持续承载钢筋混凝土梁的冻融循环试验

刁 波，孙 洋，叶英华

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京，100191)

寒冷地区侵蚀环境中的冻融循环已经成为钢筋混凝土结构性能劣化的主要影响因素。钢筋混凝土结构通常附有裂缝，侵蚀性物质通过裂缝进入构件内部会加速钢筋锈蚀，降低结构耐久性。对此，美国和中国规范都通过限制裂缝宽度、加大保护层厚度、控制混凝土材料配方和保证施工质量等措施力图设计抗冻融性能好的混凝土结构[1-2]。但这些规范主要基于素混凝土和钢筋的材料性能试验制定的。目前，美国每年要耗费200亿美元用于维修、防护和加固钢筋混凝土结构[1]；我国每年花费大约5千亿元人民币[3]用于维修钢筋混凝土结构。巨额维护费用已经引起各国政府和学者的关注[4-8]。目前，人们对钢筋混凝土结构在侵蚀环境下的冻融损伤研究主要集中在材料层面[9-16]。Liang等[9]对氯离子、硫酸根离子、二氧化碳 3种化学侵蚀因素进行了两两组合试验，研究了侵蚀因素的叠加效应，并提出了新的侵蚀计算模型；Hasan等[10]研究了冻融损伤引起混凝土抗压强度和疲劳强度退化的机理；宋玉普等[11]测定了冻融环境下混凝土单、多轴拉压强度和变形特性，提出了强度退化规律和破坏准则：Yang等[12-13]通过试验证实了荷载裂缝的存在会加剧混凝土冻融循环损伤的速度；Sun等[14]研究了氯化钠、冻融循环和荷载同时作用对混凝土性能的影响，发现与在水中冻融循环相比，在氯化钠溶液中冻融会导致试件表面混凝土更严重剥蚀及出现较大的质量损失，但因冰点降低，从而使极限冻融次数增加约20%，荷载能加速混凝土冻融破坏，而且荷载越高，破坏时冻融循环次数越少，试件表面剥蚀也越严重；Montejo等[15]通过钢筋混凝土构件在低温环境下往复静载试验，证明钢筋混凝土构件在低温环境下极限承载力和构件刚度随着温度降低而提高，但构件的延性却随之降低。这改变了以往根据钢筋和混凝土材料层面的研究得出的结论(即混凝土结构随温度降低，其强度和刚度增加而无其他损失)。可见，根据在混凝土材料层面取得的试验研究成果很难准确推定钢筋混凝土结构在冻融循环和侵蚀环境下的性能退化情况，因此，有必要进行相关试验研究。在此，本文作者在混合侵蚀和冻融循环交替作用下混凝土材料性能劣化试验研究[16-17]的基础上，通过试验研究在混合侵蚀和冻融循环交替作用下持续承载钢筋混凝土梁的力学性能。

1 试验概况

试验按照我国《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》[18](简称《耐久性试验方法》)中的“快冻法”进行，改用气冻水融方式。侵蚀介质用质量分数为3%氯化钠溶液和5%硫酸钠溶液组成的混合溶液。

1.1 试件设计

为紧贴工程实际，类似于商品混凝土，掺加了缓凝高效减水剂和F类Ⅰ级粉煤灰。钢筋混凝土矩形截面梁试件共5组(每组2根，编号为a和b)，5组梁的横截面尺寸、跨度、配筋和混凝土强度等级均相同。梁横截面面积(宽×高)为100 mm×150 mm，梁长为700 mm，纵向受拉筋和箍筋均采用直径为6 mm光圆钢筋,钢筋屈服强度为300 MPa、极限强度为350 MPa，弹性模量为2.15×105MPa。梁中配置2根受拉纵筋并在弯剪段配置间距为100 mm的双肢箍筋。混凝土水与灰的质量比为 0.44，棱柱体抗压强度平均为 32.5 MPa, 弹性模量为3.15×104MPa。

1.2 试验方法

试件养护龄期为28 d，其中，带模养护1 d，拆模后在标准条件下养护，23 d时将其中 4组试件在(20±3) ℃的混合侵蚀性溶液中浸泡 4 d，之后对这 4组试件进行冻融循环试验。冻融循环试验在北京航空航天大学结构工程实验室的高低温控制舱中进行，最高温控制在(8±2) ℃，最低温控制在(-15±2) ℃。参照《耐久性试验方法》中的“快冻法”，每个冻融循环周期为4 h。

5组试验梁中，有1组参考梁(Beam-Ref)，在龄期28 d时，通过静载试验获得梁极限承载力Pu，作为其余4组梁持续加载的基准值。其余4组梁施加不同水平的持续荷载：第1组不加载，第2组加载至梁刚刚出现垂直裂缝为止(约20%Pu)，第3和第4组分别施加荷载 50%Pu和 70%Pu(根据施加荷载比例将梁编号为Beam-0, Beam-0.2, Beam-0.5和Beam-0.7，见表1)。持续加载和静载试验都采取两点对称加载，持续加载点和支座位置与参考梁的相同。试验分3个阶段进行：

(1) 对梁施加两点对称持续荷载(见图1)。

(2) 试件在混和侵蚀溶液中浸泡和冻融循环交替进行，每冻融循环10次在侵蚀溶液中浸泡24 h。每循环 50次测量记录梁的裂缝高度、宽度和梁体表观形态；共经历冻融循环400次。

(3) 静力加载试验。完成 400次冻融循环后，卸去持续荷载，进行梁的两点加载试验，测定梁的极限承载力及刚度退化情况。

表1 梁编号及其特性Table1 Symbol of beams and its characteristics

图1 持续荷载加载图Fig.1 Loading setup

2 梁冻融循环后表观现象及加载试验

2.1 梁的冻融循环试验

随着冻融循环次数的增加，梁表面不再光滑，有颗粒脱落，边、角处脱落较快，初始横向裂缝开始变宽、延伸；循环100次后，梁表面生成细裂纹，渐有混凝土呈片状脱落，Beam-0.5和Beam-0.7梁出现新的垂直裂缝；循环200次时，梁的边、角处有骨料露出，梁表面无大面积剥蚀；循环250次时，Beam-0.7出现了沿纵向钢筋宽度为0.05 mm的绣胀裂缝；循环300次后，各组梁表面裂缝和剥蚀明显，垂直裂缝继续变宽、延伸；循环350次时，Beam-0.5出现了沿纵筋方向宽度为0.05 mm的绣胀裂缝；循环400次时，梁表面混凝土变得比较疏松，Beam-0.5的绣胀裂缝宽度达到0.07 mm，Beam-0.7的绣胀裂缝宽度达到0.12 mm。

梁中垂直裂缝高度、宽度随冻融次数增加的变化趋势如图2所示。图中裂缝上的数字串表示冻融循环次数N∶裂缝高度∶最大裂缝宽度；裂缝高度和宽度都以mm为单位，裂缝高度是从受拉混凝土梁底纤维到裂缝端部(例如 400:112:0.30表示经 400次冻融循环以后，裂缝高度为112 mm，相应的最大裂缝宽度为0.30 mm)。

在静力试验结束后将钢筋凿出，测定其锈蚀率，并观察其表面锈蚀程度，如表2所示。

图2 裂缝高度、宽度随冻融循环次数发展示意图Fig.2 Sketch of height and width of cracks under different freeze-thaw cycles

2.2 冻融循环后梁的静力加载试验

图3 所示为经过冻融循环试验和静载试验的5组(共10根)梁的图片。冻融400次时混凝土棱柱体抗压强度为14.95 MPa。试验结果表明：各组梁的破坏过程和类型不尽相同。

对于Beam-Ref：因未经冻融和侵蚀，呈现典型的适筋梁弯曲破坏。

对于Beam-0：经过400次冻融和侵蚀交替作用，但未施加持续荷载，开裂荷载与Beam-Ref的基本相同，破坏过程与Beam-Ref的相似，极限荷载相近。

对于 Beam-0.2和 Beam-0.5：梁受拉区混凝土已经存在的垂直裂缝，经过冻融和侵蚀作用后裂缝明显加大。在静载试验过程中，随着荷载增加，原有裂缝并没有变宽和延伸，全过程都没有新的垂直裂缝产生。达到屈服荷载(极限荷载的 80%左右)时，某条垂直裂缝突然加宽并延长，最终受压混凝土被压碎，梁发生延性破坏。

对于Beam-0.7：梁的破坏表现为弯曲破坏并伴随着黏结破坏。在静载试验过程中，随着荷载增加，原有裂缝并没有变宽和延伸；在其破坏荷载约为85%时，梁的纯弯段出现类似弯曲破坏的特征，有新的裂缝产生，最终原有的某处裂缝突然变宽延伸而破坏。破坏时纵向钢筋界面出现劈裂裂缝，同时，出现钢筋被拉断的脆性破坏，梁突然发生破坏。

表2 试验后钢筋状态Table2 State of bars after experiments

3 试验结果分析

静载试验结果见表3。由表3可以看出：在冻融循环(N=400次)和侵蚀性液体相同的条件下，梁的屈服荷载和极限荷载都随着持续荷载水平的提高而降低，说明持续荷载裂缝对结构冻融和侵蚀环境耐久性影响很大。可能是侵蚀性溶液易进入荷载裂缝，经过冻融循环加速了混凝土劣化(表面剥蚀、微裂缝发展)和钢筋锈蚀，导致纵筋锈胀裂缝，破坏了钢筋与混凝土的黏结，从而使第4组梁产生弯曲破坏伴随黏结破坏的发生。当梁的持载比例为0，0.2，0.5和0.7时，其极限荷载与参考梁极限荷载相比分别降低约4.7%，15.9%，21.9%和29.3%。可见：较高的持续荷载在冻融和侵蚀溶液综合作用下，钢筋混凝土梁的耐久性存在隐患。

图3 静载试验后的各组梁形貌Fig.3 Photos of beams after static load experiment

表3 静载试验结果Table3 Summary of test results under static loading

图4所示为经过400次冻融循环后试验梁的屈服荷载和极限荷载随持续加载水平变化的情况。从图 4可以看出：经过400次冻融循环后，持续荷载水平越高，钢筋混凝土梁的屈服荷载和极限承载力都随着所施加的持续荷载水平加大而迅速降低。

图4 经过400次冻融循环后试验梁屈服和极限荷载随持续荷载的变化Fig.4 Yielding load and ultimate load capacity of beams under persistent load after 400 freeze-thaw cycles

图5 所示为试验梁相应于极限荷载的跨中挠度和极限挠度(荷载挠度曲线下降段上相应于 85%极限荷载的挠度)随持续加载水平变化的情况。从图5可见：随着持续荷载的增加，相应于极限荷载的挠度和极限挠度都随着持续荷载的增大而降低。可见，较大的持续荷载加速了结构的劣化进程。

图6所示为Beam-Ref和Beam-0梁的荷载-挠度曲线(其中：Beam-0梁未施加持续荷载但受到400次冻融循环和侵蚀溶液的交替作用)。从图6可以看出：经过冻融循环和液体侵蚀后，钢筋混凝土梁 Beam-0虽然表面存在剥离，但与参考梁 Beam-Ref相比，其刚度和极限荷载降低幅度不大，说明 Beam-0梁力学性能退化不严重。

图5 跨中挠度随持续荷载的变化Fig.5 Deflection at mid-span under persistent load

图6 Beam-Ref与Beam-0梁的荷载-跨中挠度曲线Fig.6 Load-deflection curves of Beam-Ref and Beam-0

图7 所示为参考梁和在冻融和侵蚀液体交替作用下，不同持载水平梁的荷载-跨中挠度关系曲线(每组选用1条作为代表)。从图7可以看出：经过400次冻融循环后，持续荷载水平越高，钢筋混凝土梁的刚度退化越快，进入非线性阶段的荷载越低。

图7 冻融循环400次时不同持载梁的荷载-跨中挠度曲线Fig.7 Load-deflection curves of beams under different preloading ratios after 400 freeze-thaw cycles

4 结论

(1) 在侵蚀和冻融循环交替作用下，随着冻融次数的增加，钢筋混凝土梁表面剥蚀趋于严重。并且在相同冻融循环次数下，持续荷载高的梁荷载裂缝和锈胀裂缝发展迅速。

(2) 在侵蚀和冻融循环交替作用下，梁的屈服荷载和极限荷载及其相应的变形都随着持续荷载的增加而降低。

(3) 在侵蚀和冻融循环交替作用下，梁的变形能力随着持续荷载的增加而降低。

(4) 本文试验研究了单一浓度混合侵蚀液体与冻融循环复合作用下持载钢筋混凝土梁力学性能退化的情况，混和侵蚀离子浓度变化的影响有待于进一步探讨。

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