基于壓磁效應的銹脹開裂混凝土梁疲勞性能試驗研究

黃 爽，張 軍，金偉良，毛江鴻，鐘小平

(1. 浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058; 2. 浙大寧波理工學院 土木建筑工程學院，浙江 寧波 315100; 3. 四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065; 4. 揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

服役在海洋環境中的混凝土基礎設施如橋梁、碼頭等極易遭受氯鹽侵蝕，產生鋼筋銹蝕、混凝土銹脹開裂等一系列耐久性問題[1-2]。在車輛反復荷載和腐蝕環境作用下，鋼筋、界面黏結和混凝土材料性能加速退化，導致結構服役性能和服役壽命嚴重降低，甚至產生災難性后果[3]。實際工程中鋼筋銹蝕形態多為不均勻銹蝕，特別是氯致銹蝕還極易產生蝕坑[4]。鋼筋銹蝕不僅降低其自身靜/動力學性能，也將降低鋼筋和混凝土的黏結性能[5-6]。大量銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞試驗顯示其失效的主要模式為縱筋的疲勞斷裂[7-8]。實際工程中也常見銹蝕混凝土結構疲勞失效案例，如美國的SR1014大橋因鋼筋銹蝕后疲勞斷裂而發生倒塌[9]。因此，研究銹蝕混凝土結構內部鋼筋的疲勞損傷演化規律，對于評估腐蝕環境和反復荷載共同作用下混凝土結構的服役性能具有重要意義。

國內外已有大量關于銹蝕鋼筋混凝土結構疲勞性能的試驗和理論研究，已有研究重點關注銹蝕對結構疲勞壽命、撓度、破壞形式等特性的影響。常用方法包括S-N曲線預測法、損傷力學方法和斷裂力學方法。其中，S-N曲線方法常用于預測銹蝕鋼筋疲勞壽命，如張偉平等[10]和羅小勇等[11]基于銹蝕鋼筋疲勞拉伸試驗建立了考慮鋼筋銹蝕率的疲勞曲線方程，王海超等[12]基于疲勞試驗結果給出了銹蝕鋼筋混凝土梁的S-N曲線方程。雖然S-N曲線方法應用簡便，但無法表征非線性疲勞損傷累積發展過程。有學者通過定義損傷變量對疲勞損傷進行量化，如胡超[13]根據疲勞作用下混凝土殘余應變建立了梁的疲勞損傷方程，湯紅衛等[14]和李士彬等[15]則根據混凝土梁剛度衰減規律量化了梁疲勞損傷。由于混凝土結構的疲勞損傷通常起源于細微觀層面，基于宏觀力學的指標定義的損傷變量對于結構疲勞損傷的敏感性不足?？紤]到銹蝕混凝土結構中鋼筋疲勞斷裂的基本特征，Sun等[16]和Ma等[17]以鋼筋蝕坑處裂紋的擴展速率預測疲勞壽命。但由于混凝土結構內鋼筋的受力特性與混凝土和界面黏結疲勞性能演化密切相關，結構內鋼筋疲勞裂紋的萌生與擴展通常難以準確計算。

由于鋼材等鐵磁性材料的壓磁效應對銹蝕、裂紋和應力集中等的高度敏感性，逐漸得到研究人員的重視。如馬惠香等[18]基于金屬磁記憶方法檢測了混凝土內鋼筋的應力狀態，結果表明磁感應強度曲線特性可表征鋼筋受力狀態；金偉良等[19]和張軍等[20]進行了鋼筋標準試件和銹蝕鋼筋的疲勞試驗并實時監測壓磁信號，試驗表明壓磁信號對疲勞損傷非常敏感，壓磁滯回曲線在疲勞失效前出現明顯變化。Zhang等[21]開展了坑蝕鋼筋疲勞壓磁試驗，建立了蝕坑處磁感應強度變幅和疲勞裂紋擴展速率的相關關系，實現了基于壓磁信號評估鋼筋疲勞裂紋擴展行為。進一步的鋼筋混凝土梁的疲勞壓磁試驗表明壓磁信號不僅可以反映梁的疲勞損傷狀態，還與梁疲勞失效位置和破壞模式密切相關[22]。銹蝕鋼筋混凝土結構由于剛度與承載力降低，銹脹裂縫削弱了鋼筋與混凝土的黏結性能，在反復荷載作用下危害性更大。因此，有必要基于其內部銹蝕鋼筋的壓磁效應分析結構疲勞性能演化。

開展了銹脹開裂混凝土梁疲勞壓磁試驗，同步記錄并分析了壓磁信號在混凝土梁疲勞損傷進程中的演化規律，并建立了以磁信號特征值表征鋼筋銹蝕率的方法。

1 試驗設計

梁尺寸及配筋詳見圖1，梁截面為矩形，尺寸為100 mm×150 mm×1 700 mm，保護層厚度為15 mm?？v筋直徑為10 mm，箍筋為6 mm雙肢箍。為使梁發生彎曲疲勞破壞并避免對縱筋壓磁信號產生影響等不利因素，純彎段不放置架立鋼筋和箍筋。梁所用混凝土強度等級為C30，混凝土材料組分及28 d抗壓強度見表1，鋼筋基本力學性能見表2。

圖1 截面特征與疲勞加載示意Fig. 1 Schematic diagram of section features and fatigue loading

表1 混凝土配合比Tab. 1 Concrete mix ratio

表2 鋼筋基本力學性能Tab. 2 Basic mechanical properties of steel bars

梁養護完成后首先放入質量分數5%氯化鈉溶液中浸泡2 d，待充分潤濕后再通電加速銹蝕。本試驗采用恒電流加速鋼筋銹蝕，梁中鋼筋接直流電源相連正極，不銹鋼網接負極，如圖2所示。通電時，梁底部放置在吸水海綿上，以減少銹蝕產物隨溶液溢出[23]。通電電流密度為0.2 mA/cm2，根據預定銹蝕率和法拉第定律計算通電時間。疲勞加載試驗完成后取出鋼筋，酸洗后測量實際銹蝕率。五根試驗梁的實際銹蝕率如表3所示。

表3 梁銹蝕率與疲勞試驗結果Tab. 3 Corrosion rate of specimens and fatigue test results

圖2 通電加速銹蝕示意Fig. 2 Schematic diagram of energized accelerated corrosion

梁加速銹蝕完成后進行疲勞試驗。未銹蝕梁S0受彎極限承載力Mu為9.525 kN·m。循環荷載峰值為0.7Mu，應力比為0.1，加載頻率為4.0 Hz。如圖1所示，在跨中位置自混凝土受壓區頂部10 mm處依次向下布置混凝土應變片C1、C2、C3，在支座和跨中分別布置位移傳感器LVDT1、LVDT2、LVDT3。使用Model191A磁力儀實時測量壓磁信號，壓磁信號以磁感應強度B進行表征，其單位為mG。使用DH5922動態數據采集儀同步采集數據，頻率為200 Hz。梁首次加載采用分級加卸載方式。

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞失效模式和疲勞壽命

梁銹蝕后在側面和底面部分位置出現銹脹裂縫，如圖3所示。表3列出了各梁銹脹裂縫的平均寬度。可見，銹脹裂縫寬度隨銹蝕率增加而增加，銹蝕率為14.15%的梁側面裂縫寬度達0.65 mm。在反復荷載作用下，銹蝕梁橫向裂縫逐漸與縱向銹脹裂縫相互交錯。在疲勞末期，由于銹脹裂縫寬度顯著增加，混凝土保護層被交錯裂縫嚴重分割，沿銹脹裂縫發生剝離甚至脫落，隨即鋼筋發生疲勞斷裂。未銹蝕梁則未出現混凝土沿縱向開裂并剝落的現象。銹蝕混凝土梁的疲勞破壞形式均為一根鋼筋在純彎段發生突然斷裂，隨后發生疲勞失效，如圖4所示。

圖3 梁表面混凝土裂縫分布Fig. 3 Distribution of concrete cracks on the side of beams

圖4 銹蝕梁疲勞破壞形態Fig. 4 Fatigue failure form of corroded beam

試驗梁疲勞壽命列于表3，未銹蝕梁CF0的疲勞壽命為208 180次，而銹蝕程度最大的CF4的疲勞壽命僅為CF0的14.34%?？梢?，隨著銹蝕率的增加，混凝土梁疲勞壽命急劇減少。鋼筋銹蝕與混凝土銹脹裂縫對梁疲勞破壞形態和疲勞壽命影響較大。

2.2 撓度

圖5可見梁的撓度f隨疲勞進程N/Nf(Nf為疲勞壽命)的三階段發展規律。隨著銹蝕率增加，各梁的初始撓度分別為5.68 mm、6.87 mm、7.82 mm、7.41 mm、8.59 mm，整體為增長趨勢。鋼筋銹蝕不僅使梁的撓度大幅增加，還加快了撓度發展速率。梁CF3和CF4在疲勞作用開始后撓度迅速發展到10 mm以上。梁CF1在疲勞第二階段撓度發生突變。鋼筋銹蝕嚴重降低了混凝土梁的剛度，這是由于鋼筋銹蝕降低了梁的承載能力，混凝土銹脹裂縫削弱了鋼筋與混凝土間的黏結性能。

圖5 最大撓度隨循環次數發展Fig. 5 The maximum deflection develops with the number of cycles

2.3 縱筋斷口形貌

梁疲勞破壞后破碎混凝土取出鋼筋，圖6為掃描電鏡下梁CF4疲勞斷口形貌。在鋼筋疲勞斷口處可觀察到微小蝕坑分布。在鋼筋斷口中還可觀察到裂紋源區、裂紋穩定擴展區和瞬斷區。裂紋源區常位于鋼筋表面的蝕坑等缺陷處，由細小的雜亂裂紋逐漸匯聚而成。在循環應力作用下裂紋尖端不斷向前擴展，在裂紋穩定擴展區可觀察到輪胎狀的線狀條紋。鋼筋銹蝕率越大，裂紋穩定擴展區的長度通常越短，因此鋼筋疲勞壽命縮短[24]。

圖6 梁CF4鋼筋疲勞斷口形貌Fig. 6 Fatigue fracture morphology of steel bar in CF4

3 壓磁信號演化

3.1 銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞過程中的壓磁信號演化

梁首次循環加卸載過程中法向磁感應強度隨分級荷載的變化如圖7所示。加載至7.5 kN左右時變化速率增加，表明混凝土梁發生了開裂。卸載時減小速率較均勻。第一次加載后梁CF4產生了233.70 mG的不可逆磁化。梁CF3加載至7.5 kN也觀察到相同的試驗現象，而梁CF1和CF2在加載至5.0 kN左右時觀察到相同現象。這表明混凝土梁的開裂荷載為5.0～7.5 kN，各梁之間具有一定離散性。由于混凝土開裂后鋼筋的漏磁效應，梁表面磁感應強度隨鋼筋應力增加產生明顯變化。根據接近原理，循環應力作用下鐵磁性材料的磁化狀態將逐漸達到無滯后的理想磁化狀態，即不可逆磁化的增量隨循環荷載不斷減小。

圖7 循環加卸載中法向磁感應強度隨荷載變化Fig. 7 The normal magnetic induction intensity varies with the load during cyclic loading and unloading

圖8為梁CF4在不同循環次數時Bn隨時間的演化，H和T點表示時變曲線的頭部和尾部。以一個循環內Bn時變曲線上最大磁感應強度和最小磁感應強度的差值表示磁感應強度幅值，記為ΔBn，如圖8中H點與T點的差值。前600次循環中曲線上移，鋼筋在循環應力下向應力致磁化狀態發展；且H點到T點的幅值逐漸增加。這是由于混凝土在疲勞初期持續開裂引起梁截面應力發生重分布，鋼筋應力增大。隨著撓度增大，梁的荷載裂縫與銹脹裂縫的寬度增加，鋼筋和混凝土黏結性能退化，界面疲勞損傷導致鋼筋應力進一步增大。因此在600次循環荷載后，H點到T點的幅值更加顯著。如在1 200次循環時，T點已低于第10次循環。疲勞作用第二階段中，撓度和裂縫寬度增加放緩，鋼筋與混凝土界面疲勞損傷基本保持穩定，鋼筋磁化狀態接近無滯后的理想磁化狀態。如圖8(b)所示，磁信號時變曲線在較大循環次數跨度內保持穩定形態。第29 550次循環時已臨近疲勞破壞，裂縫寬度增加并相互交錯，撓度再次快速發展，界面黏結性能急劇退化，鋼筋裂紋不穩定擴展，理想磁化狀態已無法維持。相比于疲勞中期的穩定狀態，時變曲線形態發生了明顯畸變。

圖8 CF4不同循環次數法向磁感應強度時變曲線Fig. 8 Normal magnetic induction intensity time-varying curve at different cycles of CF4

圖9為CF1不同循環次數時法向磁感應強度時變曲線。CF1磁信號時變曲線在疲勞初期時也近似呈正弦形態。25 810次循環后，時變曲線形態逐漸發生改變。如50 080次循環時，磁信號時變曲線在M點和N點演化出新的極值點。第112 950次循環時，CF1臨近疲勞破壞，此時時變曲線極值點消失，再次畸變為正弦形態，且曲線頭部和尾部之間的變化幅值增大?？梢园l現梁CF1與CF4壓磁信號時變曲線的相對差異較大，這是由各梁中混凝土裂縫發展速率、裂縫分布與磁探頭相對位置、鋼筋銹蝕形貌和銹蝕率等差異引起的。但其壓磁信號隨疲勞損傷的發展演化規律是一致的。CF2與CF3的壓磁信號在疲勞作用下的演化特征與上述結果分析一致，在疲勞作用不同時期表現出明顯的階段性特征。

圖9 CF1不同循環次數時法向磁感應強度時變曲線Fig. 9 Normal magnetic induction intensity time-varying curve at different cycles of CF1

因此可知，各梁鋼筋壓磁信號雖不呈現同一形態特征，但壓磁信號隨疲勞作用的演化過程變化顯著，在不同的疲勞階段具有不同的演化特征，與銹蝕混凝土梁在疲勞作用下的鋼筋應力變化、疲勞損傷累積、疲勞裂紋擴展、黏結性能退化等因素密切相關。

3.2 鋼筋銹蝕率與壓磁信號的相關關系

混凝土裂縫擴展、鋼筋應力、撓度發展和界面黏結性能與鋼筋銹蝕率相關。不同銹蝕程度混凝土梁疲勞特性的差異可直觀表現為壓磁信號的不同。法向磁感應強度幅值隨疲勞進程的演化如圖10所示。CF0在疲勞全過程中幅值均保持在較低水平，僅在發生疲勞破壞時由于鋼筋漏磁現象較強而增加。銹蝕梁磁信號幅值隨疲勞進程的演化為三階段形式，在疲勞作用初期和臨近疲勞破壞時快速增加。隨銹蝕率增加，幅值也逐漸增大且變化明顯。在疲勞作用下，壓磁信號對梁內鋼筋銹蝕程度較敏感。

圖10 法向磁感應強度幅值隨疲勞進程發展曲線Fig. 10 The development curve of normal magnetic induction intensity with fatigue progress

根據磁信號幅值演化規律分析了疲勞作用下壓磁信號與鋼筋銹蝕率的對應關系。圖11表明分別在疲勞前期、中期和末期不同循環壽命比(N/Nf)時，磁信號幅值與鋼筋銹蝕率ρ均具有良好的線性關系。根據疲勞作用所處的階段分析磁信號幅值可評估梁內鋼筋銹蝕程度。

圖11 各梁不同疲勞階段磁信號幅值與銹蝕率的關系Fig. 11 The relationship between magnetic signal amplitude and corrosion rate in different fatigue stages

4 結 語

1)銹蝕和疲勞作用使混凝土橫向與縱向裂縫交錯，導致混凝土剝離脫落。梁疲勞剛度由于鋼筋銹蝕致混凝土脹裂而降低，疲勞壽命隨銹蝕程度的增加而急劇降低。鋼筋斷裂發生在蝕坑處，混凝土在此處開裂。

2)壓磁信號時變曲線隨疲勞進程不斷演化，表現為三階段特性，與鋼筋應力變化、裂縫發展和黏結性能退化密切相關。臨近疲勞失效時壓磁信號發生明顯畸變。

3)法向磁感強度變化幅值隨銹蝕率增加顯著增大，在疲勞作用下磁信號幅值與銹蝕率均存在良好的線性關系。