环境和荷载对RC柱滞回性能和氯质量分数的影响

沈 孛，刁 波，叶英华，耿 娇

(1.北京航空航天大学土木工程系，100191北京;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，510640广州)

我国是地震多发国家，混凝土结构在正常使用阶段通常是带裂缝工作的，沿海环境下混凝土结构经历一段时间的使用荷载和氯离子侵蚀综合作用后的抗震性能和耐久性能引人关注.耐久性设计规范［1］将海洋氯化物环境分为大气区、潮汐区、浪溅区等.金祖权等［2］试验研究了长期浸泡和浸泡烘干循环混凝土中氯离子扩散规律，发现与长期浸泡相比，浸烘循环增加了氯离子在混凝土中的扩散速率;Thomas［3］研究了海水潮汐区钢筋混凝土试件中钢筋锈蚀及氯离子含量，发现增加粉煤灰掺量会降低氯离子阈值;Cheewaket等［4］对建成10年的海港的不同深度混凝土取样测试氯离子含量，提出钢筋开始锈蚀的氯离子含量阈值.

牛荻涛等［5］和贡金鑫等［6］研究了钢筋锈蚀率对钢筋混凝土偏压构件抗震性能的影响，刘伯权等［7］通过幅对称位移低周疲劳加载试验研究混凝土柱的累积损伤;Li［8-9］试验研究了不同裂缝宽度钢筋混凝土梁的氯渗透性，基于试验结果提出初始裂缝宽度限值为0.1 mm;Win等［10］用电子探针测试荷载裂缝宽度分别为0.1、0.2、0.3 mm时，从裂缝面或试件表面渗透的氯离子浓度和深度，结果表明，裂缝面渗透的浓度约是表面渗透的2倍，裂缝宽度为0.1 mm和0.2 mm时氯溶液的渗透深度相近;Diao等［11-12］研究了持续承载的钢筋混凝土构件经历侵蚀和冻融综合作用后剩余承载力的变化规律，证实持续荷载加剧了构件的劣化速度;Tammo等［13］通过轴心加载柱试验，证实钢筋应力是混凝土裂缝宽度的主要影响因素;Berto等［14］通过非线性分析研究钢筋锈蚀和环境对结构抗震性能的影响，建议进行在役混凝土结构剩余抗震性能试验.对于同样承受持续偏压荷载的钢筋混凝土柱，经历海水干湿循环后的滞回性能与放置在大气环境下的有何差别尚未见相关文献报导.

本文首先模拟结构正常使用状态，利用螺栓杆和螺帽对RC柱施加偏压荷载，再进行100次海水干湿循环模拟沿海潮汐环境或放置在大气环境下100 d，最后进行低周水平反复加载试验并测试氯离子质量分数.研究持续偏压荷载比例分别为0、0.2、0.35时，海水干湿环境与大气环境下RC柱滞回性能的差异和氯离子质量分数的差异.

1 试验概况

1.1 试件设计

总共制作7个RC柱试件和3个混凝土立方体试件，7个柱试件编号为Z0～Z6.RC柱试件尺寸及配筋见图1，保护层厚度为25 mm.龄期28 d时对参考柱试件Z0进行单调加载得到极限偏压荷载，作为柱试件Z1～Z6持续偏压荷载的参考.各试件的试验环境和持续荷载比例(持续偏压荷载与极限偏压荷载的比值)见表1.柱试件Z1～Z3处于大气环境，柱试件Z4～Z6处于海水干湿循环环境.

图1 柱试件几何尺寸及配筋

表1 柱试件Z0～Z6的试验条件

因本试验重点研究不同持续荷载比例和不同环境下RC柱的滞回性能和氯离子质量分数的差异，且RC柱试件的截面尺寸和配筋均相同，故可忽略尺寸效应的影响.

混凝土骨料最大粒径为10 mm，细骨料中砂的细度模数为2.6，硅酸盐水泥强度等级PC32.5R，混凝土配合比见表2.纵筋直径8 mm，屈服强度为250 MPa，混凝土28 d立方体抗压强度为51.1 MPa.

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 试验方案

如表1所示，7个柱试件编号为Z0～Z6.试件Z0在28 d龄期时测得极限偏压荷载Pu=65.1 kN，偏心距为100 mm.依据表1的持续荷载比例，28 d龄期时对柱试件Z1和Z4，Z2和Z5，Z3和Z6分别施加0、0.2Pu、0.35Pu的持续偏心压力，施加方式与文献［15］相同.

依据表1的试验环境和循环次数，柱试件Z1～Z3在大气环境下放置到龄期128 d.柱试件Z4～Z6在(20±3)℃的海水中完成100个干湿循环.每个海水干湿循环持续24 h，其中在海水中浸泡12 h，在大气环境下放置12 h.海水按3%NaCl和0.34%MgSO4的配比人工配置.

依据表1的加载龄期和加载方式，到128 d龄期时，卸去柱试件的持续偏压荷载，进行柱顶低周水平反复加载试验.反复加载试验装置如图2所示.先在柱顶施加轴心受压荷载至105 kN(轴压比为0.19)，并在整个加载过程保持不变，再在柱顶施加由水平位移控制的低周反复荷载，每级位移增量为2 mm，逐级加载至荷载下降到峰值荷载的85%后结束试验.试验过程中，纵筋和混凝土应变、以及水平位移等数据由IMP系统自动采集.

水平低周反复加载试验完成后，在柱试件Z1～Z6承受持续偏压荷载的受拉侧，分别距受拉表面20 mm和40 mm深处取样混凝土，测定自由氯离子质量分数.

图2 低周水平反复加载装置

2 主要试验结果及分析

2.1 RC柱试件主要试验结果

表3给出了低周水平反复加载试验结果，即柱Z1～Z6的屈服荷载、峰值荷载、破坏荷载及其对应的柱顶水平位移.正向加载是指水平荷载产生的截面应力分布与持续偏压荷载同向，反向加载指水平荷载产生的截面应力分布与持续偏压荷载反向，下同.

表3 柱试件Z1～Z6的特征荷载与位移

由表3可以看出，正向加载时，大气环境柱Z1～Z3和海水干湿柱Z4～Z6的屈服荷载、极限荷载和延性系数均随持续偏压荷载比例的增加而降低，反向加载时变化规律不明显.

2.2 荷载-位移滞回曲线

将持续荷载比例相同的大气环境柱和海水干湿柱的滞回曲线绘于图3.由图3可见，海水干湿柱的加载刚度和峰值荷载均小于大气环境柱;越过峰值荷载后，干湿循环柱的承载力下降速度比大气环境柱快;随着持续荷载比例增加，海水干湿柱和大气环境柱的滞回曲线均呈现不对称，其中，海水干湿柱的不对称性更加显著.

造成滞回曲线不对称的原因有:首先，柱试件从28 d龄期起受到持续偏压荷载作用100 d，受压区混凝土产生徐变，受压钢筋产生预压应力，从而提高反向加载刚度和峰值荷载;其次，在海水干湿循环过程中，海水易通过柱试件Z5和Z6裂缝渗入混凝土并造成腐蚀，导致其滞回曲线不对称甚于柱Z2和Z3.贡金鑫等［6］的试验结果也表明钢筋锈蚀使柱的滞回曲线呈现明显的不对称.

图3 海水干湿柱与大气环境柱滞回曲线比较

2.3 海水干湿柱与大气环境柱峰值荷载

将海水干湿柱和大气环境柱在正向加载和反向加载时的屈服荷载、峰值荷载与持续荷载比例的关系绘于图4.由图4可见，正向加载时，大气环境柱的屈服荷载、峰值荷载均大于海水干湿柱.反向加载时，变化规律不明显.

图4 不同持续荷载比例柱试件的屈服荷载和峰值荷载

2.4 海水干湿柱与大气环境柱延性

将海水干湿柱Z4、Z5、Z6和相同持续荷载比例的大气环境柱Z1、Z2、Z3的延性系数的比值列于表4.由表4可见，正向加载时，延性比值随持续荷载比例变化较小，说明两种环境对延性影响不大.

表4 海水干湿柱和大气环境柱峰值荷载和延性比值

2.5 海水干湿柱与大气环境柱刚度

将海水干湿柱和大气环境柱在正向加载和反向加载时的割线刚度变化曲线绘于图5.由图5可见，正向加载时，持续偏压柱试件 Z2、Z3、Z5、Z6的刚度均低于未承受偏压柱试件Z1和Z4，说明持续偏压荷载使RC柱的正向加载刚度降低.反向加载时，则无明显规律.因此，无论是正向加载还是反向加载，海水干湿柱和大气环境柱割线刚度无明显差异.

图5 海水干湿柱与大气环境柱刚度比较

2.6 海水干湿柱与大气环境柱的耗能能力

骨架曲线所围面积可近似表示耗能能力.过峰值荷载后下降到85%峰值荷载时，骨架曲线与坐标轴所围面积值(耗能)绘于图6.由图6可见，海水干湿柱的耗能能力小于大气环境柱.将海水干湿柱Z4、Z5、Z6的耗能值分别除以相同持续荷载比例的大气环境柱Z1、Z2、Z3的耗能值，所得比值见表5.持续荷载比例为0.35时，正向加载耗能比为0.57(海水干湿柱耗能较大气环境柱低43%)，反向加载耗能比为1.08.说明海水干湿柱Z6正向耗能明显减弱，反向耗能增加，可见，持续偏压荷载耦合海水干湿作用对RC柱耗能的影响大于持续偏压大气环境柱.

图6 海水干湿柱与大气环境柱耗能比较

表5 海水干湿柱与大气环境柱的耗能能力

将相同持续荷载比例的海水干湿柱与大气环境柱的骨架曲线绘于图7.由图7可见，持续荷载比例不大于0.2时，骨架曲线接近，越过峰值点后海水干湿循环柱Z4和Z5的承载力下降速度较大气环境柱Z1和Z2略快;持续荷载比例为0.35时，海水干湿柱Z6骨架曲线的不对称性较大气环境柱Z3更加显著.

图7 海水干湿柱与大气环境柱的骨架曲线对比

2.7 海水干湿柱与大气环境柱氯离子质量分数

低周反复加载试验结束后，在柱试件Z1～Z6承受持续偏压作用的受拉侧，距受拉表面20 mm和40 mm深处取样混凝土，测定氯离子质量分数的结果见表6，环境影响比较见表6和图8.

表6 海水干湿柱与大气环境柱的氯离子质量分数

图8 海水干湿柱与大气环境柱氯离子质量分数比较

图8(a)给出了海水干湿柱和大气环境柱距受拉表面20 mm处混凝土的氯离子质量分数.可以看出，持续荷载比例相同时，海水干湿柱受拉混凝土的氯离子质量分数远高于大气环境柱.表6给出了两者的氯离子质量分数比值，即海水干湿柱的氯离子质量分数是大气环境柱的3.3倍以上.图8(b)给出了40 mm处混凝土的氯离子质量分数比较.由图8(b)可见，无持续荷载时海水干湿柱与大气环境柱的氯离子质量分数基本相同;随着持续荷载比例增加，海水干湿柱的氯离子质量分数增加，而大气环境柱的氯离子质量分数大体相同.由表6可见，无论在20 mm还是40 mm深处，持续偏压荷载耦合海水干湿循环作用后，海水干湿柱与大气环境柱氯离子质量分数的比值均在3.0倍以上;说明持续偏压荷载耦合海水干湿循环作用时的氯离子质量分数增幅大于持续荷载单独作用(即相同持续荷载比例的大气环境柱).

低周反复加载试验完成后，除去保护层，可以看到柱试件中钢筋的锈蚀状态.试件Z1～Z4的纵筋和箍筋均无锈蚀，仅海水干湿柱Z5和Z6的受拉一侧的箍筋出现锈蚀.如图9所示，试件Z5的箍筋出现轻微锈蚀，试件Z6的箍筋锈蚀程度较重.可见，持续受拉应力耦合海水干湿循环加速了钢筋的锈蚀.

图9 不同持续荷载比例海水干湿柱受拉侧箍筋锈蚀状态

3 结 论

1)当柱顶水平荷载与持续偏压荷载产生的截面应力分布同向时，海水干湿柱和大气环境柱的屈服荷载、峰值荷载和延性均随持续荷载比例提高而降低;反之，变化规律不明显.

2)持续偏压荷载作用下，海水干湿柱和大气环境柱的滞回曲线均随持续荷载比例提高而呈现不对称性，其中，海水干湿柱的不对称性更加显著.

3)当柱顶水平荷载与持续偏压荷载产生的截面应力分布同向时，海水干湿柱的峰值荷载和耗能能力均小于相同持续荷载比例的大气环境柱;持续荷载比例为0.35时，海水干湿柱的峰值荷载和耗能能力分别比大气环境柱低11%和43%.

4)持续偏压荷载耦合海水干湿循环作用后，距受拉表面20 mm和40 mm深处，受拉混凝土的氯离子质量分数是持续偏压荷载单独作用(即大气环境柱)的3倍以上.可见，持续偏压荷载耦合海水干湿循环作用加速了氯离子的渗透，进而会影响RC结构的使用寿命.

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50476—2008混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］金祖权，孙伟，张云升，等.混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程［J］.硅酸盐学报，2006，34(5):631-635.

［3］THOMAS M.Chloride thresholds in marine concrete［J］.Cement and Concrete Research，1996，26(4):513-519.

［4］CHEEWAKET T，JATURAPITAKKUL C，CHALEE W.Initial corrosion presented by chloride threshold penetration of concrete up to 10 year-results under marine site［J］.Construction and Building Materials，2012，37:693-698.

［5］牛荻涛，陈新孝，王学名.锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性能试验研究［J］.建筑结构，2004，34(10):58-64.

［6］贡金鑫，仲伟秋，赵国藩.受腐蚀钢筋混凝土偏心受压构件低周反复性能的试验研究［J］.建筑结构学报，2004，25(5):92-98.

［7］刘伯权，白绍良，赖明.等幅对称位移循环下钢筋混凝土柱的破坏［J］.福州大学学报，1996，24(9):33-42.

［8］LI C Q.Initiation of chloride-induced reinforcement corrosion in concrete structural member-experimentation［J］.ACI Structure Journal，2001，98(4):502-510.

［9］LI C Q.Initiation of chloride-Induced reinforcement corrosion in concrete structural members-prediction［J］.ACI Structural Journal，2002，99(2):133-141.

［10］WIN P P，WATANABE M，MACHIDA A.Penetration profile of chloride ion in cracked reinforced concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(7):1073-1079.

［11］DIAO Bo，ZHANG Jian，YE Yinghua，et al.Effects of freeze-thaw cycles and seawater corrosion on the behavior of reinforced air-entrained concrete beams with persistent loads［J］.Journal of Cold Regions Engineering，ASCE，2013，27(1):44-53.

［12］DIAO Bo，SUN Yang，YE Yinghua，et al.Effects of mixed corrosion， freeze-thaw cycles， and persistent loads on behavior of reinforced concrete beams［J］.Journal of Cold Regions Engineering，ASCE，2011，25(1):47-63.

［13］TAMMO K，THELANDERSSON S.Crack behavior near reinforcing bars in concrete structures［J］.ACI Structural Journal，2009，106(3):259-268.

［14］BERTO L，VITALIANI R，SAETTA A，et al.Seismic assessment of existing RC structures affected by degradation phenomena［J］.Structural Safety，2009，31:284-297.

［15］刁波，孙洋.混合侵蚀与冻融交替作用下持载钢筋混凝土偏压构件试验［J］.建筑结构学报(增刊 2)，2009，S2:292-297.