

1.2 试样的力学参数试验结果分析

高浓度海水浸泡120 d后的标准化无侧限三轴压缩曲线及拟合曲线见图1，海水侵蚀前的应力应变拟合方程见表3。拟合曲线根据《混凝土结构设计规范》[6]建议的无量纲化方法：上升段采用多项式，下降段采用有理分式。

表3 混凝土浸泡前应力-应变无量纲化曲线方程

图1 混凝土试块浸泡海水后应力-应变无量纲化曲线

在高浓度海水浸泡120 d后，H0和H2混凝土力学参数试验分析值见表4。H0、H2混凝土的弹性模量分别从31.13、29.37 GPa增加到32.52、32.02 GPa。

表4 混凝土试块浸泡海水前后弹性模量

在海水中浸泡的混凝土试块的峰值压应变减小，H0和H2混凝土的峰值压应变分别从1.852‰、1.962‰减小到1.241‰、1.802‰。峰值压应变减少率分别为33.0%、8.2%，掺加纤维能降低氯离子侵蚀混凝土的峰值应变损失率，纤维能在混凝土发生大变形时提供抗拉拔力，抵消一部分荷载，因此纤维混凝土处于极限状态时比素混凝土允许产生更大的变形。

浸泡海水后，H0、H2混凝土的峰值应力分别从34.7、38.2 MPa变化到33.5、34.3 MPa，变化幅值分别为-3.5%、-10.2%，纤维混凝土的强度折减增大。

2 数值模型的构建

2.1 几何模型的构建

2.1.1模型的尺寸

模型尺寸和部件位置见图2，建立模型的效果见图3。

图2 混凝土梁尺寸(单位：mm)

图3 混凝土梁abaqus模型效果

2.1.2材料属性

混凝土的密度2.4 t/m3，泊松比为0.2，抗压损伤本构关系根据实测曲线拟合确定，抗拉损伤本构参考规范根据抗压强度等比例缩减后确定(折减系数1/12)。钢筋采用理想的弹塑性模型，钢筋的密度为7.8 t/m3，弹性模量190 GPa，泊松比0.3，屈服强度210 MPa。加载方式为两点位移加载。

2.1.3网格划分

对混凝土梁和上下钢垫板均采用实体单元C3D8R划分，网格边长为50 mm。选用完全的线性积分单元取消减缩积分单元。钢筋网采用嵌入式建模，采用桁架单元T3D2划分，网格边长为50 mm。

2.2 混凝土材料本构模型的选择

图4 混凝土压缩和拉伸的应力-应变曲线

当混凝土在应力-应变曲线上任意一点处卸载时，卸载响应体现为弹性刚度降低，在图中体现为斜率下降。刚度降低的特征变量分别为压缩损伤因子dc和拉伸损伤因子dt。本文采用Sidoroff根据能量等价原理推导求解(应用最广泛)的公式：

(1)

式中：d为损伤因子，包括压缩损伤因子dc和拉伸损伤因子dt；σ为真实应力；ε为真实应变；E0为初始无损弹性模量。由于本试验未做轴拉应力-应变曲线，因此受拉极限强度假设为实测受压极限强度的1/12，其他参数参考规范取值方法等比例获取。

3 氯离子侵蚀前后钢筋混凝土梁的损伤发展规律预测分析

3.1 钢筋混凝土梁的荷载扰度曲线规律分析

根据模拟结果，当施加位移小于最大弹性变形量时，支座反力(或施加荷载)与位移呈线性变化。当施加位移量为混凝土最大弹性变形量时，例如图5 中A点，即混凝土塑性变形的起始点，位移超过A点后，混凝土梁进入塑性变形阶段，外观表现为混凝土部分区域出现开裂，伴随着压缩损伤与拉伸损伤的出现。随着位移增加，荷载-位移的曲线斜率降低，呈现明显的非线性变形的特点。当位移增加至混凝土的极限承载位移时，例如图5中B点，施加的荷载最大，混凝土梁达到极限承载能力。随后荷载-位移曲线进入下降段，如果是未添加钢筋的素混凝土，荷载会迅速下降。由于建立的模型中含有钢筋，能与混凝土共同发挥作用承担残余承载能力。因此荷载降低程度不明显。

图5 混凝土梁荷载-挠度曲线特征点

钢筋混凝土梁荷载-挠度曲线见图6。可以看出，H0和H2混凝土梁海水侵蚀前后极限承载力均有所降低，分别从24.12、24.28 kN降低至23.82、23.06 kN。加载位移20 mm时H0和H2梁破坏最终状态的承载力分别从21.73、22.77 kN降低至18.98、21.19 kN。H0和H2梁被海水侵蚀120 d后梁的残余承载力损失率分别为12.7%和6.9%，掺加纤维能有效降低混凝土梁遭受氯离子侵蚀的抗弯曲能力的劣化程度。

图6 钢筋混凝土梁荷载-挠度曲线

3.2 海水侵蚀后钢筋混凝土梁的损伤分布预测对比分析

3.2.1相同位移荷载下梁的等效应力

高浓度海水侵蚀前后梁的Mises应力云图见图7。可以看出，高浓度海水侵蚀120 d对H0梁的应力分布影响很小，最大mises应力仅从16.8 MPa变化到17.19 MPa。对H2梁应力分布影响较大，最大mises应力从29.65 MPa变化到22.63 MPa。这与混凝土梁破坏最终状态的荷载大小相一致。

图7 高浓度海水侵蚀前后梁的Mises应力云图

3.2.2相同位移荷载下梁的损伤

高浓度海水侵蚀前后混凝土梁损伤因子云图见图8。可以看出，经高浓度海水侵蚀120 d后的混凝土梁在承受20 mm加载位移时的损伤范围更大。浸泡后H2梁高损伤区域分散不连续。由图9a)可看出，经高浓度海水侵蚀120 d后的H0梁和H2混凝土梁损伤变化规律趋于一致，加载位移为0～0.95 mm时最大拉伸损伤因子迅速增加至峰值，加载位移为0.95～20 mm时拉伸损伤因子变化不大，加载位移20 mm以后无纤维钢筋混凝土梁海水侵蚀前后最大拉伸损伤分别为0.843、0.881，增加了4.5%，混合纤维钢筋混凝土梁在高浓度海水侵蚀120 d前后最大拉伸损伤分别为0.831和0.840，增加了1.1%。海水侵蚀后有纤维的梁最终拉伸损伤0.840比无纤维的梁最终拉伸损伤0.881减小4.9%，纤维对控制最大拉伸损伤有一定效果。由图9b)可看出，高浓度海水侵蚀120 d后有纤维的梁最终压缩损伤0.746比无纤维的梁最终压缩损伤0.867减小16.2%，纤维对控制最大压缩损伤效果更明显。从发展规律看，无纤维的混凝土梁在20 mm位移荷载下损伤已达峰值，但混合纤维混凝土梁还未达峰值损伤，说明纤维仍有增韧阻裂的能力。

图8 高浓度海水侵蚀前后混凝土梁损伤因子云图

图9 高浓度海水侵蚀前后混凝土梁最大损伤值

4 结论

1)在高浓度海水浸泡120 d后，无纤维混凝土和体积含量0.2%(其中0.1%PVA和0.1%UPE)混合纤维混凝土的弹性模量分别从31.17、29.29 GPa增加到32.53、31.96 GPa，说明高浓度海水侵蚀120 d后混凝土脆性增加；峰值压应变分别从1.852‰、1.962‰减小到1.241‰、1.802‰，减少率分别为33.0%和8.2%，说明掺加纤维能降低氯离子侵蚀混凝土的峰值应变损失率；峰值应力分别从34.7、38.2 MPa变化到33.5、34.3 MPa，变化幅值分别为-3.5%和-10.2%，纤维混凝土的强度折减大，分析认为纤维的掺入增加了初始空隙缺陷使得混凝土侵蚀相对严重，但由于纤维的增强效果，总体强度仍大于无纤维试样。

2)无纤维H0和体积含量0.2%(其中0.1%PVA和0.1%UPE)混合纤维H2钢筋混凝土梁被高浓度海水侵蚀120 d后极限承载力均有所降低，分别从24.12、24.28 kN降低至23.82、23.06 kN。加载位移20 mm时H0和H2梁破坏最终状态的承载力分别从21.73、22.77 kN降低至18.98、21.19 kN；对应的峰值强度分别降低9.9%、3.6%；H0梁和H2梁被海水侵蚀120 d后梁的残余承载力损失率分别为12.7%和6.9%，说明纤维能很好提高梁的韧性，能有效降低混凝土梁遭受氯离子侵蚀的抗弯曲能力的劣化程度。

3)经高浓度海水侵蚀120 d后的H0梁和H2混凝土梁损伤变化规律趋于一致，加载位移为0～0.95 mm时最大拉伸损伤因子迅速增加至峰值，0.95～20 mm拉伸损伤因子变化不大。加载位移20 mm，高浓度海水侵蚀120 d后有纤维的梁最终拉伸损伤0.840比无纤维的梁最终拉伸损伤0.881减小4.9%，最终压缩损伤0.746比无纤维的梁最终压缩损伤0.867减小16.2%，说明纤维对最大压缩损伤的控制效果更明显。