徐港 李運攀 潘琪 謝曉娟

摘要：試驗研究了鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土梁抗彎性能的退化規(guī)律，分析比較了完好梁和經(jīng)歷25、50、75及100次鹽凍融循環(huán)作用梁的承載力和變形性能。結(jié)果表明：受凍梁截面混凝土應(yīng)變?nèi)詽M足平截面假定，受力特征與完好梁相似；影響鹽凍融環(huán)境下梁承載力的主要因素是受壓區(qū)混凝土保護層的剝落，其次是混凝土強度的降低，而鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化的影響并不顯著；混凝土強度降低、保護層損傷及粘結(jié)性能退化均是凍融環(huán)境下混凝土梁變形增大的重要因素，梁剛度的降低程度除與凍融次數(shù)相關(guān)外，還受凍融損傷位置和持荷水平影響。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁；鹽凍；耐久性; 抗彎性能

中圖分類號：TU37502文獻標志碼：A文章編號：16744764（2014）03008606

Experimental Analysis on Flexural Performance of

Reinforced Concrete Beam in Salt瞗rost Environment

Xu Gang1，2, Li Yunpan1，2, Pan Qi1，2, Xie Xiaojuan1

(1.College of Civil Engineering ＆ Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, P. R. China；

2.Collaborative Innovation Center for Geo睭azard and Eco睧nvironment in

Three Grorges Area, Yichang 443002,Hubei, P. R. China)

Abstract:Under the salt frost environment， the flexural behavior of reinforced concrete was studied. The bearing capacity and deformation performance of the beams were analyzed by comparing with the reference beam(undamaged) and beams subjected to 25，50，75 and 100 salt freeze瞭haw cycles respectively. The results showed the plane section hypothesis still was satisfied for the concrete strains of frost beam section, and the mechanical characteristics of frost beam was similar to reference; The main reason to affect the beam bearing capacity under salt freeze瞭haw environment was the concrete cover scaling in the compressive zone. Secondly, it was the reduction in concrete strength, while the degradation of bond properties between rebar and concrete was not a dominated factor; the deformations of concrete beam increased mainly due to the reduction in concrete strength, the damage of concrete cover and the degradation of bond properties. In addition to the number of freeze瞭haw cycles, the positions of freeze瞭haw damage and the load level affected the degree of reduction in beam stiffness.

Key words:reinforced concrete beam； salt瞗rost； durability； flexural performance

凍融環(huán)境下構(gòu)件抗力性能的退化并不僅取決于材料力學性能的降低，凍融引起的構(gòu)件截面尺寸減小以及鋼筋混凝土間粘結(jié)性能劣化也是重要原因。近年來，針對混凝土構(gòu)件抗凍性的研究正持續(xù)展開［111］，但在相關(guān)試驗研究成果中，由于受試驗設(shè)備制約，所采用試件尺寸普遍較小，多限于材料試驗試件尺度，尺寸效應(yīng)少有考慮；而在理論和仿真分析成果中只考慮了混凝土強度和粘結(jié)性能退化對構(gòu)件抗力的影響，較少注意到構(gòu)件截面凍融破損產(chǎn)生的影響，更少關(guān)注到水凍融和鹽凍融環(huán)境下截面破損程度的不同。為此，本文采用特制大型凍融試驗機進行了較大尺寸混凝土梁的鹽凍融試驗研究，進一步探究了隨鹽凍融次數(shù)增加混凝土梁抗力性能的演變規(guī)律，為相應(yīng)環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)安全評估和耐久性設(shè)計提供參考。

1試驗設(shè)計

11試件設(shè)計

同批設(shè)計、澆筑了5根鋼筋混凝土試驗梁，混凝土設(shè)計強度為C25，縱向鋼筋保護層厚度為20 mm，試件尺寸及配筋情況如圖1所示。

圖1試驗梁配筋及截面詳圖

〖=D(〗徐港，等：鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究〖=〗12材料及其力學性能

水泥：三峽牌P·C 325復(fù)合硅酸鹽水泥，其各項指標均達國家標準；石：碎石，粒徑5～20 mm，連續(xù)級配；砂：河砂，細度模數(shù)186，屬Ⅲ區(qū)級配，細砂；水：自來水?；炷僚浜媳葹椋核U水泥︰砂︰石子=100︰204︰306︰621。試驗梁進行凍融試驗前實測其伴隨立方體試塊抗壓強度平均值為40 MPa?？v向受拉鋼筋為HRB335變形鋼筋，直徑14 mm，屈服強度實測值351 MPa；架立筋和箍筋均采用直徑為8 mm的HPB235光圓鋼筋，屈服強度實測值為355 MPa。

13凍融試驗

凍融循環(huán)采用定制的TDRF2大型混凝土快速凍融試驗機進行（圖2），凍融介質(zhì)為3%的NaCl溶液，試驗方法采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)［12］建議的快凍法，凍融循環(huán)轉(zhuǎn)換通過監(jiān)測標準凍融試件(100 mm×100 mm×400 mm)中心溫度控制。

圖2混凝土快速凍融試驗機

在凍融試驗前，將標準試件和試驗梁置于凍融介質(zhì)中浸泡4 d，然后啟動試驗機開始凍融循環(huán)試驗。達到預(yù)期的25、50、75、100次凍融循環(huán)后，依次取出試驗梁進行承載力試驗。

14加載試驗

試驗梁承載力試驗采用課題組發(fā)明的鋼筋混凝土梁反力加載裝置［13］進行，試驗時在梁跨中粘貼應(yīng)變片監(jiān)測截面應(yīng)變，支座和跨中設(shè)置千分表測量構(gòu)件撓度值，如圖3所示。加載制度參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB 50152-92）［14］，試驗過程中荷載大小通過拉壓力傳感器連接XL 2101G高速60點靜態(tài)應(yīng)變采集儀由電腦軟件控制，每級荷載下的混凝土應(yīng)變值通過導線連接應(yīng)變片至XL 2101G采集儀獲得。

圖3試驗梁加載圖

2梁鹽凍破壞特征

各試驗梁凍損形態(tài)如圖4所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，梁破壞程度逐漸增大：25次循環(huán)后，梁表面變得粗糙，局部有少量砂漿脫落；50次后，梁表面砂漿脫落嚴重，粗骨料明顯暴露，部分箍筋外露；75次循環(huán)后，梁兩端邊角脫落明顯，箍筋外露數(shù)量增多，梁端縱筋外露；100次后，梁底面保護層基本脫落，且粗骨料周圍出現(xiàn)明顯裂紋，箍筋大部分外露，縱筋外露長度達3/4梁長，損傷嚴重。

圖4不同凍融循環(huán)次數(shù)后梁損壞情況

試驗還發(fā)現(xiàn)，同根梁不同部位的凍融破壞程度并不均勻，所有梁都是靠近凍融箱底的面損傷較嚴重，其原因一方面可能是由于試驗尺寸較大，不同部位升降溫存在滯后性導致，而另一方面也可能是由于溶液長期靜置后沿截面高度鹽濃度分布不均勻造成的，具體原因尚需進一步研究。由于試驗前并沒有考慮到這一因素，凍融試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)75次凍融試驗梁的受拉與受壓區(qū)放置方向與其他梁相反，即凍融循環(huán)75次梁損傷嚴重的區(qū)域為抗壓區(qū)，而其他梁為受拉區(qū)（圖4）。

3試驗結(jié)果與分析

31 抗力性能

試驗表明，凍損梁截面混凝土應(yīng)變?nèi)詽M足平截面假定，以100次凍融循環(huán)作用梁為例，梁截面平均應(yīng)變沿高度仍近似呈線性分布，如圖5所示。而且，經(jīng)歷不同次數(shù)鹽凍循環(huán)作用梁的破壞特征也與完好梁類似，均屬典型的適筋梁彎曲破壞，各梁極限荷載實測值如表1所示。

圖5100次凍融梁截面混凝土應(yīng)變分布圖

表1試驗梁承載力

凍融循環(huán)/次極限荷載/kN010825110501037596100102

32變形特征

完好梁及經(jīng)歷25、50、75和100次鹽凍融循環(huán)作用后梁的荷載撓度關(guān)系曲線如圖6所示?？梢妰鋈诹号c完好梁的變形特征相近，荷載撓度曲線仍可分為3個階段：1）彈性階段；2）帶裂縫工作階段；3）屈服階段。

圖6荷載撓度關(guān)系曲線

33結(jié)果分析

凍融循環(huán)作用造成鋼筋混凝土構(gòu)件抗力性能退化的主要因素可歸納為：1）混凝土強度降低和內(nèi)部缺陷增多；2）構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，截面積和慣性矩減小；3）鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能退化。但各因素對梁受力性能的影響程度并不相同。

331對承載力的影響普通混凝土單筋矩形截面梁承載力計算公式如式(1)和(2)。

fyAs=fcbx（1）

Mu=fyAs(h0－x2)（2）

式中：Mu為截面抵抗彎矩；fy為鋼筋抗拉強度；fc為混凝土軸心抗壓強度；b為截面寬度；As為縱向受拉鋼筋的面積；h0為截面有效高度；x為混凝土計算受壓區(qū)高度。

將式（1）代入式（2）整理后，得式（3）。

Mu=fyAs(h0－fyAs2fcb)（3）

設(shè)完好梁混凝土軸心抗壓強度為fc0，凍融作用后降為fcd，Δfc=(fc0-fcd)/fc0為混凝土強度退化率；Mu0、Mud分別為凍融前后混凝土梁的抵抗彎矩，ΔMuc=(Mu0-Mud)/Mu0為抗彎承載力退化率。由式(3)可得ΔMuc與Δfc間滿足式（4）。

ΔMuc=Mu0－MudMu0=(fyAs)22b·fc0－fcdfc0fcdfyAs(h0－fyAs2fc0b)=

fyAs2b·1fcdh0(1－fyAs2fc0bh0)·fc0－fcdfc0=

ρfy2fcd(1－fyρ2fc0)·Δfc=k1Δfc（4）

同理，設(shè)完好梁混凝土截面有效高度為h0，凍融作用后降為h0d，則有效高度減小率為Δh=(h0-h0d)/h0，引起的抗彎承載力退化率ΔMuh=(Mu0-Muh)/Mu0滿足如下關(guān)系，

ΔMuh=11－fyρ2fc0·Δh=k2Δh（5）

式中：ρ為梁的配筋率，ρ=As/bh0；k1為混凝土強度變化率影響系數(shù)；k2為截面有效高度變化率影響系數(shù)。

在凍融梁保持適筋破壞特征條件下，混凝土強度的最低值fcdmin可由式(1)取x=xb確定，即fcdmin=fyAsxbb=fyAsξbh0b=fyρξb，式中xb為適筋界限梁計算受壓區(qū)高度，ξb=xb/h0<1，從而有k1k2=fyρ2fcd

綜上，如果凍融環(huán)境下混凝土強度和截面有效高度的降幅是相近的，那么無疑截面高度變化是凍融梁抗彎承載力的更主要影響因素。然而，水凍融和鹽凍2類環(huán)境下混凝土的強度退化和表面剝蝕的程度是不相同的，所以它們對構(gòu)件承載力的影響程度也并不相同。文獻［15］對比研究不同水灰比混凝土試件的鹽凍和水凍融損傷特征，由文獻[15]表3數(shù)據(jù)推算可得相同凍融次數(shù)鹽凍試件的相對質(zhì)量損失率為水凍融試件的5~23倍，且該比值隨凍融次數(shù)增加而急劇增加。而據(jù)文獻［1617］，鹽凍與水凍融后普通混凝土強度可分別由式(6)和(7)確定，如將本文混凝土抗壓強度分別代入式(6)和(7)，比較相同凍融次數(shù)作用后的混凝土強度可知，鹽凍較水凍融作用后混凝土強度有0~40%左右的降幅，且也是隨凍融次數(shù)增大降幅。

fcdfc0=1－0005 614Nsalt（6）

fcdfc0=1-200f-3035 5cu·Nwater（7）

式中，fcd為凍融后混凝土軸心抗壓強度；fc0為凍融循環(huán)前混凝土軸心抗壓強度；Nsalt為鹽凍融循環(huán)次數(shù)；Nwater為水凍融循環(huán)次數(shù)。

在凍融環(huán)境下，如果僅考慮混凝土強度退化對梁承載力的影響，且忽略沿截面高度凍融損傷的不均勻性，只需據(jù)式(6)或(7)求得不同凍融次數(shù)作用后的混凝土軸心抗壓強度，再代入式(1)、(2)即可求得相應(yīng)凍融次數(shù)作用后梁的承載力（表2）。

表2不同凍融循環(huán)次數(shù)后強度對梁抗彎承載力的影響

凍融次數(shù)混凝土軸心抗壓強度/MPa鹽凍融水凍融混凝土強度退化率/%鹽凍融水凍融極限荷載Pu/kN鹽凍融水凍融抗彎承載力退化率/%鹽凍融水凍融03040304000000095819581000000252613283214056849402950018708550218726232806137291539407447182751760241542112056878492978322961001333220756152740817891671464432

同理，如果僅考慮截面有效高度降低對梁承載力的影響，假設(shè)凍融損傷僅發(fā)生在試件受壓區(qū)，而截面有效高度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加線性減小，且按最不利情況取水凍融引起的截面損失為鹽凍融環(huán)境的1/5，并參考圖4設(shè)100次鹽凍融作用后受壓區(qū)混凝土完全剝落，則可得不同凍融次數(shù)作用后截面的有效高度，將其分別代入式(1)、(2)便可求得相應(yīng)受凍梁的承載力（表3）。

對比分析表2和3中數(shù)據(jù)可知：1）凍融環(huán)境下混凝土強度退化率遠高于構(gòu)件截面有效高度減小率；2）水凍融環(huán)境中，相同凍融次數(shù)下，混凝土強度退化較截面有效高度減小引起的抗彎承載力退化率更高，說明前者是影響梁承載力下降的首要因素；3）鹽凍融環(huán)境中，相同凍融次數(shù)下，截面有效高度減小較混凝土強度退化引起的抗彎承載力退化率普遍偏高，僅個別情況例外，如果考慮到構(gòu)件凍融的非均勻性，即截面不同部位混凝土強度并不是同時達到最低，以及截面寬度的損失，說明受壓區(qū)混凝土剝落對梁承載力的影響更為主要。

表3不同凍融循環(huán)次數(shù)后有效高度對梁抗彎承載力的影響

凍融次數(shù)梁截面有效高度/mm鹽凍融水凍融有效高度減小率/%鹽凍融水凍融極限荷載Pu/kN鹽凍融水凍融抗彎承載力退化率/%鹽凍融水凍融0173173000000958195810000002516817228905892729519323065501631715781168964945864412875158170867173865593969671931001531691156231834793341288258

關(guān)于粘結(jié)性能退化對凍融梁承載力的影響，已有研究表明在保護層剝落前影響甚微［9］，保護層局部剝落后可視為局部無粘結(jié)梁進行分析，而據(jù)文獻［1819］試驗研究結(jié)果，在梁端鋼筋錨固有良好條件下局部無粘結(jié)梁的承載力并不會有明顯降低。分析表1數(shù)據(jù)也可得到充分說明，比較75次和100次凍融梁，雖然后者混凝土強度降低更多，且受拉區(qū)保護層局部剝落鋼筋混凝土粘結(jié)性能明顯劣化，可是承載力并未顯著下降，而前者受拉區(qū)鋼筋粘結(jié)良好，但承載力卻有較明顯下降，如忽略同批試驗梁的個體差異，原因主要是由于其受壓區(qū)保護層受凍剝蝕嚴重導致梁有效高度減小造成的。

332對變形性能的影響普通混凝土梁的抗彎剛度，在梁受荷開裂前，即第I階段，可由式(8)計算，進入帶裂縫工作階段后，即第II階段，由式（9）確定［20］。

Bs=085EcI0（8）

Bs=EsAsh20ψη+02+6αEρ1+35γ′f（9）

式中：Ec、I0、Bs、Es、As、h0、ψ、η、αE、ρ和γ′f的含義詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［20］。

對凍融梁而言，隨凍融次數(shù)增加，混凝土強度降低，保護層內(nèi)裂縫增多，引起彈模下降，截面慣性矩（I0）減小，由式（8）可知，在第I階段，隨凍融次數(shù)增加梁的剛度將逐漸降低，如圖6所示。至于圖6中75次凍融梁剛度下降較小的原因可能同樣是由于凍融損傷主要發(fā)生在受壓區(qū)造成的，因為在荷載作用下，受壓區(qū)保護層內(nèi)的損傷裂縫將趨于閉合，對I0的影響是有利的。

梁的工作性態(tài)進入第II階段后，假設(shè)凍融梁的剛度仍可由式(9)近似計算，由于粘結(jié)性能隨凍融次數(shù)增加逐漸下降，導致受拉鋼筋應(yīng)變趨于均勻變化，應(yīng)變不均勻系數(shù)（ψ）逐漸增大，并趨于1，而鋼筋與混凝土的彈模比(aE)也逐漸增大，致使梁的剛度隨凍融次數(shù)增加而下降。但75次凍融梁剛度的退化規(guī)律較其他梁仍有所不同，表現(xiàn)為前期退化較緩，而后期迅速（圖6），主要還是由于受拉區(qū)凍融損傷較輕的緣故，因為混凝土抗拉強度較高，當荷載不大（約極限荷載05倍以內(nèi)）時，受力裂縫發(fā)展較緩，且鋼筋混凝土粘結(jié)性能保持良好，所以剛度降低不多，但隨著荷載增加，受力裂縫逐漸向梁受壓區(qū)發(fā)展，受壓區(qū)高度不斷減小，而受壓區(qū)本身又凍損嚴重，導致混凝土承壓性能迅速下降，引起剛度急劇退化。

綜上，隨凍融次數(shù)增加混凝土強度降低、保護層損傷及粘結(jié)性能退化均是導致梁變形增大的重要因素，為保證梁的適用性更應(yīng)注重受拉區(qū)的防凍。

333討論據(jù)前述分析，不難發(fā)現(xiàn)影響凍融梁抗力性能的諸因素在其受荷的不同階段所起作用并不相同，構(gòu)件抗力性能的降低并不僅僅取決于材料力學性能的退化，且2者并不一定總是在正相關(guān)，還受損傷位置的影響?？紤]到在役結(jié)構(gòu)受凍融作用往往是非均勻的，因此目前基于材料層次上的凍融循環(huán)試驗評定構(gòu)件的抗凍性還需進一步驗證。

混凝土梁的抗彎承載力受截面有效高度減小和混凝土強度退化影響顯著，相同凍融次數(shù)下，對于截面尺寸、材料組成不同的梁，即便2者材料強度、配筋方式以及試驗方法相同，但承載力退化率并不具有可比性。如文獻［7］和［8］所采用試件的混凝土強度相近，且凍融試驗均為快凍法，而試件尺寸分別為100 mm×150 mm×700 mm和100 mm×100 mm×1 100 mm。文獻［8］研究表明，凍融梁與完好梁相比，經(jīng)受25、50、75次凍融循環(huán)作用后極限承載力分別降低52%、138%、257%；而文獻［7］的結(jié)論是，經(jīng)過400次凍融和侵蝕交替作用后Beam0梁與完好梁Beam睷ef的極限荷載相近，可見2者結(jié)果相差甚遠。原因可能是由于文獻［7］中混凝土摻有緩凝高效減水劑和粉煤灰，不僅減緩了混凝土強度的退化，而且還增強了其抗剝蝕性，致使Beam0梁雖然經(jīng)歷了400次凍融循環(huán)作用，但混凝土強度退化和截面有效高度減小率并不大，承載力下降不明顯；而文獻［8］的試驗梁未摻任何外加劑和摻和料，混凝土強度退化率及抗剝蝕性均較文獻［7］差，而截面高度又小，導致截面有效高度減小率也遠大于文獻［7］，致使經(jīng)歷凍融次數(shù)不多時承載力就明顯下降。因此，進行構(gòu)件的抗凍試驗研究時必需考慮損傷相似性的問題，如僅簡單地以凍融循環(huán)次數(shù)為變量表征構(gòu)件損傷程度參考價值不大，唯有通過合理構(gòu)建損傷變量才可能揭示其劣化機理［21］。

凍融及鹽凍作用后鋼筋混凝土梁承載力的一般性評估，可以不計粘結(jié)性能退化影響，在考慮相應(yīng)凍融次數(shù)作用后的混凝土強度和截面有效高度的基礎(chǔ)上，可利用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式計算。不過，定量揭示破壞機理的抗力分析模型尚需進一步研究，模型中除需考慮前述所有影響因素外，還應(yīng)注意到凍融損傷是由表及里的，距構(gòu)件表面深度不同混凝土強度的退化程度不相同的特性［9］，應(yīng)依據(jù)混凝土強度受損程度分層變化特征分別選取相應(yīng)的本構(gòu)方程和破壞準則。

4結(jié)論

1）鹽凍融環(huán)境下普通混凝土構(gòu)件表面剝蝕現(xiàn)象嚴重，且隨凍融次數(shù)增加保護層剝落程度加??；沿截面高度混凝土強度劣化程度不同，但受凍梁截面混凝土應(yīng)變?nèi)詽M足平截面假定。

2）凍融環(huán)境下，鋼筋混凝土粘結(jié)性能退化對梁承載力影響較小，鹽凍融環(huán)境下影響梁抗彎承載力的主要因素依次是受壓區(qū)混凝土的剝落和混凝土強度的降低，與水凍融環(huán)境相反。

3）凍融環(huán)境下，隨凍融次數(shù)增加，混凝土強度降低、保護層損傷及粘結(jié)性能退化均是導致梁變形增大的重要因素，而梁剛度降低程度除與凍融次數(shù)相關(guān)外，還受凍融損傷位置和持荷水平影響。

4）混凝土構(gòu)件的抗凍性受試件尺寸、混凝土強度退化率影響顯著，僅以凍融循環(huán)次數(shù)表征其損傷程度不足以揭示構(gòu)件的凍融損傷機理。

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