混凝土梁在持续荷载和氯盐侵蚀的耦合作用

　　1 引言

　　据统计，钢筋锈蚀已成为导致混凝土结构耐久性失效的首要原因，而沿海地区的混凝土结构长期处于荷载和氯盐的双重作用下，由于这些混凝土结构通常是带裂缝工作状态，这为氯离子侵蚀钢筋提供了便利条件，进而造成混凝土结构一系列劣化。对处于正常使用阶段的钢筋混凝土结构，研究其在使用荷载与腐蚀环境共同作用下的劣化性能，可以为处于腐蚀环境下钢筋混凝土结构的剩余使用寿命预测提供依据。

　　已有的荷载和氯盐腐蚀耦合作用下钢筋混凝土结构的试验大多是对钢筋进行电化学加速锈蚀，研究了构件挠度随时间的变化规律以及钢筋锈蚀率与剩余承载力的关系，而对裂缝随时间的发展规律研究相对较少。本文利用自行设计的一套配重反向加载试验方法实现了混凝土梁在持续荷载和氯盐侵蚀的耦合作用，研究了在自然腐蚀下梁劣化过程中挠度、裂缝等的变化规律。

　　2 试验概况

　　2.1 试件设计与制作

　　钢筋混凝土梁尺寸为 120mm×150mm×2100mm，配筋及尺寸如图 1 所示。纵向受拉钢筋采用 HRB400，屈服强度为 380MPa，受压钢筋和箍筋采用 HRB335，箍筋保护层厚度为 15mm。混凝土设计强度 C30，水泥使用北京金隅生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥；天然河砂，颗粒级配良好；碎石粒径为 5～25mm，连续级配；减水剂为聚羧酸减水剂。混凝土配合比及抗压强度列于表 1。【图1.表1】

　　
　　试验共制作了6根梁，其中①②号两根梁为对比梁，用于确定极限承载力，③④号梁的使用荷载为70%的极限荷载，⑤⑥号梁的使用荷载为50%的极限荷载。

　　2.2 恒载-腐蚀方案

　　由于恒载-腐蚀耦合作用的加载试验装置复杂、成本高，关于恒载和环境耦合作用下混凝土性能损伤劣化过程的试验研究相对滞后。试验中通常采用的加载方法有千斤顶式、弹簧式、配重式、杠杆式等。

　　千斤顶式不能保证持续恒载，需要对其补载；弹簧式和杠杠式设计复杂且对于测定构件挠度和观察试验现象不便；配重式能保证持续恒载，但存在需要空间过大等缺点。在钢筋腐蚀方面大多采用通电加速的方法，使钢筋快速腐蚀，不能反映长期自然条件下的真实情况。

　　本文设计了如图 2 所示的恒载-腐蚀耦合作用的试验方案。采用混凝土配重块加载，重量可根据设计的荷载自行调整，试验梁采用反向加载方法，梁的受拉区位于上部，便于观测试验过程中裂缝的发生和发展。

　　在梁纯弯段粘有机玻璃槽。在配重加载处、支座处和跨中布置百分表。【图2】

　　
　　2.3 加载与腐蚀试验

　　首先对①②梁进行承载力破坏试验，测得的平均极限荷载为 31kN,取极限荷载的 70%和 50%对梁进行恒载腐蚀试验。

　　试验采用如图2 所示配重反向加载的方式，首先将配重块放到指定位置用千斤顶支起距地面一定距离，然后把试验梁按设计要求反向放置到指定位置，并将配重块通过螺栓杆连接到试件上(梁不受力)，将测定位移的百分表固定好，控制配重下的千斤顶使配重缓慢下降直到完全加载到试验梁上。用环氧树脂在梁上粘有机玻璃槽，并且用玻璃胶四周密封，槽中放质量分数为 3.5%的 NaCl 溶液进行腐蚀。

　　试验周期为 90 天，试验过程中每隔 5 天记录一次梁的位移增长情况；45 天记录一次梁的裂缝发展情况；15 天用 SW-3C 钢筋锈蚀检测仪记录一次梁的腐蚀电位。【图3略】
　　
　　3 试验结果分析

　　3.1 挠度发展规律

　　易伟建验证了在准长期荷载作用下有氯盐腐蚀和不腐蚀的梁挠度有明显区别，无氯盐腐蚀的挠度缓慢均匀发展,逐渐趋于平稳,挠度增长幅度随时间增长而减小；有氯盐腐蚀的挠度在整个试验过程中持续增长,并且其增长速率逐渐增大。本试验梁在初始加载后每根梁的挠度随时间增长的趋势平稳且基本呈线性增长规律，并且 70%极限荷载和 50%极限荷载的梁增长幅度也大体相同，说明从 50%极限荷载增大到 70%极限荷载并没有出现梁挠度明显增长变快的现象。【图4】

　　
　　3.2 裂缝开展情况

　　每根梁初始加载后在 500mm 内的纯弯段均匀出现了 7、8 条横向裂缝，裂缝最大基本都在跨中或跨中附近，70%极限荷载的最大裂缝为 0.15mm 左右，其余裂缝 0.1mm 左右。50%极限荷载的各处裂缝最大为0.12mm 其余 0.8mm 左右。目前各梁裂缝都有所发展,70%极限荷载的最大裂缝在 0.25mm 左右，剩下各处有小幅增长，50%极限荷载最大裂缝在 0.2mm 左右，其余裂缝也有小幅增长。下面以 70%极限荷载的③号梁和 50%极限荷载的⑤号梁为例画出了梁裂缝分布与发展图，如图 5 所示。【图5】

　　
　　3.3 腐蚀电位

　　从加载初期腐蚀开始和后几次测得70%极限荷载梁和50%极限荷载梁的纯弯段腐蚀电位大多都在-550左右(通过测定构件表面的半电位,可以相对确定构件中钢筋是否腐蚀及腐蚀程度的大小。注：电位大于-200 发生锈蚀的概率小于 10%，钢筋未锈蚀；-200～-350 锈蚀状态不明确；小于-350 发生锈蚀的概率大于90%，全面锈蚀)说明每根梁都在全面锈蚀。但是随着时间的增长每根梁的腐蚀电位没有增大且 70%极限荷载的腐蚀电位没有比 50%极限荷载的腐蚀电位高，这也和前面梁的挠度增长规律比较一致。
　　
　　4 结论

　　(1) 本文设计了一种在长期恒载作用下进行氯离子侵蚀试验的方法,采用该方法荷载稳定，裂缝易于观察，此试验中使混凝土的氯离子侵蚀试验更吻合于实际工作状况,试验结果更有意义。

　　(2) 90 天内的梁在恒载自然腐蚀下尚处于腐蚀初期阶段，梁的挠度增长比较平稳还没出现增长变快的的现象(3) 90 天内的梁在恒载自然腐蚀下裂缝开展在慢慢变大，但是还没有出现沿纵筋方向的锈胀裂缝。

　　(4) 90 天内的梁在恒载自然腐蚀下腐蚀电位保持在-550 左右，说明梁中钢筋腐蚀速率稳定。

　　参考文献：

　　[1] 张邵峰,陆春华,陈妤，刘荣桂，崔钊玮.裂缝对混凝土内氯离子扩散和钢筋锈蚀的影响[J].工程力学,2012,29(增刊 I):97―100.
　　[2] 金伟良,袁迎曙,等.氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法[M].北京：科学出版社,2011．
　　[3] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2012.
　　[4] 金伟良,陈驹,吴金海,赵羽习. 钢筋锈蚀对钢筋混凝土短梁力学性能的影响[J].华中科技大学学报,2003,20(1):1-3.