重复荷载与氯离子侵蚀耦合作用对钢筋混凝土黏结性能影响

李树良，解宗龙，商怀帅,*，刘继睿，王玮钊

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；2.中建八局第一建设有限公司，济南 250014)

随着海洋开发事业的发展，我国所建造的海洋建筑物也在逐年增加，例如：港珠澳大桥、青岛胶州湾海底隧道、清澜大桥等。党的十九大报告中更是明确要求“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，为建设海洋强国再一次吹响了前进的号角。然而，大量工程实例表明，码头、港口、跨海大桥和钻井平台等海岸附近的混凝土结构在其使用寿命期间受到荷载和氯离子腐蚀影响，导致混凝土开裂和钢筋腐蚀，降低结构的使用寿命。虽然影响钢筋混凝土结构耐久性的因素很多，但氯化物污染是钢筋腐蚀的最重要原因之一，尤其是在与海水或除冰盐接触的结构中[1]。钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因[2]，在服役混凝土结构中，钢筋锈蚀会导致钢筋截面减小，导致钢筋力学性能下降[3-5]，同时，钢筋表面产生的锈蚀产物是原体积的2～6倍，使钢筋周围的混凝土产生环拉应力，随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋在混凝土保护层中产生顺筋裂缝，导致钢筋与混凝土的黏结强度降低[6-8]。

大多数锈蚀钢筋对混凝土耐久性影响的研究都是基于试验室进行的，为减少钢筋腐蚀所需时间，采用加速锈蚀的方法，如在钢筋上施加电流或在混凝土搅拌水中加入氯化钠溶液；并且在大部分研究工作中，钢筋的腐蚀是在钢筋混凝土构件荷载试验之前进行的[9-10]。DU等[11]研究了钢筋混凝土梁在同时加载和钢筋锈蚀下的结构性能，同YOON等[12]，BALLIM等[13-14]和MALUMBELA等[15]研究相比，认为这些研究中混凝土梁经受了单独的加载试验和钢筋腐蚀，不能反映腐蚀结构的真实情况，在钢筋混凝土结构服役过程中，钢筋的腐蚀与施加到结构上的工作荷载是同时发生的，二者协同作用加速了结构的劣化。DU等[11]的研究结果表明：同时加载和钢筋锈蚀试验的混凝土梁的黏结强度和最大挠度比单独加载和锈蚀试验的混凝土梁的黏结强度和最大挠度下降得快。MALUMBELA等[16]回顾了以往关于荷载和腐蚀对钢筋混凝土结构耐久性影响的文献，强调了同时进行持续荷载和腐蚀模拟的必要性，并对荷载作用下钢筋混凝土梁的加载系统进行了对比研究，发现加载对腐蚀速率和腐蚀裂纹宽度的影响是明显不同的。在腐蚀过程中，在没有持续载荷的情况下，腐蚀结构在腐蚀初期经常会出现刚度增加。

分析以上文献可以发现，荷载与氯离子耦合作用下钢筋混凝土梁的劣化及机理研究非常有必要，近几年就荷载与氯离子耦合作用下的钢筋混凝土结构耐久性的研究多集中于氯离子渗透性能[17-19]、裂缝发展及挠度[20]等，对于钢筋混凝土黏结性能的研究较少，而黏结性能是评估混凝土结构耐久性的重要因素。本文采用氯离子干湿循环的方法，近似模拟了氯盐环境中承受重复荷载作用下混凝土构件的服役过程，研究了重复荷载和氯离子耦合作用对钢筋混凝土黏结性能的影响，为混凝土结构在长期重复荷载和氯离子侵蚀耦合作用下正常使用极限状态下的耐久性设计提供试验依据和理论指导。

1 试验概况

1.1 试验材料

本次试验的混凝土强度等级为C30；水泥采用普通P42.5型硅酸盐水泥；细集料采用天然河砂，表观密度为2550 kg/m3，细度模数为2.5，含泥量小于1.2%；粗骨料采用5～25 mm连续级配的石灰石碎石；水为普通自来水。具体配合比及材料性能见表1。受拉区钢筋采用HRB400级热轧带肋钢筋，直径为14 mm，横截面积为154.0 mm2，屈服强度为437 MPa，抗拉强度为552 MPa；箍筋采用HRB335级热轧带肋钢筋，直径为6 mm。

表1 混凝土配合比及材料性能

1.2 试件设计

本试验制作了27个梁式试件。梁式试件长550 mm，截面尺寸为100 mm×150 mm。每个梁式试件由左右两个半梁组成，通过底部受拉钢筋和顶部受压钢铰相连接，每个半梁配备3根直径为6 mm的箍筋，箍筋间距为60 mm，保护层厚度为34 mm。本试验将两个半梁体内钢筋黏结锚固长度设为5d，d为底部受拉区钢筋的直径，为了避免加载端局部失效，使黏结应力均匀分布，在钢筋加载端及支座处各设有一段非黏结区，非黏结段用直径略大于钢筋直径的PVC套管隔离钢筋与混凝土，并用环氧树脂封住，以保证黏结部分的长度，防止浇筑混凝土时水泥浆流入管内。试件剖面如图1所示。

1.3 试件编号及荷载水平

本试验考虑了两个试验变量：重复荷载大小和氯离子侵蚀，每组试件设置3个平行试件，试件组别及荷载水平见表2。其中，数字“0，0.25，0.45，0.65”代表重复荷载水平；字母“R”“N”“C”分别代表“重复荷载(Repeated load)”“无氯离子侵蚀(None chloride ion erosion)”“氯离子侵蚀(Chloride ion erosion)”。例如，RC-0.45-1表示，承受0.45Pu重复荷载大小与氯离子侵蚀下的1号试件。

表2 梁式试件分组

1.4 试验方法

1.4.1 重复荷载试验

试件在进行重复荷载试验之前，通过极限承载力试验确定梁式试件极限荷载的大小平均值为86 kN，为试验下一步施加重复荷载等级大小提供依据。为保证同一试验组中两块试块所受承载力一致，减小试验误差，重复荷载试验的加载装置如图2所示。卸载-持载：重复荷载循环周期为4 d(持载2 d，卸载2 d)。加载时，手动控制液压千斤顶每次增加2 kN，一直加到目标荷载，拧紧螺丝，记录加载端和自由端滑移量；持载48 h后卸载，再次记录梁端滑移量。氯离子侵蚀：采用5%浓度NaCl溶液干湿循环的方式进行侵蚀，干湿循环的周期为7 d(湿4 d，干3 d)，湿时用蘸满氯化钠溶液的棉被包裹住试件，并每天定时向棉被内注入氯化钠溶液，保证湿润；干时取下棉被在室外自然环境下风干。长期荷载试验过程中试件如图3所示。

1.4.2 弯曲黏结试验

在经过210 d重复荷载和氯离子侵蚀试验后，对于未在试验过程中破坏的试件进行弯曲黏结试验来确定试件的黏结强度。试验采用四点弯曲的加载方法，在电脑控制的电液伺服万能试验机上进行。由于没有规范对梁式试验的加载方式及加载速率作出明确规定，对以往文献总结后，本文采用位移控制的加载方式，加载速率为0.1 mm/s。试验装置如图4所示。

2 试验结果及讨论

2.1 重复荷载试验结果

2.1.1 初载后钢筋与混凝土间瞬时滑移分析

初次施加荷载(0.25Pu，0.45Pu，0.65Pu)时所引起的钢筋与混凝土间滑移量，称为钢筋与混凝土间的瞬时滑移量(S0)，对试验组平行试件的S0做均值处理，结果见表3。由表3可知，随着初始荷载的增大，梁式试件加载端和自由端的瞬时滑移均有所增大。例如，对于RC-0.45(RN-0.45)试件加载端的瞬时滑移是RC-0.25(RN-0.25)试件加载端瞬时滑移的 1.824 (1.823)倍，RC-0.45(RN-0.45)试件自由端的瞬时滑移是RC-0.25(RN-0.25)试件加载端瞬时滑移的1.889(1.842)倍。并且，对于同一试件加载端的瞬时滑移量远远大于自由端的瞬时滑移量。例如RC-0.25试件加载端瞬时滑移量为自由端瞬时滑移量的6.94倍，这是由于黏结应力在传递过程中发生了应力损失，导致传递到自由端的滑移量有所减少；另一方面是由于黏结应力沿传递方向上分布不均匀造成的。

表3 钢筋与混凝土间的瞬时滑移量 mm

2.1.2 210 d重复荷载作用下时变滑移分析

试验记录了每个周期加卸载时钢筋与混凝土间的时变滑移量，绘制了时变滑移量与时间的关系曲线，如图5所示。此外，为了定量研究钢筋与混凝土间滑移量随时间的变化规律，列出了30，90，150和210 d时的时变滑移，其中：S30表示试验经过30 d时钢筋与混凝土间的时变滑移量。数值结果见表4。

由图5可以看出，长期重复荷载作用下的梁式试件，无论是自由端还是加载端由于周期荷载作用下钢筋与混凝土间的时变滑移成波浪式非线性增长，并且荷载施加初期滑移量增长迅速，随后增长的速度逐渐变小趋于稳定；每个周期加载后与加载前滑移量的差值(ΔS)先增大后减小并趋于稳定。由表4可知，当试验进行90 d时，RC-0.25(RN-0.25)，RC-0.45(RN-0.45)和RC-0.65(RN-0.65)加载端的时变滑移分别为210 d时变滑移的89.5%(88.8%)，91.9%(89.1%)和82.5%(82.8%)，自由端的时变滑移分别为210 d时变滑移的69.0%(83.3%)，83.3%(80.9%)和65.8%(90.5%)。可见钢筋与混凝土间的滑移主要发生在受荷前期，在前40%的试验时间内，可以完成钢筋与混凝土间滑移总量的85%左右。

表4 钢筋与混凝土间的时变滑移量 mm

2.1.3 荷载对时变滑移的影响

由表4可知，无论是否遭受氯离子侵蚀的影响，钢筋与混凝土间的时变滑移量均随着荷载增加而增加。对于只承受长期重复荷载作用的试件，在30，90，150和210 d时，RN-0.65(RN-0.45)的加载端时变滑移分别是RN-0.25的1.46(1.17)，1.55(1.14)，1.59(1.13)和1.66(1.14)倍；RN-0.65(RN-0.45)的自由端时变滑移分别是RN-0.25的1.76(1.32)，1.49(1.03)，1.42(1.06)和1.37(1.06)倍。对于重复荷载与氯离子耦合作用下的试件，在30，90，150和210 d时，RC-0.65(RC-0.45)的加载端时变滑移分别是RC-0.25的1.59(1.18)，1.66(1.16)，1.67(1.14)和1.80(1.13)倍；RC-0.65(RC-0.45)的自由端时变滑移分别是RC-0.25的1.98(1.73)，1.88(1.46)，1.91(1.31)和1.97(1.21)倍。

2.1.4 氯离子侵蚀对时变滑移的影响

由表4可以看出，在0.25Pu重复荷载作用下，30，90，150和210 d时，RC-0.25的加载端时变滑移分别是RN-0.25的1.03，1.07，1.08和1.06倍；RC-0.25自由端的时变滑移分别是RN-0.25的0.73，0.75，0.84和0.91倍。在0.45Pu重复荷载作用下，30，90，150和210 d时，RC-0.45加载端时变滑移分别是RN-0.45的1.05，1.09，1.08和1.06倍；而RC-0.45的自由端时变滑移分别是RN-0.45的0.95，1.06，1.04和1.03倍。在0.65Pu重复荷载作用下，30，90，150和210 d时，RC-0.65的加载端时变滑移分别是RN-0.65的1.12，1.15，1.12和1.15倍；RC-0.65自由端的时变滑移分别是RN-0.65的0.81，0.95，1.12和1.30倍。分析可知，氯离子的侵蚀作用增大了钢筋与混凝土间的滑移，并且随着荷载水平增大，氯离子侵蚀对时变滑移的影响也增大。

2.2 时变滑移模型

REHM[21]提出了在交变期间钢筋与混凝土的荷载-滑移模型，并提出了重复荷载作用下钢筋与混凝土间滑移Δn与重复荷载次数n的关系式：

Δn=Δ0·(1+kn)

(1)

kn=(1+n)0.107-1

(2)

式中：kn为循环蠕变系数，其值大小取决于循环次数n；Δ0为第一次达到上限荷载时的滑移；Δn为n次荷载重复后的滑移。

本试验在式(1)(2)的基础上，提出了考虑重复荷载大小与氯离子侵蚀作用下钢筋与混凝土间的滑移随时间d变化的时变滑移计算表达式：

Sd=a·S0·(1+d)b

(3)

式中：Sd为随时间变化的滑移量，mm；S0为初次加载时达到上限的滑移量，mm；d为时间，d；a，b为通过数据拟合得到的常数，见表5。

表5 常数a，b

重复荷载作用下钢筋混凝土梁试件自由端时变滑移拟合曲线如图6所示。

2.3 弯曲黏结试验现象及分析

2.3.1 梁式试件破坏形态

在极限承载力试验过程中，随着施加荷载的增大，支座及分配梁集中应力处的表层混凝土脱落，荷载继续增大所有试件均发生劈裂破坏，并且破坏只发生在梁式试件的某一半梁上；受氯离子侵蚀的试件与未受氯离子侵蚀的试件的破坏形态差别不大，说明氯离子侵蚀对梁式试件的破坏形式没有明显影响，但承受较小荷载水平的试件破坏时裂缝更宽，受拉区大块混凝土脱落，如图7所示。

2.3.2 黏结强度

梁式试件的力学分析简图，如图8所示。

图8中P/2为施加的外力，黏结段钢筋与混凝土间的黏结力F可由静力平衡关系式(4)求出:

(4)

式中：L0，L1和L2为力臂的长度，分别为90，245和75 mm。

沿钢筋黏结长度的平均黏结应力为

(5)

式中：τ为黏结应力，MPa；d为底部钢筋直径，14 mm；l为黏结段长度，70 mm。

对承受重复荷载作用的梁式试件进行极限承载力破坏试验，得到试验梁的黏结强度，对试验组的平行试件做均值处理，试验结果见表6。

表6 弯曲黏结试验结果

由表6可知，重复荷载作用和氯离子侵蚀作用均对梁的黏结强度有明显影响。对于只承受210 d重复荷载作用的梁式试件，对比RN-0的黏结强度，随着荷载水平增加，RN-0.25，RN-0.45和RN-0.65的黏结强度分别降低了8.3%，12.7%和18.9%；对于承受210 d重复荷载和氯离子侵蚀耦合作用的梁式试件，对比RC-0的黏结强度，随着荷载水平增加，RC-0.25，RC-0.45和RC-0.65的黏结强度分别降低了9.4%，12.8%和24.7%。当持载大小相同时，RC-0(RC-0.25，RC-0.45，RC-0.65)的黏结强度相对于RN-0的黏结强度降低了9.4%(15.7%，21.0%，31.8%)，可以发现有氯离子侵蚀的试件黏结强度要低于无氯离子侵蚀的试件，并且当荷载水平从0.25Pu提高到0.45Pu时，降低率提高了5%左右；但当荷载从0.45Pu提高到0.65Pu时降低率提高了10%左右，说明重复荷载作用和氯离子侵蚀存在耦合作用并且荷载越大耦合作用越明显。文献[22]通过24个梁式试件研究了120 d长期持载作用后的钢筋与混凝土黏结强度变化情况，试验结果表明：持续荷载和氯离子侵蚀的耦合作用显著降低了钢筋与混凝土间的黏结强度，且持续荷载越大，黏结强度越低；在持续荷载和氯离子侵蚀的耦合作用下, 试件黏结强度的损失要大于仅在单因素作用下黏结强度的损失。虽然文献[22]与本文加载方式不同，但却得到了相同的试验结果，说明两者耦合作用影响了钢筋与混凝土间的黏结，究其原因是因为长期荷载作用引起的混凝土微观及宏观损伤，加速了氯离子在混凝土中的传输，缩短了侵蚀介质到达钢筋与混凝土间界面的时间，导致钢筋锈蚀，钢筋锈蚀的加快加重进而导致了钢筋与混凝土之间的黏结强度降低。

3 结论

1) 随着初始荷载增大，梁式试件加载端和自由端的S0均有所增大，且同一试件加载端的S0远远大于自由端的S0。

2) 钢筋与混凝土间的Sd呈非线性增长，在受荷前期钢筋与混凝土间的Sd增长迅速，30 d后逐渐趋于稳定，并且承受荷载越大，Sd越大。

3) 重复荷载与氯离子侵蚀耦合作用下Sd大于单因素作用下的Sd，且荷载等级越大耦合作用越明显。

4) 试验对不同重复荷载水平和氯离子侵蚀作用下的Sd进行了非线性拟合分析，结果显示不同荷载水平作用下试验值与计算值拟合程度较好，可为今后重复荷载与氯离子耦合作用下钢筋与混凝土间Sd的计算提供参考依据。

5) 随着重复荷载的增大，钢筋与混凝土间的黏结强度降低；荷载与氯离子侵蚀的耦合作用降低了试件的黏结强度，且大于仅在单因素作用下黏结强度的损失。