氯离子环境下钢筋混凝土棱柱体抗压力学性能试验研究

曹 琛

（西安外事学院建筑工程系，西安710077）

0 引 言

混凝土结构是我国最主要的结构形式之一。近年来，我国沿海地区混凝土结构发展越来越迅速，但伴随的混凝土耐久性问题也日益突出。近海大气环境中，氯离子对混凝土结构的侵蚀作用是其耐久性下降的一个主要原因［1-2］，每年我国因氯盐腐蚀建筑结构，而耗费大量的人力、物力、财力，给经济造成巨大的损失。因此，研究氯离子对混凝土结构耐久性的影响非常重要。目前，关于腐蚀环境对混凝土结构各项力学性能的影响已做了大量的研究［3-8］，但是对于氯离子环境下混凝土结构抗压力学性能的研究并不多见。鉴于此，拟对氯离子环境下不同锈蚀程度的混凝土棱柱体进行了轴心抗压试验，以研究氯离子环境下混凝土棱柱体受压各项力学性能指标的变化规律，该研究结果将为在役混凝土结构耐久性评价及抗震性能评估提供资料和理论支撑。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验共设计钢筋混凝土棱柱体试件12 组，每组有3 个完全相同试件，共计36 个。试件截面尺寸为150 mm×150 mm×450 mm，纵筋为412，箍筋为φ8@80，混凝土保护层厚度为10 mm。以箍筋锈蚀率和混凝土强度为主要变化参数，其中箍筋锈蚀率通过控制裂缝宽度的方法来确定。试件设计参数见表1。试验用混凝土采用搅拌机拌制，其中 C30、C40 混凝土采用 P.O32.5 级水泥，C50 混凝土采用P.O42.5 级水泥，搅拌水为自来水，粗骨料为天然碎石，试验用河砂为天然中砂。试件纵筋均为412，箍筋均为φ8@80。为加速箍筋锈蚀，在制作试件时加入水泥重量5%的食盐。测量混凝土立方体试块抗压强度并折算为标准混凝土立方体28 d 抗压强度fcu，混凝土轴心抗压强度fc可取为0.76 倍标准立方体试块抗压强度。C30、C40、C50 混凝土轴心抗压强度分别为28.18 MPa、35.18 MPa、45.23 MPa。不同设计强度每立方米混凝土各组分的用量见表2。

表1 试件设计参数Table 1 Specimen design parameters

1.2 腐蚀方案

将养护好的试件放入盐雾箱内进行腐蚀，为了模拟实际环境，采用干湿循环的方法，先将盐雾箱内的温度调整为45 ℃，湿度为90%，持续3 h后，再将箱内的温度升高至60 ℃±2 ℃进行烘干，并持时2 h。除了对照组，综合盐雾腐蚀实验室的盐雾氯离子浓度取为5%，采用间断喷雾的方式，以 1 h 为周期，喷雾 20 min 间歇 40 min，以保持盐雾箱内的盐雾浓度恒定。在腐蚀实验过程，需定期进入室内观察试件的顺筋裂缝发展情况，并用精度为0.01 mm、量程为0～10 mm 的裂缝观测仪对试件表面的锈胀裂缝进行观测，达到预计裂缝宽度的试件即可搬出盐雾箱。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix kg/m3

1.3 试验装置与加载方法

1.3.1 轴压试验装置

试件轴心抗压试验采用西安外事学院微机控制电液伺服压力试验机，如图1 所示，竖向最大静载力可达5 000 kN。

图1电液伺服压力试验机Fig.1 Electro-hydraulic servo pressure testing machine

1.3.2 加载制度

本试验采用位移控制的加载方式，由于大部分试件经受了锈蚀损伤，且为仔细观察试件破坏过程其状态，故位移加载速度参照以往经验选为0.3 mm/min，采用等位移速度单调加载，直至试件受压破坏。

2 试验结果与分析

2.1 试件腐蚀损伤状态

当试件腐蚀时间较短时，试件表面变化不明显，个别部位会出现红褐色点，继续腐蚀，这些红褐色点的面积慢慢增大，锈迹现象已逐渐明显；随着锈蚀时间的增长，锈蚀产物进一步增多，红褐色的锈迹点已贯通形成一小片，混凝土保护层开始出现锈胀裂缝，随着腐蚀时间的继续延长，锈蚀产物的渗出量和锈胀裂缝的宽度逐渐增大。在每一组裂缝宽度相同（0，0.8 mm，1.0 mm，1.3 mm）的试件中挑选一个，其腐蚀损伤状态照片如图2所示。

图2 试件腐蚀损伤图Fig.2 Specimens corrosion damage diagrams

从图2 中可以看出，锈蚀裂缝为0.8 mm 的试件只有少量较小的锈蚀点出现，锈蚀产物的颜色较淡，其外观形态和未锈蚀试件基本相同，锈蚀裂缝为1.0 mm 的试件其锈蚀点的面积逐渐增大，红褐色锈蚀产物渗出量增大，颜色逐渐变深；当锈蚀裂缝达到1.3 mm 时，试件锈蚀现象已十分明显，红褐色锈蚀产物成片出现，锈胀裂缝部分贯通，有的试件角部遭到锈胀破坏。

2.2 试件轴压破坏状态

混凝土棱柱体的受压破坏过程已很明晰，其破坏过程可简单描述为:内部微裂缝产生、裂缝发展与贯通、破坏斜面形成直至试件被压坏。试件经过氯盐腐蚀后，在受压之前其内部本身已存在锈蚀裂缝，当试件受压之后，新的内部微裂缝不断产生，同时原有锈蚀裂缝缓慢、持续发展，两种裂缝间产生贯通，试件最后的受压破坏斜面基本是在原有锈胀裂缝基础上发展形成的。且试件锈蚀越严重，其破坏过程加快，钢筋混凝土棱柱体破坏状态由延性破坏变为脆性破坏。试件最终破坏形态如图3 所示（每组试件中挑选一个典型破坏的试件列出）。

2.3 试件应力-应变曲线

试验得出12 组试件的实测受压应力-应变曲线，为了比较混凝土强度和箍筋锈蚀裂缝宽度对混凝土棱柱体受压应力-应变曲线的影响，本试验对每组3 个试件的应力-应变曲线取平均值，然后对其进行对比。

2.3.1 不同锈蚀裂缝宽度下试件应力-应变曲线对比

当混凝土强度相同时，不同箍筋锈蚀裂缝宽度下的混凝土应力-应变曲线如图4 所示。从图中可以看出:在加载初期试件应力较小时，不同锈蚀裂缝宽度下的各试件应力-应变曲线基本重合，强度基本相同；随着荷载的继续增大，不同锈蚀率的各试件其应力-应变曲线差别较明显，试件裂缝宽度越大，其承载力下降越多，极限应变减小，延性降低，但裂缝宽度为0.8 mm 的试件应力-应变曲线和未锈蚀构件的重合部分较多，说明轻微腐蚀对其受压力学性能影响较小。且随着混凝土强度的提高，试件的峰值应力逐渐增大，极限应变略有增加，试件承载力提高。

图4 不同箍筋锈蚀裂缝宽度下混凝土应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of concrete under different crack width of stirrup

2.3.2 不同混凝土强度下试件应力-应变曲线对比

当锈蚀裂缝宽度相同时，不同混凝土强度下的混凝土应力-应变曲线如图5 所示。从图中可以看出随着混凝土强度的提高，试件峰值应力增大，承载力提高；但随着裂缝宽度的增大，其峰值应力提高的幅度逐渐减小，试件极限应变也逐渐变小，说明氯离子腐蚀试构件承载力降低，延性减小。

2.3.3 混凝土应力-应变曲线拟合

清华大学过镇海教授［9］建立的矩形箍筋约束混凝土应力-应变全曲线模型，模型表达式为式（1），其在工程实践中已被证明，并得到了广泛的应用。因此本文选用它对试验所得锈蚀箍筋约束混凝土应力-应变曲线进行拟合。利用Excel 中“规划求解”功能，以“拟合值与试验值差值平方和最小”为目标，拟合出系数A，α，发现拟合效果较好，将其归纳于表3中。

式中:x=ε/ε0，y=σ/σ0；ε，ε0分别为应变和峰值应变；σ，σ0分别为应力和峰值应力；A，α分别为上升段、下降段曲线控制系数。

表3 应力-应变曲线参数对比Table 3 Stress-strain curve parameter comparison

3 结 论

本文对36 个钢筋混凝土棱柱体进行了盐雾加速锈蚀试验，进而进行了轴心抗压试验，系统研究了不同箍筋锈蚀率和混凝土强度对混凝土棱柱体的强度、刚度及延性等性能的影响，结论如下:

（1）对混凝土棱柱体试件，箍筋锈蚀较不均匀，转角区域箍筋锈蚀比直线区段锈蚀严重，且随着锈蚀时间的延长，试件锈胀裂缝的宽度、长度也逐渐增大。

（2）随着箍筋锈蚀裂缝的增大，试件的峰值应力和峰值应变减小，混凝土应力-应变关系曲线上升段向右下方稍稍偏移，曲线下降段略有变陡，下降段的水平延伸段逐渐变短，延性降低。

（3）随着混凝土强度的增大，试件的峰值应力增大，承载力提高。但随着箍筋腐蚀率的增大，其提高幅度减小。