劉成奎 ，張晨 ，王建軍 ，劉生福 ，安生霞

（1.青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008；2.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點實驗室，青海 西寧 810008）

0 引言

鋼筋混凝土材料是目前最理想的建筑與交通工程材料，然而服役環(huán)境的復(fù)雜性和鋼筋混凝土構(gòu)件發(fā)揮功能形式的特殊性，對鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性能提出了巨大的考驗。在軌道交通工程中，鋼筋混凝土構(gòu)件常常受到疲勞荷載、靜荷載、氯鹽腐蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化作用、AAR、雜散電流等單因素或多因素的破壞。目前，學(xué)者們通過不同試驗方法對鋼筋混凝土在雜散電流、氯離子腐蝕作用下疲勞損傷規(guī)律進(jìn)行了研究[1-2]，并取得了一些成果。西寧盆地地下埋藏了年代久遠(yuǎn)的硫酸鹽、氯鹽鹽湖，地下水土對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的耐久性影響。本研究根據(jù)西寧盆地地下氯鹽環(huán)境特點及軌道交通工程中雜散電流和疲勞荷載對混凝土構(gòu)件的影響，試制了西寧軌道交通工程中常用的4種混凝土配合比；在實驗室內(nèi)配制氯鹽，模擬雜散電流和疲勞荷載，分析和研究了鋼筋混凝土在雜散電流、氯鹽腐蝕和疲勞荷載耦合作用下其力學(xué)行為和失效規(guī)律，對今后西寧軌道交通工程混凝土耐久性及服役機(jī)理具有重要意義。

1 混凝土配合比設(shè)計

1.1 試驗用原材料

水泥：祁連山水泥有限公司產(chǎn)，混凝土強(qiáng)度等級為C30時采用P·O42.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度48.3 MPa；混凝土強(qiáng)度等級為C50～C60時采用P·Ⅱ52.5水泥，28d抗壓強(qiáng)度57.1MPa。粉煤灰：青海橋頭鋁電股份有限公司的Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度9.0%。礦渣：西寧特殊鋼股份有限公司生產(chǎn)的S95礦渣，比表面積430 m2/kg。硅灰：青海藍(lán)天環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，SiO2含量90.51%，比表面積26200m2/kg。砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.65。石子：花崗巖碎石，最大粒徑20 mm，表觀密度2780 kg/m3，堆積密度1530 kg/m3，連續(xù)級配。阻銹劑：亞硝酸鈣型，含固量30%。減水劑：西寧楊建生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型（HWR-S）高效減水劑。引氣劑：西卡（中國）有限公司生產(chǎn)。水：自來水。

試驗用鋼筋為HPB235φ6.5，其抗拉強(qiáng)度Rm=391 MPa，下屈服強(qiáng)度ReL=565 MPa，酒泉鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

試驗用氯鹽中主要成分為NaCl，含量為208.98 g/L[3]。

1.2 配合比設(shè)計方法

根據(jù)課題組前期研究基礎(chǔ)和技術(shù)論證，本次研究中共制定了 4 種混凝土配合比，即 Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z，“a”表示混凝土中添加了引氣劑，“z”表示混凝土中添加了阻銹劑[3]。

依照工程項目研究方案，本次混凝土設(shè)計方法按照水膠比+用水量控制設(shè)計，設(shè)計原理根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行。4種混凝土配合比見表1。

表1 4種混凝土的配合比 kg/m3

2 耦合作用試驗

2.1 試驗試件設(shè)計

本研究試制了鋼筋混凝土小梁作為試驗用混凝土試件，尺寸為85 mm×100 mm×500 mm，鋼筋混凝土配筋及尺寸如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土試件尺寸及配筋示意

2.2 雜散電流及鹵水腐蝕試驗方法

試驗時，每個配合比混凝土制定了4種工況的耦合作用形式。A工況：抗彎疲勞+無腐蝕+無電流；B工況：抗彎疲勞+無腐蝕+雜散電流；C工況：抗彎疲勞+有腐蝕+無電流；D工況：抗彎疲勞+有腐蝕+雜散電流。其中無腐蝕環(huán)境為水環(huán)境，有腐蝕環(huán)境為氯鹽環(huán)境。

雜散電流模擬試驗采用PS-605D型直流可調(diào)電壓電源，通電電壓30 V，通過每個試件的電流為60 mA，鋼筋接“正極”用銅導(dǎo)線引出，混凝土介質(zhì)內(nèi)埋入導(dǎo)線接“負(fù)極”。設(shè)定雜散電流在水和氯鹽環(huán)境中耦合作用時間為7 d，試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 雜散電流、環(huán)境腐蝕和疲勞試驗現(xiàn)場

2.3 疲勞荷載試驗方法

本試驗采用疲勞機(jī)疲勞荷載頻率為0.43 Hz，試件受壓面居中疲勞荷載，跨距為350 mm，試驗時首先測試Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z鋼筋混凝土小梁試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的最大彎芯荷載MO。然后規(guī)定4個疲勞荷載級值，分別為：0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO，每個配合比鋼筋混凝土試件制作6根小梁，其中2根作為備用試件。疲勞試驗結(jié)束后記錄預(yù)定疲勞荷載Fy、實際峰值Fs及疲勞次數(shù)N1（具體試驗數(shù)據(jù)略列）。疲勞荷載試驗以鋼筋混凝土小梁受拉面初裂為標(biāo)志停止試驗。

初裂試驗完畢后，對試件進(jìn)行極限疲勞荷載試驗，即按照以上方法對已經(jīng)初裂的試件進(jìn)行同級別疲勞荷載試驗，直到裂縫寬度達(dá)到1.50 mm為止，記錄極限疲勞荷載Fs′和疲勞次數(shù)N2（具體試驗數(shù)據(jù)略列）。

需要說明的是，由于課題組采購的疲勞試驗設(shè)備所限，尚不能滿足雜散電流、氯鹽腐蝕、疲勞荷載同時進(jìn)行的條件，因此采用了“間歇耦合”的試驗方法，即：先進(jìn)行雜散電流與氯鹽腐蝕耦合作用試驗，然后進(jìn)行疲勞試驗的方法。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)實際測試得到了 Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z鋼筋混凝土小梁試件分別在 0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO級疲勞荷載下的疲勞壽命次數(shù)N1和極限疲勞壽命次數(shù)N2，并繪制出4種配合比混凝土構(gòu)件在耦合作用下初裂疲勞和極限疲勞試驗S－N曲線，如圖3～圖6所示。然后利用疲勞（S－N）曲線方程計算出Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z配合比鋼筋混凝土小梁試件在雜散電流、氯鹽腐蝕和疲勞荷載的耦合作用下，在0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO級疲勞荷載下的疲勞壽命與疲勞折減強(qiáng)度系數(shù)，計算結(jié)果如表2所示。

圖3 Ca30混凝土構(gòu)件疲勞試驗S－N曲線

圖4 Ca50混凝土構(gòu)件疲勞試驗S－N曲線

圖5 Ca50z混凝土構(gòu)件疲勞試驗S－N曲線

表2 混凝土在耦合因素作用下的疲勞壽命與疲勞折減強(qiáng)度系數(shù)

圖6 Ca60z混凝土構(gòu)件疲勞試驗S-N曲線

通過以上試驗和結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）除Ca30在“彎曲疲勞+化學(xué)腐蝕”作用下的疲勞方程外，其余所有混凝土在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下，其疲勞方程符合單對數(shù)疲勞S-N曲線。

（2）Ca30在“彎曲疲勞+氯鹽”腐蝕作用下的疲勞方程符合折線型的單對數(shù)疲勞S-N曲線，因此在圖3中有C1、C2兩種疲勞S-N曲線形式。

（3）混凝土強(qiáng)度等級越高，其在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下的疲勞壽命越長。

（4）摻加阻銹劑能夠顯著提高混凝土在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下的疲勞壽命。

（5）Ca50z混凝土具有較強(qiáng)的抗彎曲疲勞與雜散電流的雙因素耦合作用破壞的能力，對應(yīng)于100萬次和200萬次循環(huán)的疲勞折減強(qiáng)度系數(shù)分別為0.27和0.20，適合于軌道交通的高架橋梁式結(jié)構(gòu)構(gòu)件；而Ca60z混凝土具有更強(qiáng)的抗彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流的多因素耦合作用破壞的能力，對應(yīng)于100萬次和200萬次循環(huán)的疲勞折減強(qiáng)度系數(shù)分別為0.37和0.33，適合于軌道交通的地下隧道管片或襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

（6）Ca30混凝土在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下的抗疲勞能力很差。對于西寧軌道交通工程的主要混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的抗壓強(qiáng)度等級要求不低于Ca50，并且必須摻加防止鋼筋銹蝕的阻銹劑。

4 結(jié)語

通過模擬試驗的方法，針對西寧軌道交通工程混凝土結(jié)構(gòu)服役特點，研究了鋼筋混凝土構(gòu)件在疲勞荷載、雜散電流、氯鹽腐蝕等耦合作用下的疲勞性能失效規(guī)律，并得出了相關(guān)結(jié)論。對西寧軌道交通工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的提升和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命模型的建立具有較為重要理論的指導(dǎo)意義。同時，該研究成果不僅在西寧軌道交通工程中直接應(yīng)用，在我國西部其他省份類似環(huán)境地區(qū)的地鐵、輕軌、鐵路和公路橋梁等工程中也具有一定的參考價值。

在今后的研究中，應(yīng)從結(jié)合工程實際運(yùn)營、增加耦合作用因素及耦合作用形式、完善和細(xì)化試驗研究內(nèi)容等方面提升研究，為今后在類似工程中提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供理論支撐。