銹脹RC 梁抗彎性能試驗

莊燕珍

（三明市交通建設集團有限公司，三明 365000）

0 引言

鋼筋銹蝕在鋼筋混凝土(RC)梁結構服役中普遍發生,是導致橋梁結構抗彎性能及耐久性劣化的主要原因。 銹蝕減小了鋼筋截面積和鋼筋屈服強度, 嚴重時保護層會發生銹脹開裂甚至剝離,進一步加劇銹蝕過程,導致鋼筋與混凝土間粘結性能退化, 降低橋梁結構的使用性能和承載力[1-5]。 同時,橋梁在運營期間還承受反復車輛荷載作用,實際RC 橋梁的純疲勞壽命一般能滿足設計要求。 然而,銹蝕尤其是局部銹蝕會加速材料的疲勞累積,顯著降低結構的疲勞壽命。美國、日本及我國均有一些橋梁出現腐蝕疲勞損傷問題。 隨著經濟迅速發展交通量迅猛增加及普遍超限超載,導致橋梁結構工作應力隨之增高,疲勞損傷破壞幾率明顯增大。

目前, 國內外學者對腐蝕疲勞的研究主要是結合試驗展開, 從材料入手在銹蝕鋼筋疲勞性能的基礎上研究試驗梁的疲勞性能。 Apostolopoulos 通過開展鋼筋低周疲勞試驗來評估銹蝕的影響, 結果表明銹蝕影響下的鋼筋強度、延性和疲勞失效周期數均逐漸下降[6-7]。 Zhang 等[8]、Li 等[9]通過自然銹蝕和人工加速銹蝕兩種疲勞試驗,研究同樣表明鋼筋的疲勞壽命隨腐蝕的增長顯著降低。Nakamura 指出蝕坑類型是決定鋼筋疲勞強度的主要因素,且鋼筋在潮濕環境下疲勞強度降低速度更快[10]。 Yi等[11]開展了腐蝕RC 梁的疲勞試驗,試驗梁均發生了以鋼筋疲勞斷裂為標志的正截面彎曲破壞。 李士彬指出RC梁疲勞壽命的降低主要由鋼筋截面減小和疲勞強度退化引起,疲勞壽命分析時可忽略粘結退化的影響[12]。吳瑾等[13]通過疲勞鋼筋混凝土梁及國內外共33 組試驗數據,回歸得出了95%保證率的腐蝕RC 梁的S-N 曲線。 孫俊祖等[14]開展了鋼筋混凝土試驗梁的加速銹蝕試驗與疲勞加載試驗, 研究了銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞反復荷載作用下的破壞形態及剛度變化, 定量化地提出了疲勞加載下銹蝕鋼筋混凝土梁剛度的修正計算公式。 鋼筋銹蝕發展至一定程度后導致保護層開裂, 銹脹會影響混凝土疲勞裂縫的發展,而上述研究未考慮銹脹的影響。

本文在已有研究的基礎上, 通過開展電化學快速銹蝕試驗,獲得了7 根不同銹脹程度的鋼筋混凝土梁,分別進行了靜力和疲勞試驗。 討論了銹脹裂縫的分布情況,研究了銹脹開裂下RC 梁混凝土疲勞裂縫的發展規律、不同疲勞周期下的荷載-撓度曲線、失效形式及銹蝕RC 梁中鋼筋應力-應變曲線, 揭示了不同銹蝕程度下的RC 梁中鋼筋力學性能退化規律。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文對7 根RC 梁進行試驗研究, 梁截面尺寸為b×h=200mm×350mm,梁長l=4000mm,混凝土強度設計等級為C40,配合 比 為:水∶水泥∶砂子∶石子=0.46∶1∶2.18∶3.41,每立方米混凝土中同時添加45kg 粉煤灰,57kg 礦粉及9.3kg 的外加劑,實測立方體抗壓強度平均值為41.9MPa。為加快混凝土梁中鋼筋的銹蝕,縮短試驗周期,同時添加水泥重量5%的工業鹽, 主筋采用3 根直徑為16mm 的HRB400 級鋼筋, 實測屈服強度和極限強度分別為452MPa 和610MPa。 架立鋼 筋 采用2 根直徑10mm 的HRB400 級鋼筋,箍筋：直徑8mm 的HRB400 級鋼筋,跨中純彎段箍筋間距為100mm, 兩端彎剪段箍筋間距為80mm,保護層厚度為25mm,梁的尺寸、截面配筋、撓度測點如圖1 所示。

1.2 快速銹蝕

本研究采用電化學快速銹蝕試驗來得到不同銹脹程度的試件。本試驗設計為半邊梁銹蝕,如圖2。將半梁浸泡于5%的鹽溶液中,梁內主筋為陽極,溶液中放置的不銹鋼板為陰極,試件浸泡三天后通以直流電源進行銹蝕。 箍筋涂抹環氧樹脂防止銹蝕。 試驗結束后,將試驗梁破形取出主筋,將計算跨徑內的主筋每50cm 截取一段用于進行靜力拉伸試驗,按照GBT50082-2009 要求,經鹽酸酸洗后用清水沖洗然后用碳酸鈉溶液中和,再用清水清洗,然后放烘干機內烘干2h,最后進行長度和質量損失統計。

圖1 試驗梁尺寸及測點布置(單位：mm)

圖2 快速腐蝕

1.3 加載過程

疲勞試驗加載裝置為MTS 液壓伺服機。 疲勞試驗用四點彎曲加載,加載點和撓度測點布置如圖3 所示。 加載過程分為兩組：未銹蝕梁L0 為基準試驗梁如圖3(b),其靜載極限承載力為124kN；L1-L6 為疲勞試驗梁如圖3(a),加載上限參照靜載試驗結果。 疲勞荷載上限為62kN,疲勞荷載下限為12.4kN,應力比為0.2。 當試驗梁的疲勞荷載上限為62kN 時,由于不同梁剛度不同,控制位移并不能保證目標荷載, 疲勞荷載采用力控制。 參照GB5010-2010《混凝土結構設計規范》[15]計算得到名義疲勞應力幅為202MPa, 比規范規定的容許應力幅值156MPa 超限了29.5%,因此,混凝土梁在設計荷載下會發生疲勞破壞。

在試驗過程中,先施加靜載,分六級加載至疲勞荷載上限,卸載后按正弦等幅疲勞荷載進行疲勞試驗,頻率為2.5Hz。 在疲勞循環次數達1 萬、2 萬、5 萬、10 萬、20 萬、30 萬、40 萬、50 萬、70 萬、100 萬、150 萬、200 萬時, 停機進行靜載試驗,再逐級加載至疲勞荷載上限值,觀察試驗梁的受力及變形。 若試驗梁在經受200 萬次疲勞荷載后仍未破壞,對其進行靜載試驗,加載直至其破壞。

1.4 靜力拉伸試驗

試驗梁破形后,取出普通銹蝕鋼筋如圖4,從普通鋼筋斷口位置兩端每50cm 截取一段進行靜力拉伸試驗(如圖5)。由于試驗力較大,鋼筋斷裂時MTS 試驗機會強制關機,為了保護試驗儀器,在拉伸過程中,一部分鋼筋在頸縮階段前期便停止拉伸。

2 試驗結果與討論

2.1 銹脹裂縫

試驗梁銹蝕水平達設計值后, 拆下腐蝕槽對梁體沖洗晾干,以10cm 為間距,用裂縫觀測儀測量了底面和側面的銹脹裂縫寬度, 圖6 為銹蝕梁L2-L6 底面銹脹裂縫圖,裂縫旁數值為實測銹脹裂縫寬度值。

圖3 疲勞及靜力加載圖

圖4 截取的部分的鋼筋段

圖5 鋼筋截取位置示意圖(mm)

在試驗中發現,當銹蝕率較大時,如梁L5 和L6 底部及側面裂縫寬度較大,疲勞荷載作用下,純彎段受壓區混凝土被壓碎,主裂縫迅速貫穿整個梁截面,保護層在初始銹脹位置發生脫落,混凝土梁截面嚴重被削弱,截面剛度迅速降低,加速了梁的疲勞破壞過程。 表1 為試驗梁中鋼筋銹蝕率和試驗梁疲勞壽命,從表1 可以看出,梁的疲勞壽命隨銹蝕的增長逐漸降低, 銹脹嚴重的梁L5 和L6 疲勞壽命分別為對比梁疲勞壽命的4.4%和1.9%,進一步說明了銹脹損傷對疲勞壽命有很大的影響。

圖6 銹脹裂縫寬度及分布(單位：mm)

表1 銹蝕程度及疲勞壽命

2.2 疲勞后荷載-撓度關系

圖7 為各試驗梁在不同疲勞循環次數后的跨中撓度值。 由圖7 可知,疲勞導致梁的剛度退化,對于同一試驗梁,在相同靜載水平下,隨疲勞循環次數的增加,試驗梁跨中變形逐漸增大。 另外,在經歷相同的疲勞循環后,與未銹蝕梁相比,銹脹RC 梁的跨中撓度增大；且隨銹脹裂縫的增大,各級靜載下梁的撓度曲線間距有增大的趨勢,表明經歷相同疲勞循環下梁的剛度對銹脹程度敏感性大。 梁L5 和L6 銹脹較為嚴重,銹脹對其粘結力降低和剛度退化的影響更為顯著。梁L5 和L6 靜載試驗中的初始最大撓度分別為9.14mm 和9.22mm, 與未銹蝕梁L0的5.34mm 相比,撓度分別增加了71.2%和72.7%。 說明剛度對銹蝕很敏感,隨著銹蝕率的增加,試驗梁剛度退化急劇加快。

圖7 不同疲勞循環后跨中荷載-撓度曲線

2.3 疲勞后銹蝕鋼筋應力-應變曲線

試驗梁制作前, 萬能試驗機對試驗梁所采用的普通鋼筋進行了靜力拉伸試驗。 銹蝕梁疲勞后破形取出試驗梁中鋼筋進行靜力拉伸試驗。由于試驗梁L1 梁中鋼筋未保存, 故只研究了原狀鋼筋及L2-L6 梁中鋼筋的靜力拉伸性能。 鋼筋的屈服強度為489MPa,屈服力為98.3kN；極限抗拉強度為618MPa,對應的拉力值為124.20kN。圖8(a)為原狀鋼筋的應力-應變曲線關系圖。

圖8 試驗梁中鋼筋應力-應變曲線

圖8(a～f)為各試驗梁的應力-應變曲線。 應力應變曲線表現出如下明顯特征：(1)彈性階段各條曲線重合,即疲勞后鋼筋的彈性模量沒有發生變化；(2) 疲勞后鋼筋的力學性能退化明顯,鋼筋屈服強度和極限強度降低,且距離斷口越近,降低越明顯；(3)距離斷口越近,鋼筋的屈服平臺逐漸消失, 屈服特征由在某一水平上下波動變為曲線上升；(4)距離斷口越近,極限拉應變減小越明顯。

屈服強度,極限強度,冷拉性能和極限伸長率是衡量鋼筋力學性能的重要指標。 疲勞后的鋼筋在上述性能方面(未測試冷拉性能)有較大的變化。試件的屈服強度和極限強度降低明顯, 并且靠近斷口處試件的屈服強度和極限強度整體小于同一試驗梁遠離斷口處的試件。 距離斷口越近的鋼筋段,鋼材的特性變化更為明顯：屈服平臺的縮短甚至消失表明鋼材更趨于硬鋼特性。 導致這種變化的因素有很多,如鋼筋應力幅、應力峰值、疲勞壽命、粘結性能等。 疲勞后主筋的極限拉應變在靠近斷口位置降低很明顯, 在遠離斷口位置處的極限拉應變呈現出一定的離散性。

圖9 屈服強度和極限強度沿斷口分布

圖9 為拉伸試件的屈服強度值和極限強度值沿斷口兩側分布圖。 圖中需要說明的有：1)中間的較粗的豎向線條表示為斷口位置；2) 水平線分別表示屈服強度489MPa 和極限強度618MPa；3)屈服臺階不明顯的試件,取其斜直線上升段的終點為彈性極限,將其作為名義屈服強度。 從圖中可以直觀的看出,主筋的屈服強度/名義屈服強度和極限強度均小于疲勞前的原始值,分布規律如前文所述,整體上呈現出距離斷口越近,力學性能降低越明顯的趨勢。

3 結語

基于本文的試驗研究,可以得到以下結論：

(1)銹蝕RC 梁在疲勞荷載下,壽命隨銹蝕率的增加急劇下降,剛度下降明顯。

(2)銹脹RC 梁混凝土疲勞裂縫數量減少、裂縫平均間距增大。 銹脹程度較低時,混凝土裂縫發展具有明顯的三個階段。

(3)隨著銹蝕率的增加,銹蝕的不均勻性增加、銹蝕鋼筋的名義屈服強度、極限強度下降、延伸率下降。 銹蝕的不均勻性特別是坑蝕對材料的力學性能影響極大, 因此在疲勞荷載下銹脹RC 梁研究應考慮該因素對結構和材料性能的影響。

(4)本研究是在實驗室通電快速腐蝕下進行的,未考慮不同應力比和應力幅的影響,實際中疲勞荷載是隨機的,具很大的不確定性,文中試驗結論有待日后進一步驗證。