鐵路梁橋在多因素腐蝕環境影響下構件抗彎性能研究

董 偉

(蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000)

鋼筋混凝土構件是當今世界應用最廣泛的一種結構形式，它結合了鋼筋與混凝土各自的優點，使得結構承載能力及耐久性提高，且造價較低[1，2]。但是當構件長期處于高濕度、高鹽堿以及CO2濃度較高的環境中服役時，鋼筋會逐漸銹蝕，混凝土也會出現碳化的現象，這些因素都降低了鋼筋混凝土構件的承載能力，削弱了鋼筋與混凝土之間的黏結性能[3-5]。

國內外對腐蝕鋼筋混凝土結構性能研究已經相對較多，Schiessl和Raupach[6]的研究表明，高溫、高濕的環境對鋼筋銹蝕最為不利，并且當環境中溫度從15 ℃升高到20 ℃時，其腐蝕的速率可以提高50%。Tumidajski[7]和 Chindaprasirt等[8]為了研究混凝土碳化作用與氯離子侵蝕之間的相互影響，通過將混凝土試件放置于充有CO2氣體的腐蝕溶液中進行浸泡試驗，定性分析了氯離子與混凝土碳化之間的相互關系。

隨著外部腐蝕環境作用時間的延長，鋼筋混凝土構件結構性能會出現劣化，集中表現為鋼筋銹蝕、混凝土碳化以及兩者之間黏結性能的削弱，張建仁等[9]通過銹蝕鋼筋混凝土梁承載力試驗，驗證了鋼筋在銹蝕條件下，由于銹蝕鋼筋與混凝土之間黏結強度的降低，鋼筋與混凝土之間的應變已不再符合平截面假定。

現階段對腐蝕環境下銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎性能的研究，主要是基于腐蝕環境影響下鋼筋有效受力面積減小、屈服強度降低以及混凝土與鋼筋黏結性能退化等相關特性，在無銹蝕構件抗彎承載力計算的基礎上，根據有限元以及承載力試驗分析，通過考慮鋼筋與混凝土協調工作降低系數來體現黏結性能退化的影響。而本文主要是考慮了腐蝕環境影響下，由于鋼筋與混凝土黏結性能退化，導致鋼筋與混凝土之間應變產生較大差異，通過重新構造新的應變關系，對銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力計算方法重新進行了研究。

以西格線察爾汗站至金屬鎂一體化項目工業園廠區鐵路專用線作為研究對象，結合當地建筑結構受鹽漬侵蝕程度高，干濕循環影響大以及混凝土碳化嚴重等現象，分別研究了水分、CO2濃度以及氯離子侵蝕等外部環境作用下鋼筋混凝土構件的腐蝕機理， 并對銹蝕構件極限抗彎承載力的理論計算方法重新進行了分析及推導，以沿線鐵路的鋼筋混凝土梁橋作為研究對象，通過試驗驗證了銹蝕鋼筋混凝土構件理論計算方法的精度。

1 工程背景

西格線察爾汗站至金屬鎂一體化項目工業園廠區鐵路專用線位于青海省格爾木市，地處柴達木盆地的中南部，其接軌于青藏鐵路西格段察爾汗車站，線路自車站西牽出線上出岔，向西新建鹽湖集結站，出站后向南接入金屬鎂一體化項目工業園廠區東側400 m處，終點至廠區二貨區南端。

所經區域位于格爾木市察爾汗鹽湖區，地處柴達木盆地中東部的格爾木河下游細粒土平原前緣與察爾汗鹽湖區化學沉積相接壤的平坦地帶，其大體的地貌單元屬昆侖山山前沖洪積、湖積平原，微地貌單元為沖積、湖積平原過渡地帶。工程場地內地勢開闊，地形平緩，地面高程多集中于2 675～2 882 m，沿線地表多為荒地，植被稀疏，鹽漬化現象明顯，交通較便利。

本區屬青藏高原溫帶氣候區，具有干濕循環程度高，氣壓低、晝夜溫差大，紫外線強等氣候特點。根據格爾木氣象站氣象觀測資料，區內年平均氣溫6.4 ℃，極端最高氣溫35.5 ℃，極端最低氣溫-33.6 ℃，土壤最大季節凍結深度為150 cm，且土壤鹽漬化比較嚴重，根據現場取樣得到的察爾汗鹽湖鹵水主要腐蝕離子資料匯總見表1。沿線地質勘查現場照片如圖1所示。

表1 察爾汗鹽湖主要腐蝕離子資料匯總 mg/L

圖1 現場勘查照片

沿線修建的鐵路橋梁長期處于干濕循環程度較高、腐蝕離子侵蝕以及混凝土碳化嚴重的環境中服役時，鋼筋混凝土材料會逐漸出現老化的現象，從而會影響結構的使用性能。

2 腐蝕環境作用下鋼筋混凝土構件老化機理

鋼筋混凝土構件承受外部荷載主要是依靠受拉區鋼筋受拉，受壓區混凝土承受壓力以及鋼筋與混凝土之間的黏結力協同作用而工作的，但是當構件長期處于腐蝕環境中時，由于外部環境因素(如水分、溫度、氯離子以及酸堿環境等)的長期影響，組成結構的材料性能開始發生變化，進而影響了鋼筋與混凝土之間的黏結作用，最終導致整體結構的抗彎性能及協同工作的方式發生變化。

2.1 水環境的影響

自然環境中的雨雪，施工過程中混凝土養護以及潮濕的空氣等都可能使鋼筋混凝土結構處于濕度較大的環境當中，鋼筋是一種易被腐蝕的金屬材料，在長期高濕度環境中，附著在鋼筋表面的鈍化膜會逐漸被溶解破壞，脫鈍后的鋼筋開始在水分及混凝土間隙中空氣的共同作用下發生電化學腐蝕[10]，在陽極區域發生氧化作用：Fe-2e?Fe2+，在陰極區域發生還原反應：O2+2H2O+4e?4OH-，最終在長期腐蝕環境影響下，鋼筋表面逐漸膨脹生成了疏松多孔的Fe2O3，使其有效受拉面積減少，抗拉強度降低，混凝土中鋼筋銹蝕機理如圖2所示。

圖2 鋼筋在混凝土中的銹蝕過程

在充足的氧氣環境中，鋼筋腐蝕過程如式(1)、式(2)所示。

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4 Fe(OH)3

(1)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(2)

同時當環境中氣溫不穩定時，鋼筋混凝土構件會經歷不同程度的干濕循環作用，會影響到混凝土內部鋼筋的抗拉強度，根據文獻[11]，對鋼筋經歷不同干濕循環影響后其抗拉強度的試驗結果如圖3所示。

圖3 鋼筋經歷不同干濕循環周期后抗拉強度試驗結果

圖3中編號1～5分別表示鋼筋經過不同干濕循環影響后其抗拉強度的變化情況，編號1作為參照組，描述的是鋼筋沒有經歷干濕循環作用下所測得的抗拉強度，編號2～5作為試驗組，依次表示鋼筋經過1～4次干濕循環作用后抗拉強度的大小。由以上試驗結果可以看出，鋼筋受水環境干濕循環的作用，其抗拉強度會受到不同程度的影響，同參照構件相比，鋼筋在經歷了4次干濕循環的作用后，其抗拉強度分別降低了3.1%，5.35%，5.36%和6.07%。

2.2 混凝土碳化的影響

鋼筋與混凝土之間的黏結性能主要是通過兩者之間的摩擦力、機械咬合力以及相互黏結力實現的，而這種黏結作用會由于混凝土的碳化而逐漸降低。混凝土是由固、液及氣三相組成的不均勻質材料，在其內部存在大量的空隙，當構件長期處于酸性介質(如CO2、SO2等)的環境中時，這些腐蝕氣體逐漸侵入混凝土的空隙中，與混凝土內部直接接觸，從而與混凝土中的堿性介質發生碳化反應，碳化反應的作用機理如式(3)～式(6)所示。

CO2+H2O→H2CO3

(3)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3

(4)

3CaCO3·2SiO2·3H2O+3H2CO3→

3CaCO3+SiO2+6 H2O

(5)

2CaO·SiO2·4 H2O+2H2CO3→

CaCO3+SiO2+6H2O

(6)

從上式可以看出，碳化反應的產物主要包括碳酸鹽及SiO2等其他物質，這些物質的生成一方面降低了混凝土的抗壓強度，另一方面失去了混凝土內部原有的穩定狀態，使得混凝土原有的堿性環境遭到破壞，削弱了對鋼筋的保護作用，從而加劇了周圍環境對鋼筋的銹蝕作用，由于這種雙重影響最終還會導致鋼筋與混凝土的黏結性能降低。

2.3 氯離子的影響

當鋼筋混凝土結構長期處于鹽漬地區或者海洋環境中時，氯離子是導致鋼筋銹蝕的主要因素，其侵蝕作用會對鋼筋及混凝土的材料性能造成不同程度的影響，一方面加劇了鋼筋的銹蝕作用，另一方面在遭受氯離子侵蝕的同時，混凝土的碳化深度也在不斷增大，使其微觀結構發生變化，以致影響了氯離子的擴散進程，加快了氯離子在混凝土中的擴散速度，因此氯離子的侵蝕作用與混凝土的碳化作用是相互耦合、共同影響以及共同作用的，對于氯離子在混凝土中擴散機理可以由式(7)表示。

C4AH6+Ca(OH)2+NaCl+H2O→

C3A·CaCl2·10H2O+NaOH

(7)

文獻[3]通過鋼筋的浸泡與鹽霧試驗對比，分析了不同侵蝕方式影響下，隨著混凝土碳化深度的增加，氯離子的質量分布情況，如圖4所示。

圖4 不同侵蝕方式下氯離子質量分數分布

由圖4可以看出，在不同的氯離子侵蝕方式影響下，氯離子的質量分數隨著距離混凝土表面深度的增加呈逐漸降低的趨勢，同時在相同的混凝土表面距離處，浸泡試驗中氯離子質量分數要比鹽霧試驗高，其在接近混凝土表面處表現更為明顯，在氯離子質量分數較大的區域，鋼筋銹蝕及混凝土的碳化作用更為明顯。

3 腐蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力

鋼筋混凝土構件長期在高濕度、高氯離子濃度以及酸性環境共同作用下，鋼筋材料銹蝕、混凝土逐漸碳化，同時伴隨著鋼筋抗拉強度的降低，有效受拉面積的削弱以及鋼筋同混凝土間黏結性能的退化，這些因素都會導致鋼筋混凝土抗彎性能發生變化。

通常情況下，鋼筋混凝土的抗彎承載力的計算公式都是建立在鋼筋與混凝土的應變符合平截面假定的基礎上，即鋼筋產生的應變與鋼筋位置處混凝土的應變保持一致(或者在一定的標距范圍內其平均值保持一致)[9]，同時結合構件內力平衡方程以及變形協調關系，對構件的抗彎承載力計算公式進行推導的，只有在此變形協調的幾何關系下，構件承載力的計算公式才有明確的物理意義。而鋼筋混凝土構件在長期腐蝕環境影響下，由于鋼筋與混凝土材料性能的變化使得它們之間的黏結性能逐漸退化，導致鋼筋與鋼筋位置處的混凝土應變產生差異，平截面假定不再適用于腐蝕之后的鋼筋混凝土構件抗彎承載力的計算[9]，因此需要重新建立鋼筋與混凝土之間的應變關系，以便對腐蝕后鋼筋混凝土構件的抗彎承載力計算公式進行推導。

3.1 銹蝕鋼筋混凝土構件內力分析

在文獻[12]提出的鋼筋及混凝土應力-應變關系的基礎上，為了方便表達銹蝕鋼筋在產生黏結滑移之后與其相同位置處混凝土的應變關系，定義應變協調系數μ，其表達式如式(8)所示。

μ=εcs/εs

(8)

式中，εs為銹蝕鋼筋的應變；εcs為銹蝕鋼筋處對應混凝土應變。

銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力計算簡圖如圖5所示。

圖5 銹蝕鋼筋混凝土構件應力-應變分布

同時由銹蝕鋼筋及其位置處混凝土之間的變形協調關系可得

(9)

由此可建立內力平衡方程

(10)

式中，x0為受壓區混凝土截面的受壓區高度；x為簡化后等效矩形受壓區高度；h0為構件截面的有效高度；εc為混凝土受壓區邊緣應變，M是截面承受的彎矩。

聯立上式可以解得

(11)

其中

(12)

根據文獻[12]，當混凝土強度等級小于C50時，α1=0.969，β1=0.824，為了簡化計算取α1=1.0，β1=0.8，代入式(12)可求得

(13)

為了方便計算，定義

(14)

同時以混凝土彈性模量為標準值定義一種換算配筋率公式如下

(15)

由此可得

λ=1.25ξρsc，E

(16)

其中，ξ可表示為換算配筋率的折減系數，通過上述分析可得銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力計算公式為

(17)

3.2 折減系數ξ值的確定

由式(14)可以看出，配筋率折減系數ξ是一個同鋼筋銹蝕率η以及應變協調系數μ相關的參數，其可以間接影響到鋼筋混凝土抗彎承載力，本文主要通過分別確定鋼筋銹蝕率η與鋼筋及混凝土相對滑移關系與鋼筋銹蝕率之間的關系來確定ξ的數值。

鋼筋材料銹蝕率主要與混凝土的保護層厚度c，鋼筋的直徑d以及構件的裂縫寬度w相關，根據文獻[13]可知鋼筋銹蝕率的表達式如式(18)所示。

(18)

式中，當c/d的取值在各節點值之間時，銹蝕率用線性內插法求解。

鋼筋與混凝土之間的應變協調系數μ反映了鋼筋與相同位置處混凝土產生黏結滑移之后彼此之間的應變之間的幾何關系，文獻[9]通過混凝土的黏結性能試驗，經過數值分析計算得到了螺紋鋼筋應變協調系數與鋼筋銹蝕率之間的關系，如式(19)所示。

μ=1.073+0.209η

(19)

由式(14)、(18)及式(19)可以最終確定出折減系數ξ。

3.3 抗彎承載力系數

抗彎承載力系數是構件承載能力的儲備，可以間接反映構件承受意外超載的能力[14]，其基本表達式為

(20)

其中，Mu，exp為構件的極限抗彎承載力；Mu，th為構件的理論設計彎矩。

通過對受彎構件抗彎承載力理論值的計算以及試驗狀態下極限承載力的測定，即可求出抗彎承載力系數，文獻[14]建議抗彎承載力系數最優解一般介于1.53～3.03，此時的各項指標都較為合理，在工程可接受的范圍之內。

4 銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力試驗研究

4.1 鋼筋混凝土構件參數

為了研究本項目中沿線鋼筋混凝土鐵路橋梁，長期在干濕循環、高鹽及混凝土碳化環境中服役時結構性能的變化情況，制作了5塊腐蝕程度各不相同的鋼筋混凝土構件作為研究對象，依次編號為S1～S5，其中S1作為參照試件在正常情況下工作，S2～S5分別表示不同腐蝕程度的構件，它們之間鋼筋銹蝕以及混凝土碳化程度有所不同，構件采用的截面尺寸形式為1 000 mm×200 mm，試驗加載照片如圖6所示。材料參數如下，混凝土：采用強度等級為C40的材料，抗壓強度設計值為fc=19.1 MPa，彈性模量Ec=3.25×104MPa；構件內部配置了14根φ12 mm鋼筋，其在銹蝕之前屈服強度fy=235 MPa，彈性模量為Es=2.1×105MPa，通過加載試驗對不同銹蝕率鋼筋混凝土構件極限抗彎性能進行研究。

圖6 加載試驗

4.2 結果分析

由式(8)～式(20)可以計算得到S1～S5組鋼筋混凝土構件產生不同鋼筋銹蝕率之后的構件抗彎承載力，結合加載試驗得到的結果對比分析如表2所示。

表2 不同銹蝕率構件承載力統計

為了比較不同銹蝕程度的鋼筋混凝土構件抗彎承載力的變化情況，引入構件承載力損失率kd，其表達式

kd=(MS1-MSi)/MS1×100% (i=2～6)

(21)

式中，MS1為參照組構件(S1)的抗彎極限承載力；MSi為不同銹蝕率的試驗組構件(S2～S5)的抗彎極限承載力。

根據以上的研究結果，可以繪制出不同銹蝕率鋼

筋混凝土構件S1～S5的抗彎極限承載力與承載力損失率kd之間的關系，如圖7所示。

圖7 S1～S5銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力損失柱狀圖

由表2及圖7中理論與試驗對比結果可以看出，抗彎承載力系數S基本在工程可以接受的范圍內，推導的銹蝕鋼筋混凝土構件抗彎承載力公式可以較好表達銹蝕構件的抗彎性能；不同銹蝕程度的鋼筋混凝土構件，其承載能力有所不同，構件腐蝕程度越高，其抗彎承載力相對越低。當鋼筋銹蝕率達到17%時，構件抗彎承載力損失率可達到30.33%。

5 結論

(1)長期處于腐蝕環境中的鋼筋混凝土構件，由于受到環境中的水分、CO2以及氯離子等因素的影響，鋼筋開始銹蝕，混凝土也逐漸碳化，導致其材料的力學性能降低，有效受力面積減小，同時也削弱了鋼筋與混凝土之間的黏結強度，產生了黏結滑移現象。

(2)由理論與試驗結果對比可以看出，抗彎承載力系數S基本在工程可以接受的范圍內，通過構造新的應變關系，推導得到的銹蝕鋼筋混凝土構件正截面承載力計算公式，更符合銹蝕鋼筋混凝土構件承載力的計算特征。

(3)隨著鋼筋混凝土構件在腐蝕環境中的工作時間不斷延長，鋼筋銹蝕率不斷增大，混凝土碳化程度也不斷提高，其抗彎承載力也在不斷損失。當鋼筋銹蝕率達到17%時，構件抗彎承載力損失率可達到30.33%。

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