基于压磁效应的锈胀开裂混凝土梁疲劳性能试验研究

2022-12-15金伟良毛江鸿钟小平

海洋工程 2022年6期

黄爽，张军，金伟良，毛江鸿，钟小平

(1. 浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058; 2. 浙大宁波理工学院土木建筑工程学院，浙江宁波 315100; 3. 四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065; 4. 扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225009)

服役在海洋环境中的混凝土基础设施如桥梁、码头等极易遭受氯盐侵蚀，产生钢筋锈蚀、混凝土锈胀开裂等一系列耐久性问题[1-2]。在车辆反复荷载和腐蚀环境作用下，钢筋、界面黏结和混凝土材料性能加速退化，导致结构服役性能和服役寿命严重降低，甚至产生灾难性后果[3]。实际工程中钢筋锈蚀形态多为不均匀锈蚀，特别是氯致锈蚀还极易产生蚀坑[4]。钢筋锈蚀不仅降低其自身静/动力学性能，也将降低钢筋和混凝土的黏结性能[5-6]。大量锈蚀钢筋混凝土梁疲劳试验显示其失效的主要模式为纵筋的疲劳断裂[7-8]。实际工程中也常见锈蚀混凝土结构疲劳失效案例，如美国的SR1014大桥因钢筋锈蚀后疲劳断裂而发生倒塌[9]。因此，研究锈蚀混凝土结构内部钢筋的疲劳损伤演化规律，对于评估腐蚀环境和反复荷载共同作用下混凝土结构的服役性能具有重要意义。

国内外已有大量关于锈蚀钢筋混凝土结构疲劳性能的试验和理论研究，已有研究重点关注锈蚀对结构疲劳寿命、挠度、破坏形式等特性的影响。常用方法包括S-N曲线预测法、损伤力学方法和断裂力学方法。其中，S-N曲线方法常用于预测锈蚀钢筋疲劳寿命，如张伟平等[10]和罗小勇等[11]基于锈蚀钢筋疲劳拉伸试验建立了考虑钢筋锈蚀率的疲劳曲线方程，王海超等[12]基于疲劳试验结果给出了锈蚀钢筋混凝土梁的S-N曲线方程。虽然S-N曲线方法应用简便，但无法表征非线性疲劳损伤累积发展过程。有学者通过定义损伤变量对疲劳损伤进行量化，如胡超[13]根据疲劳作用下混凝土残余应变建立了梁的疲劳损伤方程，汤红卫等[14]和李士彬等[15]则根据混凝土梁刚度衰减规律量化了梁疲劳损伤。由于混凝土结构的疲劳损伤通常起源于细微观层面，基于宏观力学的指标定义的损伤变量对于结构疲劳损伤的敏感性不足。考虑到锈蚀混凝土结构中钢筋疲劳断裂的基本特征，Sun等[16]和Ma等[17]以钢筋蚀坑处裂纹的扩展速率预测疲劳寿命。但由于混凝土结构内钢筋的受力特性与混凝土和界面黏结疲劳性能演化密切相关，结构内钢筋疲劳裂纹的萌生与扩展通常难以准确计算。

由于钢材等铁磁性材料的压磁效应对锈蚀、裂纹和应力集中等的高度敏感性，逐渐得到研究人员的重视。如马惠香等[18]基于金属磁记忆方法检测了混凝土内钢筋的应力状态，结果表明磁感应强度曲线特性可表征钢筋受力状态；金伟良等[19]和张军等[20]进行了钢筋标准试件和锈蚀钢筋的疲劳试验并实时监测压磁信号，试验表明压磁信号对疲劳损伤非常敏感，压磁滞回曲线在疲劳失效前出现明显变化。Zhang等[21]开展了坑蚀钢筋疲劳压磁试验，建立了蚀坑处磁感应强度变幅和疲劳裂纹扩展速率的相关关系，实现了基于压磁信号评估钢筋疲劳裂纹扩展行为。进一步的钢筋混凝土梁的疲劳压磁试验表明压磁信号不仅可以反映梁的疲劳损伤状态，还与梁疲劳失效位置和破坏模式密切相关[22]。锈蚀钢筋混凝土结构由于刚度与承载力降低，锈胀裂缝削弱了钢筋与混凝土的黏结性能，在反复荷载作用下危害性更大。因此，有必要基于其内部锈蚀钢筋的压磁效应分析结构疲劳性能演化。

开展了锈胀开裂混凝土梁疲劳压磁试验，同步记录并分析了压磁信号在混凝土梁疲劳损伤进程中的演化规律，并建立了以磁信号特征值表征钢筋锈蚀率的方法。

1 试验设计

梁尺寸及配筋详见图1，梁截面为矩形，尺寸为100 mm×150 mm×1 700 mm，保护层厚度为15 mm。纵筋直径为10 mm，箍筋为6 mm双肢箍。为使梁发生弯曲疲劳破坏并避免对纵筋压磁信号产生影响等不利因素，纯弯段不放置架立钢筋和箍筋。梁所用混凝土强度等级为C30，混凝土材料组分及28 d抗压强度见表1，钢筋基本力学性能见表2。

图1 截面特征与疲劳加载示意Fig. 1 Schematic diagram of section features and fatigue loading

表1 混凝土配合比Tab. 1 Concrete mix ratio

表2 钢筋基本力学性能Tab. 2 Basic mechanical properties of steel bars

梁养护完成后首先放入质量分数5%氯化钠溶液中浸泡2 d，待充分润湿后再通电加速锈蚀。本试验采用恒电流加速钢筋锈蚀，梁中钢筋接直流电源相连正极，不锈钢网接负极，如图2所示。通电时，梁底部放置在吸水海绵上，以减少锈蚀产物随溶液溢出[23]。通电电流密度为0.2 mA/cm2，根据预定锈蚀率和法拉第定律计算通电时间。疲劳加载试验完成后取出钢筋，酸洗后测量实际锈蚀率。五根试验梁的实际锈蚀率如表3所示。

表3 梁锈蚀率与疲劳试验结果Tab. 3 Corrosion rate of specimens and fatigue test results

图2 通电加速锈蚀示意Fig. 2 Schematic diagram of energized accelerated corrosion

梁加速锈蚀完成后进行疲劳试验。未锈蚀梁S0受弯极限承载力Mu为9.525 kN·m。循环荷载峰值为0.7Mu，应力比为0.1，加载频率为4.0 Hz。如图1所示，在跨中位置自混凝土受压区顶部10 mm处依次向下布置混凝土应变片C1、C2、C3，在支座和跨中分别布置位移传感器LVDT1、LVDT2、LVDT3。使用Model191A磁力仪实时测量压磁信号，压磁信号以磁感应强度B进行表征，其单位为mG。使用DH5922动态数据采集仪同步采集数据，频率为200 Hz。梁首次加载采用分级加卸载方式。

2 试验结果与分析

2.1 疲劳失效模式和疲劳寿命

梁锈蚀后在侧面和底面部分位置出现锈胀裂缝，如图3所示。表3列出了各梁锈胀裂缝的平均宽度。可见，锈胀裂缝宽度随锈蚀率增加而增加，锈蚀率为14.15%的梁侧面裂缝宽度达0.65 mm。在反复荷载作用下，锈蚀梁横向裂缝逐渐与纵向锈胀裂缝相互交错。在疲劳末期，由于锈胀裂缝宽度显著增加，混凝土保护层被交错裂缝严重分割，沿锈胀裂缝发生剥离甚至脱落，随即钢筋发生疲劳断裂。未锈蚀梁则未出现混凝土沿纵向开裂并剥落的现象。锈蚀混凝土梁的疲劳破坏形式均为一根钢筋在纯弯段发生突然断裂，随后发生疲劳失效，如图4所示。

图3 梁表面混凝土裂缝分布Fig. 3 Distribution of concrete cracks on the side of beams

图4 锈蚀梁疲劳破坏形态Fig. 4 Fatigue failure form of corroded beam

试验梁疲劳寿命列于表3，未锈蚀梁CF0的疲劳寿命为208 180次，而锈蚀程度最大的CF4的疲劳寿命仅为CF0的14.34%。可见，随着锈蚀率的增加，混凝土梁疲劳寿命急剧减少。钢筋锈蚀与混凝土锈胀裂缝对梁疲劳破坏形态和疲劳寿命影响较大。

2.2 挠度

图5可见梁的挠度f随疲劳进程N/Nf(Nf为疲劳寿命)的三阶段发展规律。随着锈蚀率增加，各梁的初始挠度分别为5.68 mm、6.87 mm、7.82 mm、7.41 mm、8.59 mm，整体为增长趋势。钢筋锈蚀不仅使梁的挠度大幅增加，还加快了挠度发展速率。梁CF3和CF4在疲劳作用开始后挠度迅速发展到10 mm以上。梁CF1在疲劳第二阶段挠度发生突变。钢筋锈蚀严重降低了混凝土梁的刚度，这是由于钢筋锈蚀降低了梁的承载能力，混凝土锈胀裂缝削弱了钢筋与混凝土间的黏结性能。

图5 最大挠度随循环次数发展Fig. 5 The maximum deflection develops with the number of cycles

2.3 纵筋断口形貌

梁疲劳破坏后破碎混凝土取出钢筋，图6为扫描电镜下梁CF4疲劳断口形貌。在钢筋疲劳断口处可观察到微小蚀坑分布。在钢筋断口中还可观察到裂纹源区、裂纹稳定扩展区和瞬断区。裂纹源区常位于钢筋表面的蚀坑等缺陷处，由细小的杂乱裂纹逐渐汇聚而成。在循环应力作用下裂纹尖端不断向前扩展，在裂纹稳定扩展区可观察到轮胎状的线状条纹。钢筋锈蚀率越大，裂纹稳定扩展区的长度通常越短，因此钢筋疲劳寿命缩短[24]。

图6 梁CF4钢筋疲劳断口形貌Fig. 6 Fatigue fracture morphology of steel bar in CF4

3 压磁信号演化

3.1 锈蚀钢筋混凝土梁疲劳过程中的压磁信号演化

梁首次循环加卸载过程中法向磁感应强度随分级荷载的变化如图7所示。加载至7.5 kN左右时变化速率增加，表明混凝土梁发生了开裂。卸载时减小速率较均匀。第一次加载后梁CF4产生了233.70 mG的不可逆磁化。梁CF3加载至7.5 kN也观察到相同的试验现象，而梁CF1和CF2在加载至5.0 kN左右时观察到相同现象。这表明混凝土梁的开裂荷载为5.0～7.5 kN，各梁之间具有一定离散性。由于混凝土开裂后钢筋的漏磁效应，梁表面磁感应强度随钢筋应力增加产生明显变化。根据接近原理，循环应力作用下铁磁性材料的磁化状态将逐渐达到无滞后的理想磁化状态，即不可逆磁化的增量随循环荷载不断减小。

图7 循环加卸载中法向磁感应强度随荷载变化Fig. 7 The normal magnetic induction intensity varies with the load during cyclic loading and unloading

图8为梁CF4在不同循环次数时Bn随时间的演化，H和T点表示时变曲线的头部和尾部。以一个循环内Bn时变曲线上最大磁感应强度和最小磁感应强度的差值表示磁感应强度幅值，记为ΔBn，如图8中H点与T点的差值。前600次循环中曲线上移，钢筋在循环应力下向应力致磁化状态发展；且H点到T点的幅值逐渐增加。这是由于混凝土在疲劳初期持续开裂引起梁截面应力发生重分布，钢筋应力增大。随着挠度增大，梁的荷载裂缝与锈胀裂缝的宽度增加，钢筋和混凝土黏结性能退化，界面疲劳损伤导致钢筋应力进一步增大。因此在600次循环荷载后，H点到T点的幅值更加显著。如在1 200次循环时，T点已低于第10次循环。疲劳作用第二阶段中，挠度和裂缝宽度增加放缓，钢筋与混凝土界面疲劳损伤基本保持稳定，钢筋磁化状态接近无滞后的理想磁化状态。如图8(b)所示，磁信号时变曲线在较大循环次数跨度内保持稳定形态。第29 550次循环时已临近疲劳破坏，裂缝宽度增加并相互交错，挠度再次快速发展，界面黏结性能急剧退化，钢筋裂纹不稳定扩展，理想磁化状态已无法维持。相比于疲劳中期的稳定状态，时变曲线形态发生了明显畸变。

图8 CF4不同循环次数法向磁感应强度时变曲线Fig. 8 Normal magnetic induction intensity time-varying curve at different cycles of CF4

图9为CF1不同循环次数时法向磁感应强度时变曲线。CF1磁信号时变曲线在疲劳初期时也近似呈正弦形态。25 810次循环后，时变曲线形态逐渐发生改变。如50 080次循环时，磁信号时变曲线在M点和N点演化出新的极值点。第112 950次循环时，CF1临近疲劳破坏，此时时变曲线极值点消失，再次畸变为正弦形态，且曲线头部和尾部之间的变化幅值增大。可以发现梁CF1与CF4压磁信号时变曲线的相对差异较大，这是由各梁中混凝土裂缝发展速率、裂缝分布与磁探头相对位置、钢筋锈蚀形貌和锈蚀率等差异引起的。但其压磁信号随疲劳损伤的发展演化规律是一致的。CF2与CF3的压磁信号在疲劳作用下的演化特征与上述结果分析一致，在疲劳作用不同时期表现出明显的阶段性特征。

图9 CF1不同循环次数时法向磁感应强度时变曲线Fig. 9 Normal magnetic induction intensity time-varying curve at different cycles of CF1

因此可知，各梁钢筋压磁信号虽不呈现同一形态特征，但压磁信号随疲劳作用的演化过程变化显著，在不同的疲劳阶段具有不同的演化特征，与锈蚀混凝土梁在疲劳作用下的钢筋应力变化、疲劳损伤累积、疲劳裂纹扩展、黏结性能退化等因素密切相关。

3.2 钢筋锈蚀率与压磁信号的相关关系

混凝土裂缝扩展、钢筋应力、挠度发展和界面黏结性能与钢筋锈蚀率相关。不同锈蚀程度混凝土梁疲劳特性的差异可直观表现为压磁信号的不同。法向磁感应强度幅值随疲劳进程的演化如图10所示。CF0在疲劳全过程中幅值均保持在较低水平，仅在发生疲劳破坏时由于钢筋漏磁现象较强而增加。锈蚀梁磁信号幅值随疲劳进程的演化为三阶段形式，在疲劳作用初期和临近疲劳破坏时快速增加。随锈蚀率增加，幅值也逐渐增大且变化明显。在疲劳作用下，压磁信号对梁内钢筋锈蚀程度较敏感。