C60全珊瑚海水混凝土柱的受壓性能與計算模型

達波， 余紅發， 麻海燕， 陳達， 劉金文， 陳巖

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.河海大學 海洋與近海工程研究院，江蘇 南通 226300； 4.南京航空航天大學 土木與機場工程系，江蘇 南京 210016)

在南海島礁上，利用當地豐富的珊瑚、珊瑚砂和海水等材料制備鋼筋全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete，CASC)柱，具有重要的國防意義和工程實用價值[1-2]。然而，CASC中含有大量的Cl-，使得構件中鋼筋容易銹蝕，影響結構安全[3-7]。而有機新涂層鋼筋具有較好的防腐蝕性能[8-9]。因此，研究涂層鋼筋CASC柱的受壓性能，為其在島礁工程中的應用提供試驗基礎和理論依據。

Rick[10]實地考察了太平洋島礁上CASC結構耐久性，發現CASC基本能夠滿足島礁工程建設要求。余紅發等[11-12]實地考察南海某島礁CASC結構耐久性，發現熱帶島礁環境對低強度CASC結構具有極強的腐蝕破壞作用。達波等[13]研究了CASC的軸心抗壓、劈拉、抗折強度與立方體抗壓強度及其相關性規律，實測了CASC的單軸受壓應力-應變全曲線，并建立其本構方程。馮鵬等[14]研究了鋼管CASC柱的力學性能，提出了鋼管CASC柱軸壓承載力計算方法。麻海燕等[15-16]研究了不同混凝土強度鋼筋CASC梁的抗彎/剪性能，提出了鋼筋CASC梁承載力計算模型。

綜上表明目前尚缺對鋼筋CASC柱受壓性能的研究。本文以鋼筋種類和初始偏心距為參數，對8根鋼筋CASC柱進行正截面受壓性能試驗，研究了鋼筋CASC柱的變形性能和承載能力，根據不同混凝土結構規范，提出了考慮鋼筋銹蝕和粘結滑移影響的鋼筋CASC柱軸心、小偏心、大偏心受壓極限承載力(Nu)計算模型。

1 鋼筋混凝土柱受壓性能實驗

1.1 制作方法

膠凝材料為P·II52.5型硅酸鹽水泥、I級粉煤灰和S95級礦渣，骨料為南海某島礁的珊瑚砂、珊瑚，其Cl-質量百分比含量為0.112/%和0.074%，外加劑為亞硝酸鈣阻銹劑和聚羧酸減水劑。海水為3.5%NaCl溶液，鋼筋為普通鋼筋(A)和有機新涂層鋼筋(涂層厚度為40 μm) (B)，配筋率為0.17%。鋼筋CASC柱的尺寸為200 mm×240 mm×1 500 mm的矩形截面試驗柱(見圖1)。單位體積CASC中各材料用量(kg/m3)為水泥：礦渣∶粉煤灰∶珊瑚砂∶珊瑚∶海水∶減水劑∶阻銹劑= 780∶150∶70∶700∶300∶264∶6∶30，其中混凝土強度等級為C60，混凝土保護層厚度為30 mm，初始偏心距為0、70和160 mm。鋼筋CASC柱基本參數見表1，其中ω表示鋼筋質量損失率，fcu、fc和fcm為混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彎曲抗拉強度，fy為鋼筋屈服強度。

圖1 鋼筋CASC柱的配筋Fig.1 Steel details of reinforced CASC column

表1 鋼筋CASC柱的基本參數Table 1 Basic parameters of reinforced CASC column

1.2 測試方法

參照《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152-2012)進行，試驗裝置見圖2。采用DH3818-2型靜態應變儀、200 t荷載傳感器和SW-LW-201型裂縫觀測儀對試驗過程中應變、應力和裂縫寬度進行采集。對于軸心受壓試驗(圖2(a))：在試驗機加載板布置1個和柱側面布置2個YWC-50型位移傳感器測量柱的軸/側向變形，在每根縱筋跨中位置粘貼2片鋼筋應變片測量鋼筋應變，在柱的2個相鄰側面粘貼橫向、縱向混凝土應變片各1片測量混凝土應變。對于偏心受壓試驗(圖2(b))：在千斤頂上布置1個和受拉側布置5個YWC-50型位移傳感器測量柱的軸/側向變形，其余應變片粘貼方式與軸心受壓試驗一致。

2 結果與討論

2.1 破壞特征

圖3為鋼筋CASC柱的裂縫展開圖(最終狀態)。由圖可知：1) 軸心受壓(見圖3(c))，當荷載較小時，鋼筋CASC柱處于彈性狀態，此時鋼筋和混凝土的應變基本一致。隨著荷載增大，初期鋼筋和混凝土的應變均逐漸增加；后期在柱端部出現數條豎向裂縫，且逐漸向柱的中部延伸，裂縫寬度不斷增加；最后出現一條寬度較大的縱向劈裂裂縫，其端部混凝土被壓碎，鋼筋屈服，鋼筋CASC柱破壞。2) 偏心受壓：當荷載較小時，鋼筋CASC柱的小/大偏心受壓的受力特點與軸心受壓一致。隨著荷載增大，在柱的受拉側出現數條橫向裂縫，且逐漸向柱的受壓側延伸，裂縫寬度不斷增加。繼續增大荷載，之后小/大偏心表現出不同的破壞特征：對于小偏心受壓(見圖3(d))，鋼筋CASC柱因受壓側混凝土被壓碎而破壞，受壓側縱向鋼筋發生屈服，而受拉側縱向鋼筋未發生屈服；對于大偏心受壓(見圖3(a)、(b))，受拉側縱向鋼筋發生屈服，隨后受壓側混凝土被壓碎而破壞，在受拉側有一條裂縫寬度較大的混凝土橫向裂縫。

圖2 鋼筋CASC柱的加載裝置Fig.2 Loading devices of reinforced CASC column

圖3 鋼筋CASC柱的裂縫展開圖Fig.3 Crack developments of reinforced CASC column

2.2 承載力分析

2.2.1 不同因素的影響

圖4為不同鋼筋CASC柱的Nu。由圖可知：1) CL5-1、CL5-2、CL6-1和CL6-2的Nu分別為720、700、650和570 kN，即相同ei(170 mm)下，普鋼鋼筋CASC柱(CL5)的Nu比有機新涂層鋼筋CASC柱(CL6)高7.7%～26.3%。主要是由于：在受力作用時，CASC與涂層鋼筋之間發生滑移，其粘結力降低，Nu減小。2) CL6-1、CL6-2、CA7-1、CA7-2、CS8-1和CS8-2的Nu分別為650、570、810、1 900、1 540和1 550 kN。表明對于C60鋼筋CASC柱，當ei由0 mm增大到70 mm時，Nu下降幅度約為18.7%，當ei由70 mm增大到170 mm時，Nu下降幅度約為60.5%。即相同混凝土強度下，隨著ei增大，其Nu大致呈非線性減小的規律。

2.2.2 承載力計算模型

1)軸心受壓。

不同規范中軸心受壓鋼筋混凝土柱的Nu計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：φ為穩定系數，對于GB 50010-2010、JGJ 12-2006和ACI 318-1999，φ分別取1、0.97和0.7；fc為混凝土軸心抗壓強度，MPa；fy′為鋼筋抗壓強度，MPa；A為柱截面面積，mm2；As′為受壓區鋼筋截面面積，mm2；β2、β3分別為應力、高度系數；γ為強度差異系數，取0.85。

圖4 不同鋼筋CASC柱的NuFig.4 Nu of different reinforced CASC column

表2 軸心受壓鋼筋CASC柱的NuTable 2 Nu of reinforced CASC column under axial compression

2)小軸心受壓。

不同規范中小偏心受壓鋼筋混凝土柱的Nu計算公式為：

①GB 50010-2010：

(5)

②JGJ 12-2006：

(6)

③EN-1992：

(7)

④ACI 318-1999：

(8)

式中：α1為應力圖系數，取0.975；x為受壓區高度，mm；σs為鋼筋應力，MPa；fy′為鋼筋抗壓強度，MPa；As、As′為受拉、壓區鋼筋截面面積，mm2；e為偏心距，mm；h0為截面有效高度，mm；β為擬合系數；fcm為混凝土彎曲抗壓強度，MPa；d為截面有效高度，mm。

3)大軸心受壓。

不同規范中大偏心受壓鋼筋混凝土柱的Nu計算公式為：

①GB 50010-2010：

(9)

表3 小偏心受壓鋼筋CASC柱的NuTable 3 Nu of reinforced CASC column under small eccentric compression

②JGJ 12-2006：

(10)

③EN-1992：

(11)

④ACI 318-1999：

表4 大偏心受壓鋼筋CASC柱的NuTable 4 Nu of reinforced CASC column under large eccentric compression

2.2.3 模型優化

基于上述研究發現，GB 50010-2010、JGJ 12-2006、EN-1992和ACI318-1999中鋼筋混凝土柱的Nu計算模型不適用于鋼筋CASC柱。這主要是由于：CASC中含有大量的Cl-，以及珊瑚骨料多孔的結構“缺陷”，使得構件中鋼筋極易銹蝕，減小鋼筋的有效截面和降低鋼筋強度，影響CASC結構的承載能力[5,17]；對于暴露240 d的CASC，其內部普通鋼筋已發生嚴重銹蝕，而有機新涂層鋼筋未發生大面積銹蝕，表現出較好的耐蝕性(見圖5)；在受力作用時，涂層鋼筋與混凝土之間易發生粘結滑移，粘結力降低，構件Nu減小。然而，上述規范均未考慮鋼筋銹蝕和鋼筋粘結滑移影響。

圖5 鋼筋CASC柱中的不同種類鋼筋的銹蝕狀態 (240 d)Fig.5 Corrosion state of different steel types in reinforced CASC column (240 d)

袁迎曙等[17]考慮鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土構件承載力的影響，提出了鋼筋銹蝕折減系數α：

α=α2α3=

(13)

式中：ωs為鋼筋平均截面損失率，%；α2、α3分別為考慮鋼筋有效截面減小和屈服強度降低的折減系數。

然而，在海洋環境下，鋼筋銹蝕主要表現為“坑蝕”現象[3-4]。當遭受外力作用時，鋼筋最小截面處極易發生斷裂，故基于鋼筋最大截面損失率(ωsm)來表針α更加準確。研究表明[16]：氯鹽侵蝕環境下ωsm與ω符合較好的線性關系(見式(15))，同時ω和ωs大致相等[17]，即α表示為：

(14)

(15)

1)軸心受壓。

考慮鋼筋銹蝕和粘結滑移影響，軸心受壓鋼筋CASC柱的Nu計算模型為：

(16)

式中：k為考慮鋼筋粘結滑移的折減系數，涂層鋼筋和帶肋鋼筋的k分別取0.67、1.0。

2)小偏心受壓。

考慮鋼筋銹蝕和粘結滑移影響，小偏心受壓鋼筋CASC柱的Nu計算模型為：

(17)

式中：涂層鋼筋和帶肋鋼筋的k分別取0.78、1.0。

3)大偏心受壓。

考慮鋼筋銹蝕和粘結滑移影響，大偏心受壓鋼筋CASC柱的Nu計算模型為：

(18)

式中：涂層鋼筋和帶肋鋼筋的k分別取0.9、1.0。

3 結論

1) 對于軸心受壓和偏心受壓鋼筋CASC柱，其破壞特征與普通混凝土柱基本相似。驗證了有機新涂層鋼筋在CASC中具有較好的耐蝕性能。

2) 鋼筋CASC柱的Nu隨著ei的增大而呈非線性的降低規律。此外，在受力作用時，CASC與涂層鋼筋之間易發生滑移，其粘結力降低，使得相同ei(170 mm)下，普鋼鋼筋CASC柱比有機新涂層鋼筋CASC柱的Nu高7.7%～26.3%。

3) GB 50010-2010、JGJ 12-2006、EN-1992和ACI318-1999中鋼筋混凝土柱的Nu計算模型不適用于鋼筋CASC柱。考慮鋼筋銹蝕和粘結滑移影響，提出了鋼筋CASC柱軸心、小偏心、大偏心受壓Nu計算模型。