盐雾环境与交变荷载下混凝土梁的试验研究*

苏林王 蔡健 刘培鸽 陈庆军† 魏沐杨 容亮湾

(1.华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.中交四航工程研究院有限公司 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室， 广东 广州 510230； 3.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点试验室， 广东 广州 510640)

盐雾环境与交变荷载下混凝土梁的试验研究*

苏林王1，2蔡健1，3刘培鸽2陈庆军1，3†魏沐杨1容亮湾1

(1.华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.中交四航工程研究院有限公司 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室， 广东 广州 510230； 3.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点试验室， 广东 广州 510640)

为实现对海洋盐雾环境与疲劳交变荷载共同作用的模拟，研制了全国首台海洋环境与动荷载耦合试验设备，该设备包括环境箱和加载装置两部分;运用该设备对9个试件进行9种工况下的耦合试验，主要测定参数包括加载频率及梁的应力水平.结果表明:在加载频率相同的情况下，应力水平越大，同深度下的氯离子含量越大;在应力水平为0.30及0.50的情况下，加载频率越大，扩散系数越大;受拉区的氯离子传输速度较受压区明显.由试验数据拟合与由静载经验公式计算得到的混凝土氯离子扩散系数D值的对比表明，加载频率对构件的氯离子传输存在较大的影响．

混凝土梁；交变荷载；盐雾环境；共同作用；应力水平；氯离子；试验研究

现役临海结构的海洋浪溅区同时受到海上盐雾的侵蚀、上部装卸、船舶靠泊及海浪拍打的复合作用，氯离子侵蚀加速了疲劳损伤，疲劳荷载影响氯离子的扩散，二者共同作用使结构发生早期损坏，甚至丧失耐久性能，这已成为实际工程中的重要问题．

早期对混凝土结构耐久性的研究只限于环境、材料及使用方面，而对荷载的影响及荷载与环境的耦合作用研究甚少.但近期的研究表明，外部荷载和环境条件共同作用会促使产生更多的微裂缝，并使原始微裂缝相互连通，使侵蚀性介质更容易进入混凝土内部.杜修力等[1]从高、低荷载水平两方面分别综述了荷载对混凝土中氯离子渗透及扩散性能影响的试验研究、理论分析及数值分析的研究进展，建议在未来进行复杂环境、复杂应力状态下的荷载-环境耦合试验研究.在静态荷载对氯离子扩散的影响方面，不少学者进行了研究[2- 6]，但在动态荷载对氯离子扩散的影响方面，无论是试验或理论分析研究，成果都相对较少.Saito等[7]对混凝土受压构件的氯离子渗透进行了试验研究，结果表明，循环荷载对氯离子侵蚀有较大的影响，循环荷载造成的混凝土损伤和裂缝将加速氯离子的渗透.王彩辉等[8- 9]研究了不同应力水平以及动载与温度耦合作用下氯离子的传输行为，结果显示，氯离子的扩散系数随应力水平和温度的提高而增大.牛荻涛等[10]开展了盐雾环境下弯曲疲劳损伤混凝土的氯离子侵蚀试验研究，结果表明，氯离子在混凝土中的扩散系数随疲劳损伤变量的增加而增大.刘子键等[11]先对钢筋混凝土梁施加疲劳荷载，经过海水浸泡和空气环境干湿循环后，在静力加载下获得钢筋混凝土梁的受弯承载力.Tran等[12]提出了用于预测弯曲循环载荷下素混凝土的受拉区的氯离子扩散系数的模型．

以上研究表明，目前国内外为数不多的动载-

环境耦合试验中，大多是将锈蚀和疲劳荷载分开交替施加，尚未见有可实现海水盐雾环境和疲劳荷载耦合的试验设备，缺少对交变荷载和海洋盐雾环境作用下的试验研究，因而其试验结果与实际情况存在一定的差别．

为此，文中研制了可以实现盐雾环境和疲劳荷载耦合的试验设备，并进行9根钢筋混凝土梁试件在9种工况下的试验研究，以探讨混凝土结构海水盐雾环境和疲劳荷载共同作用下的氯离子传输行为．

1 试验仪器设备

自主研制的设备包括加载装置和海洋环境试验箱两部分.实现加载装置与环境箱共同工作是本试验设备的核心问题，本设备采用了轨道连接的方式，以方便试验试件“出入”箱体.试验机底座设置T型滑槽，环境箱底部装配底轮，可沿轨道滑入电液伺服动静试验机下方，试验时锁住滑动槽;当进行普通疲劳试验时，环境箱解锁并滑出.另外，环境箱上部设有活动“箱门”，上部加载装置的加载头可内置于环境箱内部，且有利于试验试件的吊装.环境箱与加载装置的连接如图1所示．

图1 环境箱与加载装置的连接

Fig.1 Connection between loading equipment and environmental cabinet

合理的喷洒口数量及位置是保证海洋环境与荷载耦合试验成功的基础.考虑了试件高度与环境箱相对位置、指定浓度盐雾的喷洒等主要因素后，最终确定了本试验设备的喷洒口位置及数量如图2所示，总计12个喷洒口，其中位于箱底6个，环境箱长侧面各布置3个．

图2 喷洒口的位置及数量

本试验设备的加载装置可实现正弦、方波、三角波、单调波和简单正弦叠加波加载，最大静态荷载为±500 kN，最大动态荷载为±400 kN，频率为0.01～20 Hz，精度为示值的±1%，可满足试验模拟需求．

2 疲劳荷载及腐蚀耦合作用试验

2.1 试验材料和试件制作

所用试验材料如下:珠江水泥厂生产的粤秀牌P.Ⅱ42.5R型硅酸盐水泥;黄埔电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，密度为2 140 kg/m3;广东韶钢嘉羊S95矿渣粉，密度为2 900 kg/m3;广州产河沙，表观密度为2 650 kg/m3，细度模数为2.7，Ⅱ区级配;粗骨料用最大粒径为20 mm的复合级配碎石，粒径为5～10 mm和10～20 mm的碎石质量之比为3∶7，表观密度为2 660 kg/m3;拌和用水为自来水;外加剂用广州四航材料公司生产的聚羧酸高效减水剂.胶凝材料的化学成分见表1，其中IL为灼烧减量．

海洋浪溅区的混凝土结构采用海工高性能混凝土，水胶比为0.32～0.36.本研究采用的水胶比为0.35，利用粉煤灰和矿渣粉取代部分水泥；胶凝材料中，水泥、粉煤灰、矿渣粉分别占40%、20%、40%.混凝土配合比中，胶材总量为420 kg/m3，砂为723 kg/m3，碎石为1 084 kg/m3，水为147 kg/m3.混凝土28d的抗压强度为61.8 MPa，28 d的抗折强度为6.4 MPa．

表1 胶凝材料的化学成分

图3 试件配筋示意图(单位：mm)

2.2 试验方法

钢筋混凝土梁养护28 d龄期后，将试验梁置于自制的动态荷载与海洋环境同步耦合设备(见图4)中，依照《海港工程高性能混凝土质量控制标准》中硬化混凝土氯离子扩散系数浸泡试验的规定[13]，对试件进行浪溅区盐雾喷洒腐蚀环境模拟，采用165 g /L的NaCl溶液对试件进行喷洒，喷洒流量为10 L /h．

图4 同步耦合设备

疲劳试验采用三分点等幅加载方式(见图5)，按照文献[14]方法进行.荷载波为正弦波，疲劳荷载循环应力比为0.2，应力水平(α)为0.15、0.30、0.50(疲劳荷载最大值与试件极限抗弯承载力对应荷载的比值)，每个试件循环加载均为200万次.每种应力水平采用2、5、10 Hz加载频率.共设计了9个试件，如表2所示.试件编号中，Hz之后的数字代表频率，L之后的数字代表应力水平，如Hz10- L015代表加载频率为10 Hz、应力水平为0.15的试件．

图5 加载方式(单位:mm)

试件编号试验机频率/Hzα试验时间/hHz10⁃L015015555Hz10⁃L03010030555Hz10⁃L050050555Hz5⁃L0150151110Hz5⁃L03050301110Hz5⁃L0500501110Hz2⁃L0150152800Hz2⁃L03020302800Hz2⁃L0500502800

2.3 氯离子含量测定方法

每次试验结束后，试件取芯在混凝土专用钻台上钻孔进行，取芯位置(图6中处)为试件的纯弯曲段，在每根梁底的纯弯段区域钻取3个孔样，取芯直径为100 mm、深度为50～80 mm，测试结果为3组数据的平均值.其中BS、TS和B分别代表梁侧面底部、梁侧面顶部和梁底部.芯样的制作及氯离子含量的测定参照文献[15]规定进行．

图6 试件取芯位置

根据《海港工程高性能混凝土质量控制标准》[13]，混凝土取粉的面积应不小于粗骨料最大粒径的3倍.本试验采用的粗骨料最大粒径为20 mm，取粉面积为直径100 mm的圆孔，满足规范要求，可有效降低粗骨料的影响.测试混凝土粉样前，先将粉样烘干，以避免粉样中水分对氯离子含量测试结果的影响.采用硬化混凝土磨粉机制取粉样，磨粉面积、深度可精确控制，且每磨完一层后，清理磨头及未收集完的上层粉样，以避免钻取过程中其他深度粉样的干扰．

本试验精确取样的具体方法如下:在试验结束后将加载构件从环境箱中取出，在不同部位钻取直径为100 mm的芯样，如图6(c)所示，将取回的芯样利用硬化混凝土磨粉机(见图7(a)，其内部结构如图7(b)所示)分层磨粉,该设备预设固定坐标，通过与固定坐标的标定来实现每层混凝土粉样的精确控制，控制精度可达0.5 mm.混凝土试件的氯离子扩散系数测试方法按照文献[13]的要求进行.混凝土粉样中的氯离子含量测试所用仪器为瑞士万通公司的785DMP型自动电位滴定仪．

图7 硬化混凝土取粉设备

3 试验结果与分析

3.1 梁侧面底部的氯离子含量分析

在不同加载频率(2、5、10 Hz)下，各个试件梁侧面底部在不同应力水平作用时的氯离子含量随取芯深度的变化如图8所示.由图中可见，对于加载频率为5 Hz和10 Hz的试件，在相同深度处，一般应力水平越大，氯离子含量越大.此现象在靠近表面区域较明显，随深度的增大，氯离子含量差异减小.在靠近混凝土表面区域(深度在1～4 mm之间)，氯离子含量曲线有一上凸的现象，与其他文献的结果相似，这是因为在靠近表面处存在对流区，此区域内氯离子传输相对不稳定，氯离子含量经常发生变化．

图8 不同加载频率下梁侧面底部的氯离子含量分布

Fig.8 Distribution of chloride content at the beam side bottom under different loading frequencies

对于饱和混凝土中氯离子的传输规律，大多采用Fick第二定律来描述其扩散过程[16]，而对于非饱和混凝土中氯离子的传输规律，则必须考虑其中存在的对流现象，因而需要采用扩散对流方程进行描述[17- 18].此时，扩散对流方程的形式如下:

(1)

式中:t为时间;x为氯离子浓度测定位置到混凝土表层的距离;C为混凝土中氯离子的质量分数;D(t，x)为与时间和距离相关的混凝土中氯离子的表观扩散系数;u为对流速度，在分析中可以从宏观角度出发假定其为不随时间变化的常量．

若假定氯离子扩散系数为一常量，则式(1)可转换为

(2)

式(2)是对流扩散偏微分方程式，此方程很难求得解析解，只能通过数值方法进行求解，可通过有限单元法、有限差分法、有限体积法等来求解.文中利用有限差分法的无条件稳定的Crank-Nicolson算法编制了Matlab程序，用于求解式(2)．

为了对文中的试验数据进行最小二乘法拟合，需同时对3个未知数(u、D及混凝土表面氯离子质量分数Cs)进行迭代拟合，计算经常无法收敛.为此，参考文献[17]给出的对流速度u的数值范围(8～45 pm/s)对本次试验数据进行拟合，以求得扩散系数D.计算结果表明，在u的建议取值范围内，D的变化幅度在1.5%以内，故文中取u=20 pm/s对梁侧面底部数据进行拟合，得到的扩散系数D如表3所示．

表3 不同情况下拟合得到的氯离子扩散系数Table 3 Fitted chloride diffusion coefficients under different cases

由于试验试件数量不多，其结果存在一定的离散性.同时由于疲劳荷载作用下，混凝土受拉区域会产生裂缝，裂缝处氯离子的传输行为会相对不稳定，若取样位置与裂缝相交会导致结果具有一定的离散性，但从图8和表3可见，一般而言，在同一加载频率下，应力水平越高，其扩散系数越大，表明混凝土在拉应力耦合作用下，其氯离子传输会更加剧烈;对于应力水平相同的试件，在应力水平为0.30及0.50时，随着加载频率的增大，扩散系数有增大的趋势，这表明氯离子的传输性与加载频率相关，随着加载频率的增大，荷载作用越剧烈，传输速度更快.这可能与高频作用下混凝土内部微裂缝联通速度增快有关.应力水平为0.15时此现象不明显，结果离散度较大．

3.2 梁不同位置的氯离子含量对比

图9给出了梁侧面底部、梁侧面顶部的氯离子含量分布对比.可以看出:梁侧面底部、梁侧面顶部的氯离子含量曲线在同一应力水平下的形状大致相同，数值差异不大;当加载频率为5 Hz和10 Hz时，在较高应力水平(0.50)下，梁侧面底部氯离子含量比梁侧面顶部要略高，原因是梁侧面底部混凝土处于受拉状态，而梁侧面顶部混凝土处于受压状态，受拉区的裂缝对氯离子传输有一定的促进作用[1]．

图9 梁侧面底部及侧面顶部的氯离子含量分布对比

Fig.9 Comparison of chloride content distribution between the side top and the side bottom of the beam

表4给出了拟合得到的不同加载频率下梁侧面底部(受拉区)与梁侧面顶部(受压区)的氯离子扩散系数D.从表中可见，在加载频率为2 Hz和5 Hz时，梁侧面底部的氯离子扩散系数比梁侧面顶部略大，原因是扩散系数与应力状态相关，混凝土受拉时其传输速度加快(扩散系数增大)，反之，传输速度有所下降(扩散系数减小)，这与前面对氯离子含量曲线的分析结果基本一致．

表4 不同情况下受拉区与受压区的氯离子扩散系数拟合结果

Table 4 Fitted results of chloride diffusion coefficient of the tensile and compressive regions under different cases

位置D/(μm2·s-1)Hz10⁃L050Hz5⁃L050Hz2⁃L050受拉区599521302315受压区724514582245

在加载频率为5 Hz和10 Hz时，梁侧面底部与梁底部在应力水平为0.30和0.50下的氯离子含量分布比较如图10所示.由图可见，梁侧面底部与梁底部的氯离子传输规律差异不明显，因为梁侧面底部和梁底部的受力状态相同，均为受拉，但形状略有差异，表明结果还是具有一定的离散性．

图10 梁侧面底部及梁底部的氯离子含量分布对比图

Fig.10 Comparison of the chloride content distribution between the bottom and the side bottom of the beam

3.3 试验数据拟合与经验公式计算的D值对比

为了验证静态荷载下经验公式对疲劳荷载下结果的适用性，采用文献[5]的公式计算静态荷载下的D值，并与用本试验数据拟合所得D值进行比较．

基于试验研究，文献[5]提出了考虑水灰比、温度、湿度、应力水平等影响因素的扩散系数DCl计算模型:

(3)

将本试验的各参数代入式(3)可求得静态荷载下氯离子扩散系数D值，如表5所示.由表中可见:在相同加载时间与拉应力状态下，应力水平越大，扩散系数越大，压应力状态则相反;在相同应力水平与应力状态下，加载时间越长，扩散系数越小;在相同加载时间和应力水平下，受拉时扩散系数较受压时大．

表5 根据式(3)计算得到的D值

对比表3-5可见，由本试验数据拟合得到的D值普遍比按式(3)计算得到的D值大.其原因可能是疲劳荷载下混凝土裂缝连通，氯离子的传输水平有所提高[2]，而频率越高，差距相对越大，这表明了加载频率对结构的传输性存在着较大的影响．

文中试验结果表明，相比于无荷载或者静态荷载下的研究结果，在氯离子与疲劳荷载耦合下结构氯离子的传输速率明显增大.采用目测方式时在钢筋混凝土梁的表面没有观察到裂缝.对钢筋混凝土梁钻芯样进行抗压强度测试，混凝土芯样的抗压强度并没有显著降低.因此,文中通过CT成像技术对不同应力水平下钢筋混凝土梁的相同部位芯样进行观测，结果见图11．

图11 不同应力水平下混凝土内裂缝宽度的CT图像

Fig.11 CT images of crack width for RC beams under different load levels

由图11可见，200万次疲劳荷载作用后，混凝土内部会产生部分微裂缝，且试件的裂缝宽度随应力水平的提高而增大，当应力水平由0.15提高至0.50时，裂缝宽度由28.8 μm增加至45.6 μm.而研究表明，混凝土内部孔隙率和裂缝增加会降低混凝土的抗氯离子渗透性能[6].

4 结论

(1)根据试验研究的特点自主研发的国内首台海洋环境与动态荷载耦合试验设备，可完成模拟盐雾环境和疲劳荷载共同作用的试验．

(2)一般而言，在加载频率相同的情况下，应力水平越大，相同深度下的氯离子含量越大;在应力水平为0.30及0.50的情况下，加载频率越大，扩散系数越大;受拉区氯离子的传输速度较受压区更明显．

(3)对比由试验数据拟合得到的D值与根据经验公式计算得到的D值可知，加载频率对结构的传输性存在较大的影响，在疲劳荷载作用下构件氯离子的传输速率比无荷载或者静态荷载作用下有较大的提高．

由于文中试件数量不多，为了更好地揭示它们的内在机理，尚需进行更多的试验研究，才能更好地揭示临海建筑物的耐久性．

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Experimental Investigation into RC Beam Under the Action of Alternating Load in Salt-Spray Environment

SULin-wang1，2CAIJian1，3LIUPei-ge2CHENQing-jun1，3WEIMu-yang1RONGLiang-wan1

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2.Key Laboratory of Durability Technology for Harbor and Marine Structure Ministry of Communications, CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510230, Guangdong, China;3.State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

In order to simulate the coupling action of salt-spray environment and fatigued alternating load exactly, the national first marine environment-dynamic load coupling test equipment, which consists of a loading device and an environmental cabinet, was developed. Then, a series of experiments were carried out on nine reinforced concrete (RC) beams under nine kinds of working conditions to test the parameters including loading frequency and beam’s stress level. Experimental results show that (1)at the same loading frequency and depth, the greater the stress is, the larger the content of chloride ions is;(2) in a stress level of 0.30 or 0.50, greater loading frequency may result in larger diffusion coefficient;and (3) the penetration of chloride ions in the tensile area is more evident than that in the compressive area. From the comparison of the tested chloride diffusion coefficientDvalues of concrete with the ones calculated by the empirical formula for static load, it is found that loading frequency has an obvious influence on the penetration of chloride ions of the beam.

reinforced concrete beam;alternating load;salt-spray environment;interaction;stress level;chlorine;experimental investigation

2016- 04- 08

交通运输部西部交通建设科技项目(201132849A1140);华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题 (2013ZC19);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015ZM187) Foundation item: Supported by the Ministry of Transport Western Traffic Construction Technology Project(201132849A1140)

苏林王(1979-),男,博士生,高级工程师,主要从事结构耐久性研究.E-mail:slinwang@gzpcc.com

†通信作者: 陈庆军(1975-),男,博士,副教授,主要从事结构工程研究.E-mail:qjchen@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)05- 0097- 08

TU 398

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.014