酸雨環(huán)境下方鋼管再生混凝土偏心受壓試驗研究

黃 宏，胡志慧，朱 琪，陳夢成

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省建筑過程模擬與控制重點實驗室，江西 南昌 330013;3.國網(wǎng)江西省電力公司贛西供電分公司 電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，江西 新余 338000)

在偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其是西部山區(qū)，鋼筋混凝土柱施工復(fù)雜、工序繁瑣，受環(huán)境的影響較大。為了克服施工上的困難，更加有效利用建筑使用空間，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新興的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。在工程實際應(yīng)用中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因承載力高、抗震性能好、施工簡便、造價經(jīng)濟(jì)合理等一系列特點，得到廣泛運用。另一方面，隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，人們對建筑垃圾帶來的環(huán)境污染問題越來越重視，再生混凝土(由廢棄混凝土塊經(jīng)過一系列的處理，按照一定比例和級配混合后，全部或部分替代天然骨料制成的混凝土)既可以節(jié)約天然骨料，又能夠在一定程度上解決由廢棄混凝土帶來的環(huán)境問題。將鋼管與再生混凝土結(jié)合，既可解決特殊環(huán)境下的施工作業(yè)問題，有效縮短了施工工期，又在很大程度上節(jié)約了建設(shè)成本。此外，考慮到實際工程應(yīng)用中，理論上的軸心受壓難以實現(xiàn)，本文對鋼管再生混凝土偏心受壓進(jìn)行的研究具有重要意義。

目前已有學(xué)者對再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]以水灰比、再生骨料取代率、聚丙烯纖維摻量和圍壓為主要變化參數(shù)，設(shè)計不同配合比下的再生混凝土試件，分析其在三軸受壓條件下試件的強(qiáng)度及變形性能。試驗研究表明：再生粗骨料取代率對試件強(qiáng)度影響不大。文獻(xiàn)[2]對設(shè)計強(qiáng)度為C30的廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分成再生骨料后制備成的再生混凝土棱柱體進(jìn)行試驗研究，探究不同再生骨料取代率對再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等基本物理力學(xué)性能的影響。為了合理推廣鋼管再生混凝土的實際運用，有學(xué)者對其基本受力性能進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[3]根據(jù)已確定的鋼管與再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型，通過有限元分析軟件對不同受力情形下鋼管再生混凝土的破壞模態(tài)、荷載-變形關(guān)系曲線、應(yīng)力變化及相互作用進(jìn)行全過程分析，得到靜力荷載作用下鋼管再生混凝土構(gòu)件的工作機(jī)理。文獻(xiàn)[4]以鋼管截面形式、再生骨料取代率及長細(xì)比為主要變化參數(shù)，分析其對試件軸壓性能的影響，研究結(jié)果表明：再生骨料取代率對試件的極限承載力影響不大。文獻(xiàn)[5]從長細(xì)比、偏心距、截面含鋼率及再生骨料取代率四個方面考慮，研究各個變化參數(shù)對方鋼管再生混凝土偏壓柱力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：不同骨料取代率對試件的破壞形態(tài)沒有明顯影響，但鋼管的縱向應(yīng)變會隨著骨料取代率的增加而增大。

在實際環(huán)境條件下，長期暴露在空氣中的鋼管混凝土柱，即便使用防腐涂料對外鋼管進(jìn)行一定的涂抹防護(hù)，酸雨對保護(hù)性涂層的破壞仍然較快，防腐涂料受損后鋼管混凝土外管會遭受損傷，進(jìn)而影響整個構(gòu)件的服役壽命。為了探究腐蝕環(huán)境對鋼管混凝土力學(xué)性能的影響，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]通過對鋼管混凝土短柱和梁進(jìn)行氯離子加速腐蝕試驗，研究不同的腐蝕方式和荷載作用對試件力學(xué)性能的影響，研究表明：鋼管混凝土試件的承載力和延性受氯離子加速腐蝕和長期荷載共同作用的影響較明顯。文獻(xiàn)[7]提出一種用有限元方法數(shù)值分析氯離子腐蝕和長期荷載作用下方鋼管混凝土試件的模型，結(jié)果表明：可以采用有限元建模方法對方鋼管普通混凝土在海洋環(huán)境氯離子腐蝕作用下的長期性能進(jìn)行有效模擬。文獻(xiàn)[8]以鋼管截面尺寸、混凝土骨料類型和酸雨腐蝕率為主要變化參數(shù)，對16根方鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗研究，結(jié)果表明：腐蝕程度越大，試件損傷越嚴(yán)重、后期延性越差。

本文將骨料類型、偏心距和腐蝕程度結(jié)合起來，設(shè)計9個方鋼管混凝土偏壓柱，通過試驗研究各變化參數(shù)對試件偏心受壓力學(xué)性能的影響，并在試驗的基礎(chǔ)上利用有限元方法驗證有限元計算的合理性。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與加工

本試驗共設(shè)計9個方鋼管混凝土試件(4個鋼管普通混凝土和5個鋼管再生混凝土)，試件設(shè)計主要考慮了偏心距、腐蝕程度及混凝土骨料類型3個變化參數(shù)，具體試件參數(shù)見表1。

表1 試件基本參數(shù)

注：試件編號中NC和NR分別代表普通混凝土和再生混凝土，數(shù)字25、50分別表示偏心尺寸，數(shù)字0、1、2分別表示試件達(dá)到目標(biāo)腐蝕率0%、10%、20%。所有試件的尺寸(截面寬度×試件長度)均為160 mm×1 250 mm，長細(xì)比均為λ=L/i=27(i為截面回轉(zhuǎn)半徑)，β為目標(biāo)腐蝕率(β=x/t，x為鋼管厚度的減少量，t為鋼管的初始厚度3.640 mm)，tco為鋼管受到一定腐蝕后的厚度，e為偏心距；鋼管的屈服強(qiáng)度fy均為342.5 MPa，fcu為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，Nue和Nuc分別為試驗實測和有限元計算所得偏心受壓試件極限承載力。

試件采用坡口焊形式將4塊鋼板拼焊形成外鋼管，每個試件均加工兩個邊長為180 mm、厚度為10 mm的方形高強(qiáng)度蓋板；先將鋼管與下蓋板對中焊接，待混凝土澆筑完成后，再與上蓋板焊接。對制作好的標(biāo)準(zhǔn)鋼片進(jìn)行拉伸試驗后可測得鋼管的屈服強(qiáng)度fy。

混凝土中再生粗骨料是由服役50年強(qiáng)度為C30的混凝土梁經(jīng)過顎式破碎機(jī)破碎得到的，采用同一篩網(wǎng)對所有骨料進(jìn)行統(tǒng)一篩分，其中骨料最大粒徑不超過30 mm，且為連續(xù)級配。再生骨料吸水率較高，試驗過程中通過不斷調(diào)試配合比確定再生混凝土的最優(yōu)用水量，表2為混凝土的配合比。澆筑混凝土?xí)r采用人工拌制填筑法，混凝土從試件頂部灌入，由于試件較長，采用分層澆筑方法，每層澆筑完成后用插入式振搗棒振搗密實。約半個月后將試件上部混凝土的浮漿鑿去，觀察到裸露的粗骨料時，將事先由環(huán)氧樹脂、固化劑、水泥和水按一定比例調(diào)配好的高強(qiáng)環(huán)氧砂漿均勻涂抹在試件上部混凝土表面，待其硬化后將其打磨平整，隨后將上蓋板焊接，完成試件的制作。同時對同條件下養(yǎng)護(hù)的邊長為150 mm的立方體試塊進(jìn)行材性試驗可測得混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度fcu。

表2 混凝土的配合比及實測強(qiáng)度

注：普通和再生混凝土中水泥用量均為454 kg/m3，砂用量均為547 kg/m3。

1.2 腐蝕試驗

本次試驗在模擬酸雨腐蝕環(huán)境下，通過全浸泡通電加速腐蝕的方法對試件進(jìn)行腐蝕研究，腐蝕裝置如圖1 (a)所示。腐蝕過程中用導(dǎo)線將焊接在鋼管蓋板上的螺桿與電源陽極連接，將鋼管外圍的陰極板與電源陰極連接。對于腐蝕的鋼管分別在方形鋼管四面中間位置由上至下用涂改液沿試件全長做間距為25 mm的標(biāo)記，此標(biāo)記是為了每周換水時固定測量位置，以減少不均勻腐蝕對厚度的影響。隨著腐蝕程度的不斷加大，陰極板包圍的區(qū)域有大量紅色液體析出，陰極板上出現(xiàn)不均勻的銹斑，如圖1 (b)所示。為了更好地模擬真實的江西酸雨環(huán)境，本文主要研究在pH值為2.30(江西酸雨最低pH值)的酸雨溶液中腐蝕后的鋼管混凝土承載能力的變化。表3為酸雨溶液的成分[9]，通過緩慢加入HNO3調(diào)試pH值，直至pH=2.30。由于pH值隨著腐蝕程度的增加變化較快，所以每天三次對溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到穩(wěn)定pH的目的。

表3 模擬酸雨的主要成分

圖1 試驗裝置及現(xiàn)象

酸雨腐蝕時間不斷增加時鋼管腐蝕厚度的變化見表4，其中每周理論腐蝕厚度是由法拉第電化學(xué)腐蝕定律[10]計算得到的，由式( 1 )可以看出，可根據(jù)一定時間內(nèi)通過金屬的電量推算出金屬腐蝕損失的質(zhì)量，進(jìn)一步可換算出每周鋼管的理論腐蝕厚度和理論厚度。對超聲波測厚儀得到的數(shù)值取平均值可得到鋼管實測厚度，進(jìn)一步可換算出每周實測鋼管厚度的減小量，即為每周實測腐蝕厚度。

( 1 )

式中：Δw為Δt內(nèi)金屬腐蝕所消耗的質(zhì)量，kg；M為金屬的摩爾質(zhì)量，g/mol；n為失去的價電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 485 C；Q為Δt內(nèi)金屬表面流過的電量，C；k為金屬電化學(xué)當(dāng)量，k=M/(n·F)，g/(A·s)；I為腐蝕電流強(qiáng)度，A。

表4 鋼管腐蝕厚度變化值

從表4可以看出，在腐蝕前三周，由于鋼管表面鈍化膜的存在，每周理論腐蝕厚度略高于實測腐蝕厚度；從第4周開始，酸雨腐蝕速率逐漸增大，每周理論腐蝕厚度略低于實測腐蝕厚度，故在該腐蝕范圍內(nèi)，利用法拉第電化學(xué)腐蝕定律定量預(yù)測鋼管的厚度減小量是合理的。

1.3 偏心受壓試驗

偏心受壓試驗在華東交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實驗室的500 t液壓試驗機(jī)上進(jìn)行。圖2為試驗加載裝置，為了準(zhǔn)確確定偏心距的位置預(yù)先定制了有相應(yīng)偏心距凹槽的加載板，在加載板四周將螺栓孔和蓋板進(jìn)行可靠連接，保證加載過程的安全。為了準(zhǔn)確測量得到試件在加載過程中的豎向位移變化，在試件柱端處設(shè)置3個位移計；同理，為了準(zhǔn)確測量得到試件的側(cè)向撓度，沿試件受拉側(cè)四分點處均勻布置了3個位移計。為了進(jìn)一步研究試驗過程中試件受拉、受壓處的應(yīng)變變化規(guī)律，分別在外鋼管表面受拉、受壓區(qū)四分點處布置直角應(yīng)變片。數(shù)據(jù)的采集和處理時，試件承受的荷載值直接通過壓力機(jī)表盤人工讀取，應(yīng)變和位移通過計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DH-3815N軟件)自動收集。

圖2 加載裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象分析

圖3(a)為試件整體破壞形態(tài)圖，從圖3可以看出試件均為柱端鼓曲破壞，其中未腐蝕試件中有個別試件出現(xiàn)了輕微的焊縫開裂；腐蝕后試件表面出現(xiàn)明顯鼓曲前，就已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的焊縫開裂，在繼續(xù)加載過程中，伴隨著一聲巨響焊縫快速開裂，荷載迅速下降，且對于腐蝕程度較大的試件焊縫開裂現(xiàn)象更明顯，可見隨著腐蝕程度的加大，試件的延性明顯降低。為進(jìn)一步探究腐蝕程度對試件核心混凝土破壞情形是否有影響，如圖3(b)所示，剖開其中一組試件的受壓側(cè)鼓曲位置，觀察其鋼管內(nèi)核心混凝土的破壞情況。從圖3(b)可以看出，未腐蝕試件內(nèi)部混凝土受壓破壞比腐蝕后試件略嚴(yán)重。

(b)受壓側(cè)混凝土圖3 試件破壞形態(tài)圖

2.2 腐蝕程度的影響

為研究酸雨腐蝕程度對試件力學(xué)性能的影響，圖4給出同一偏心率和骨料類型下不同腐蝕程度試件的荷載(N)-壓縮率(Δ/L)關(guān)系曲線。其中試件底端位移計測得的豎向位移用Δ來表示，試件的總長度用L表示。如圖4所示，隨著酸雨腐蝕程度的加大，試件的極限承載力逐漸減小，且腐蝕率為20%的鋼管混凝土試件極限承載力降低幅度較腐蝕率為10%的鋼管混凝土試件更大。酸雨腐蝕使試件前期剛度和后期延性均呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，且其延性降低幅度隨著腐蝕程度的加大略微增大。圖5為荷載(N)與試件跨中邊緣纖維處應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線，其中負(fù)數(shù)表示壓區(qū)應(yīng)變，正數(shù)表示拉區(qū)應(yīng)變。壓應(yīng)變在承載力達(dá)到峰值后均出現(xiàn)回縮，主要是試件在達(dá)到峰值荷載以后受壓區(qū)出現(xiàn)不同程度的鼓曲變形所致。腐蝕程度對荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響規(guī)律與N-Δ/L關(guān)系曲線相同。

(a)普通混凝土

(b)再生混凝土(e=50 mm)

(c)再生混凝土(e=25 mm)圖4 不同腐蝕程度下的荷載-相對壓縮率關(guān)系曲線

(a)普通混凝土

(b)再生混凝土(e=50 mm)

(c)再生混凝土(e=25 mm)圖5 不同腐蝕程度下的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 骨料類型的影響

為研究普通混凝土與再生混凝土對試件力學(xué)性能的影響，圖6給出在不同骨料類型的影響下，試件荷載(N)與相對壓縮率(Δ/L)的關(guān)系曲線。由圖6可知，試件的極限承載力和前期剛度受核心混凝土骨料類型的影響不大，只是鋼管再生混凝土試件的后期延性略差于同等條件下的鋼管普通混凝土試件。

(a)目標(biāo)腐蝕率0%

(b)目標(biāo)腐蝕率10%

(c)目標(biāo)腐蝕率20%圖6 不同骨料類型時荷載-相對壓縮率關(guān)系曲線

2.4 偏心率的影響

為研究不同偏心率對試件力學(xué)性能的影響，圖7給出相同骨料類型和同等腐蝕程度下不同偏心率的荷載(N)與相對壓縮率(Δ/L)關(guān)系曲線。從圖7可以看出，達(dá)到峰值荷載前試件的相對壓縮率隨著試件偏心率的增加而增大，剛度出現(xiàn)明顯的下降趨勢，偏心率越大的試件荷載達(dá)到峰值后延性越好。

(a)普通混凝土

(b)再生混凝土(β=0%)

(c)再生混凝土(β=20%)圖7 不同偏心率下荷載-相對壓縮率關(guān)系曲線

3 理論分析

3.1 有限元建模

利用有限元分析軟件ABAQUS對偏心受壓試件進(jìn)行建模分析，進(jìn)一步研究試件的受力全過程。

(1)單元類型的選取與網(wǎng)格劃分：所有部件均采用8節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元(C3D8R)，根據(jù)試件尺寸通過試驗確定合理的網(wǎng)格密度，試件網(wǎng)格劃分情況如圖8所示。

圖8 構(gòu)件計算模型

(2)材料本構(gòu)關(guān)系模型：對于外鋼管，采用 ABAQUS 中的塑性分析模型[11]定義其本構(gòu)關(guān)系，模型中鋼管的本構(gòu)關(guān)系沒有考慮腐蝕的影響。對于內(nèi)填混凝土，采用塑性損傷模型[11]定義普通混凝土的本構(gòu)關(guān)系，采用文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)的再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型定義再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系。

(3)各部件界面模型：采用綁定接觸模擬蓋板與鋼管的接觸情況；采用的法向“硬接觸”及切向黏結(jié)滑移模擬鋼管與混凝土的接觸情況。

(4)邊界條件及加載方式：對所有試件進(jìn)行偏心受壓作用下的全構(gòu)件模型建模，試件下蓋板為固定端，上蓋板為自由端，具體約束情形如圖8所示，在固定端約束x、y、z三個方向的位移，在自由端采用豎向位移加載，直至構(gòu)件破壞。具體建模方式和本構(gòu)關(guān)系參考文獻(xiàn)[13]。

3.2 破壞模態(tài)對比

圖9為典型試件(NC-50-0)側(cè)面破壞形態(tài)與有限元模擬所得破壞形態(tài)的對比。從圖9可以看出，試驗中試件的柱端處有明顯的鼓曲，而有限元模擬過程較理想，試件跨中處的撓度最大。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知：試件的破壞形態(tài)與長細(xì)比有一定的關(guān)系，當(dāng)長細(xì)比較大(λ≥45)時，試件自身的初初始缺陷對破壞形態(tài)影響較小，破壞基本為正弦半波形式；本文中的試件(λ=27)受到一定程度初始缺陷和端部效應(yīng)的影響，其彎曲破壞多發(fā)生在試件柱端處。

圖9 破壞形態(tài)對比

3.3 荷載-相對壓縮率關(guān)系曲線對比

將有限元模擬計算結(jié)果與本文試件進(jìn)行對比，圖10為有限元計算所得荷載(N)-相對壓縮率(Δ/L)關(guān)系曲線與試驗值的比較。根據(jù)表1，比較分析試驗結(jié)果Nue與有限元計算結(jié)果Nuc，可得Nue/Nuc的平均值為0.979，均方差為0.001，可見試件的極限承載力有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果相差不大，表明本文采用的有限元建模方法及本構(gòu)關(guān)系模型能夠較好模擬試驗過程中試件的實際受力情況。從圖10可以看出，未腐蝕時有限元前期剛度與試驗所得結(jié)果較為吻合，隨著腐蝕程度的加大，有限元計算所得前期剛度明顯高于試驗結(jié)果，可見有限元方法低估了酸雨腐蝕對試件前期剛度的影響。

(a)NC-50-0

(b)NC-50-1

(c)NC-25-2

(d)NC-50-2

(e)RC-25-0

(f)RC-50-0

(g)RC-50-1

(h)RC-25-2

(i)RC-50-2圖10 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)腐蝕試驗中，前期電化學(xué)腐蝕速率略低于理論計算值(法拉第電化學(xué)腐蝕定律)，隨著腐蝕時間的增加，后期腐蝕速率略微高于理論值，表明在一定的腐蝕范圍內(nèi)，可以采用法拉第電化學(xué)腐蝕定律預(yù)測鋼管表面厚度的減小量。

(2)試件的極限承載力、前期剛度和后期延性均隨著腐蝕程度的加大呈明顯的降低趨勢。

(3)整體上，試件的極限承載力和前期剛度受核心混凝土骨料類型的影響不大，鋼管再生混凝土的后期延性略差于同等條件下的鋼管普通混凝土。

(4)達(dá)到峰值荷載前，隨著偏心距增加，試件相對壓縮率增大，剛度減小。

(5)整體上有限元建模方法能夠較好模擬酸雨環(huán)境下方鋼管再生混凝土偏心受壓全過程，且其計算所得試件偏心受壓承載力與試驗結(jié)果吻合良好。

(6)對于未腐蝕試件，前期有限元方法計算剛度與試驗所得結(jié)果較吻合，隨著腐蝕程度的加大，有限元計算所得剛度明顯高于試驗結(jié)果，可見有限元方法低估了酸雨腐蝕對試件前期剛度的影響。

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