水下混凝土梁静力和疲劳性能试验研究.pdf

仲伟秋等： 水下混凝土粱静力和疲劳性能试验研究 水下混凝土梁静力和疲劳性能试验研究 仲伟秋 ， 董爱平 ， 王烨 ( 1 大连理工大学 土木T程学院。 辽宁大连1 1 6 0 2 3 ； 2 中国汽车工业工程公司。 天津3 0 0 1 9 0 ) 【 摘要】 通过水下钢筋混凝土梁和普通钢筋混凝土梁的静载和等幅疲劳荷载试验 ， 分析了水下混凝土梁 的变形性能和抗弯疲劳性能， 比较了它与普通混凝土梁变形性能的差异。试验结果表明， 水下混凝土梁在疲劳荷 载作用下， 正截面平均应变基本符合平截面假定； 随着循环次数的增加 ， 其裂缝宽度逐渐增大， 刚度逐步降低， 其 变化规律与普通混凝土相似， 但其裂缝宽度明显较大， 而刚度降低的幅度略小一些 ， 不过两者刚度相差不大。 【 关键词】 水下不分散混凝土 ； 抗弯疲劳性能； 裂缝宽度； 挠度 【 中图分类号】 T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 0 1 0 5 EX PER眦NTAL S TUDY ON NoN- DI s PE I m L E UNDERW ATER CoNCRETE BEAM S UNDER S TATI C LoADI NG AND F AT I GUE LoADI NG Z HO NG We i q i u ，D ONG Ai p i n g ，WANG Ye ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， D al i a n U n i v o f T e c h ， L i a o n i n g D a l i a n 1 1 6 0 2 3 ， C h i n a ； 2 C h i n a A u t o m o b i l e I n d u s t r y E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 1 9 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c o mp a r a t i v e e x p e ri me n t s b e t we e n u n d e r w a t e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms a n d n o r ma l r e i nfo r c e d c o n c r e t e o n e s u n d e r s t a ti c l o a d i n g a n d f a t i g u e l o a d i n g w i t h c o n s t a n t a mp l i t u d e s w e r e c a r r i e d o u t i n t h i s p a p e r T h e d e f o r ma t i o n b e h a v i o r a n d b e n d i n g f a t i gu e b e h a v i o r o f NDC b e a ms w e r e an aly z e d T h e d i f f e r e n c e s o f d e f o rm a t i o n p r o p e r t y b e t w e e n ND C b e a ms a n d NC o n e s w e r e c o mp a r e d Th e e x p e ri me n t r e s u l t s s h o w e d t h a t the n o r ma l s e c t i o n a v e r a g e s t r a i n p l a n e o f NDC b e a ms b a s i c a l l y c o r r e s p o n d s t o s e c t i o n a s s u mp ti o n u n d e r f a ti g u e l o a d i n g Wi th the i n c r e a s e o f c y c l e ti me s ，the c r a c k wi d th g r a d u a l l y i n c r e a s e d a n d the s ti ff n e s s gra d u a U y r e d u c e d Th e d e v e l o p me n t l a w o f NDC b e a ms c r a c k a n d d e fl e c t i o n we r e s i mi l a r t o NC b e a ms B u t t h e c r a c k w i d th o f NDC b e a ms wa s gre a t e r ，an d s t i f f n e s s r e d u c t i o n s l i g h t l y s ma l l e r ，h o w e v e r ，the i r s t i f f n e s s w a s b a s i c a l l y the s a me Ke y wo r d s ： n o n d i s p e r s i b l e u n d e rwa t e r c o n c r e t e ； b e n d i n g f a t i gu e b e h a v i o r ；c r a c k wi d th ；d e fl e c t i o n 普通混凝土用于水下工程时， 由于水洗作用会导致材 料离析 、 水泥流失 ， 施工质量难以保证。在普通混凝土中掺 入絮凝剂制备成的水下混凝土， 提高了新拌混凝土的粘聚 力 ， 限制了新拌混凝土的分散、 离析及减少水泥流失。水下 混凝土 ， 具有极好的流动性， 不需振捣， 自流平、 自密实， 遇 水抗分散性强， 几乎没有泌水现象 ， 该技术 的诞生， 弥补 了普通混凝土水下施工的不足和缺陷； 随着该技术的成熟 发展 ， 在今后的桥梁、 大坝及海洋等水下工程中， 其运用将 会越来越多。而对于桥梁、 大坝、 港 口、 海洋平台以及人工 岛等结构 ， 除承受静载作用外 ， 还往往承受交通车辆荷载、 波浪力等重复荷载的作用。在这些荷载的重复作用下， 随 着作用次数的不断增加， 对结构有累积损伤的过程， 当荷载 作用达到一定次数后 ， 结构有可能发生疲劳破坏， 因此水下 混凝土结构的疲劳问题成为一个不容忽视的课题。目前， 国内外对于水下混凝土技术的研究大多数还是着手于絮凝 剂、 施工工艺、 配合比等方面， 而对于水下混凝土结构的力 学性能研究较少； 少数学者进行 了水下混凝土结构静力试 验研究” J ， 而对其疲劳性能的研究还处于空白。本文通过 水下混凝土梁和普通混凝土梁的静载及疲劳试验， 对 比分 析了两者变形性能和抗弯疲劳性能的差异。 1 试验概况 1 1 试件参数 本文设计制作了2根水下混凝土梁和2根普通混凝土 梁， 进行静力和疲 劳性能 对 比试 验研究。试件尺寸均为 1 2 0 m m 2 0 0 mm2 0 0 0 m m； 水下不分散混凝土强度试验值 =2 9 4 M P a ， 普通混凝土强度试验值 = 3 3 8 MP a ； 4根梁 配筋均相同， 纵向受拉钢筋为 2根直径 1 2 ra m的 U级钢筋 ， 屈服强度 = 3 4 2 MP a ， E 。 =2 01 0 MP a 。试件详细尺寸及 配筋情况如图 1 所示 ， 试验规划见表 1 。 基金项目 国家 自 然科学基金资助项目( 5 0 7 0 8 0 1 1 ) ； 大连理工大学创新性实验计划资助项 目( 2 0 1 0 5 9 1 ) 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 4 期( 总第 1 5 4 期) 表 1 试验规划 注： N C和 N D C分别表示普通混凝土和水下不分散混凝土。 2 击65 瑚 2 q , 6 5 恤 5 t -2 1 2 1 - 1 剖面 2 2剖面 1 1 I - I田 I 二 匝皿国 li J L： I I 9 o 0 I 2 0 0I 9 O o I 【 2 0 0 0 l 图 1 试件尺寸及配筋 1 2 混凝土配合比 本试验混凝土配合比见表 2 ， 水泥采用 4 2 5 R普通硅酸 盐水泥， 粉煤灰为 I I 级粉煤灰， 粗骨料选用粒径5 3 0 m m的 连续级配碎石 ， 细骨料为细度模数大于2 6的河沙， 含泥量 不大于 2 ， 减水 剂 为聚羧酸 盐类 高效减水剂 ( 固含量 3 0 ) ， 絮凝剂为二代絮凝剂 U WB I I 高性能型。 表2 混凝土配合比 1 3 试验方法 本试验采用简支梁式的加载图式。试验是在大连理工 大学海岸和近海工程 国家重点实验室结构分室 2 5 0 k N MT S 一 8 1 0 N E W 电液伺服万能疲劳试验机上进行的。疲劳试验 对支承条件要求较高， 本文采用钢质铰支座下垫两块聚四 氟乙烯板 ， 且在两块聚四氟乙烯板之间涂抹固体润滑油来 模拟滑动铰支座约束。试验采用三分点加载， 在跨中形成 纯弯段 ， 试验加载简图如图2所示。 本试验分为静载和疲劳试验两部分， 按照表 1中试验类 型进行 ， 各有 1 根水下混凝土梁做静载和疲劳试验 ， 而普通 混凝土梁是用来做对比试验的。首先进行静载试验 ， 目的 是测得试验梁的极限荷载， 从而作为疲劳试验梁荷载水平 取值的参照。静载试验时， 首先通过力来控制加载， 分 4 级 加至0 8倍的计算极限荷载 ， 每级荷载为 8 k N， 在接近开裂 荷载时， 密切观察受拉区连续布置的混凝土应变片应变的 发展， 并由此来确定初裂荷载。每级荷载结束后 ， 测量试件 的裂缝宽度和挠度。当荷载达到 0 8倍的计算极限荷载后 ， 通过位移控制加载， 直至试件发生弯曲破坏 ， 记录破坏时的 极限荷载。试验过程中的荷载、 混凝土应变、 钢筋应变等由 动态采集设备 自动采集 ， 裂缝宽度用读数显微镜量测。 图2 试验加载简图 疲劳试验中， 由静载试验得到的试验梁的极限荷载 肼 ， 来确定疲劳试验的应力水平。本试验疲劳荷载的下限值取 为 ； =0 1 M ， 上限值取为 M =0 7 M ， 帆 为静力极 限 弯矩值。试验采用正弦波加载， 加载频率为 1 2 H z 。 疲劳试验加载过程包括静载、 重复荷载二个 阶段。疲 劳试验静载阶段， 共分 5级加载至疲劳荷载上限， 然后逐级 卸载， 此加载过程重复三次 ； 每一级荷载结束后， 均测量梁 的挠度和裂缝宽度。重复加卸载三次后， 以 1 5 Hz的频率 进行重复荷载试验。在疲劳试验过程 中， 循环次数达到一 定时， 停止重复加载， 进行一个循环的静载试验， 当加载达 到疲劳荷载上下限时停机进行测量， 记录梁的挠度和裂缝 宽度。在整个疲劳试验过程中， 由动态采集系统 自动采集 试验过程中的荷载、 混凝土应变、 钢筋应变等数值。一般来 说， 构件疲劳累积损伤的第一阶段 ， 停机的时间间隔较短 ， 间隔较密集， 本试验当循环达到 1 0 0 、 5 0 0 、 1 0 0 0 、 2 0 0 0 、 5 0 0 0 次时停机测量； 第二阶段 ， 梁处于稳定阶段 ， 停机的时间间 隔比较长， 间隔比较稀疏 ， 当循环次数为 1万、 2万、 5万、 1 0 万、 l 5万次时停机测量； 最后 ， 在完成 l 5万次疲劳试验后进 行静载试验直至试件破坏。 2 静 载试验结果分析 ( 1 ) 破坏形态 ： 在静载试验中， 水下不分散混凝土梁 和普通混凝土梁破坏形式均为弯曲破坏 ， 表现为纯弯段钢 筋屈服， 受压区混凝土被压碎而破坏。从破坏过程 以及破 坏形态来看， 水下混凝土梁和普通混凝土梁是相同的， 均有 明显的弹性、 开裂、 屈服以及极限破坏四个阶段。 挠度 ram NDC LB1 一 NC LBl 图3 荷载一 挠度曲线比较 图 3 ， 为水下混凝土梁和普通混凝土梁荷载 一挠度曲线 对比图， 两者基本相同。说明在三分点加载的弯曲试验中， 水下混凝土梁和普通混凝土梁， 从加载开始至最后弯曲破 坏整个过程中， 两者抗弯机理是基本相同的。这是因为， 纯 弯曲试验中， 决定试验梁破坏过程和破坏形态主要是试件 仲伟秋等： 水下混凝土梁静力和疲劳性能试验研究 3 配筋率和混凝土强度； 而本试验中两种梁的配筋情况完全 一 样， 混凝土强度也相差不大， 故从理论上分析， 两者破坏 过程及破坏形态也应该是一样的。 ( 2 ) 试验梁裂缝宽度及承载力对比： 水下不分散混凝 土梁在静载作用下， 当加载到 1 1 9 k N时首先在跨中受拉区 混凝土边缘出现裂缝 ， 裂缝宽度为 0 0 8 0 1 O m m， 裂缝随 荷载增大逐渐向上延伸。而普通混凝土梁相对开裂较早， 当加载到 9 6 k N时， 在跨中混凝土边缘出现受拉裂缝 ， 裂缝 宽度为 O 0 4 0 0 6 m m。随着荷载的加大 ， 水下不分散混凝 土梁的裂缝宽度增加幅度会大于普通钢筋混凝土梁， 当加 载到 0 7 左右， 裂缝基本出齐。此时， 水下混凝土梁的最 大裂缝宽度大于普通钢筋混凝土梁。 表 3 试验结果对比 由表3可知 ， 水下混凝土梁和普通混凝土梁的承载力基 本相同。表中计算值是根据现行混凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2中给出的受弯承载力公式 计算而来的， 试验 值比计算值大， 说明用普通混凝土规范中的公式来计算水 下混凝土是足够安全的。 总之， 在配筋率以及试件尺寸相同的情况下， 水下不分 散混凝土梁的抗弯承载力与普通混凝土基本相同。与普通 混凝土梁相比， 水下混凝土梁开裂荷载较大， 开裂晚， 但刚 开裂时裂缝宽度稍大， 且裂缝宽度的增加幅度也大， 表明普 通混凝土梁的抗裂性能优于水下混凝土梁。同时在相同荷 载下水下混凝土梁变形偏大， 随着荷载的加大， 挠度增大的 )U 暑 g 趟 1 00 簧 5 O O 0 0 -I 混凝土应变 la b l O k N 一 2 5 k N 一 2 7 k N 一3 0 kN一4 5 k N 图4 各级荷载下跨 中混凝土应变分布 幅度也要略大于普通钢筋混凝土梁， 表明普通混凝土梁的 刚度会稍大于水下混凝土梁。 3 疲劳试验结果分析 本试验开展了水下混凝土梁和普通混凝土梁 l 5万次疲 劳对 比试验， 整个试验分为三部分： 静载阶段、 1 5万次疲劳 试验以及静载破坏部分。根据本试验的疲劳应力水平 0 1 0 7 M ， 静载试验， 分五级加载至疲劳荷载上限0 7 M ， 即 加载至 3 5 k N， 然后 逐级卸 载， 重 复此过程 3次； 接着 以 1 5 H z 的频率进行 l 5万次疲劳试验； 然后再静载压坏。通 过比较试件裂缝宽度和挠度随疲劳次数的变化规律， 以及 1 5万次疲劳试验后试件裂缝宽度和荷载挠度曲线 ， 来分析 水下混凝土梁和普通混凝土梁的抗弯疲劳性能有何差异。 3 1 疲劳荷载作用下的平截面假定 以往试验研究表明， 钢筋混凝土梁正截面抗弯疲劳性 能表现为 ： 在静载和多次疲劳荷载作用下， 通过分析试件不 同高度处混凝土和受拉钢筋的应变可知， 试件不同高度处 混凝土应变呈线性分布， 即试件混凝土开裂后虽经多次重 复荷载作用 ， 截面平均应变仍符合平截面假定。在疲劳荷 载作用下 ， 中和轴位置基本不变， 只是随着疲劳荷载次数增 加而略微下降 J 。 本次试验在静载和 J7 ， 次疲劳荷载作用下， 采集了试验 梁不同高度处混凝土的应变， 通过分析沿截面不同高度处 混凝土应变分布， 表明： 在静载作用下受拉区混凝土开裂前 后符合平截面假定 ， 且在疲劳荷载作用下， 混凝土平均应变 仍近似呈线性分布， 即试验梁开裂后， 又经多次重复荷载作 用， 仍可采用平截面假定进行计算 ， 见图4， 在静载试验中， 水下混凝土梁在各级荷载作用下截面不同高度处混凝土应 变分布， 从图中可看出不同高度处混凝土应变线性关系良 好， 即在静载试验中水下混凝土梁符合平截面假定。 目 幄 1 。 1 0 o 一 应变， 一 l 千 一1 万 一 5 万 一l O 万 图5 不同疲劳循环次数下混凝土应变分布 如图5所示 ， 在疲劳荷载上限作用下 ， 水下不分散混凝 土梁 N D C - L B 2截面不同高度处的混凝土应变分布。由图中 应变分布可得， 在疲劳荷载作用下， 梁截面上不同高度处的 混凝土应变近似呈线性变化， 即水下不分散混凝土梁基本 符合平截面假定。 3 2 疲劳荷载作用下的裂缝发展规律 在疲劳荷载作用下， 试验梁裂缝的发展情况随疲劳荷 载循环次数的增加有以下规律： 在开始疲劳试验前的静 载阶段， 试验梁一般已经开裂， 根据疲劳应力水平的不同试 0 目 0 吕 、0 8 0 O 0 5 1 0 1 5 ， 万次 一 NDC L B2 一NC LB 2 图6 裂缝宽度发展 曲线 验梁开裂情况不一样 ， 疲劳应力水平上限越大试验梁裂缝 数量越多， 裂缝宽度越大， 裂缝发展越充分； 开始疲劳循 环加载后 ， 试验梁裂缝随疲劳循环荷载次数的增加而增长， 在疲劳加载前期裂缝数量、 裂缝宽度以及裂缝长度的增长 比较迅速 ； 当疲劳荷载循环次数达到一定后， 试验梁裂缝 的基本出齐， 裂缝增长基本稳定下来 ， 基本没有新 的裂缝出 现 ， 裂缝宽度和长度也没有明显变化 ； 最后， 裂缝又有较 大增长直到试件破坏， 最终最大裂缝一般 出现在梁跨中附 近。在疲劳荷载作用下， 随着循环次数的增加， 试验梁裂缝 4 低温建筑技术 2 0 1 1 年第4期( 总第 1 5 4 期) 宽度会不断增长主要原 因是： 钢筋和混凝土之间的粘结 应力在疲劳荷载重复作用下不断减小， 钢筋和混凝土之间 的滑移不断增大； 疲劳荷载作用下 ， 随荷载重复次数的不 断增加 ， 试验梁的内部累积损伤也随之增加 ， 总应变和残余 应变都随着疲劳荷载循环次数的增加而增大 J 。 本试验中， 疲劳应力水平上限取值为 0 7 M 相对较大， 故在静载阶段水下混凝土梁 N D C L B 2裂缝的发展已经 比较 充分， 最大裂缝宽度已达到 0 2 5 4 m m ， 在疲劳加载 2 万次内 裂缝发展 比较迅速， 当循环次数达到2 万次时最大裂缝宽度 达到0 3 1 0 m m， 以后裂缝宽度增长比较缓慢。而对于普通 混凝土梁 N C L B 2裂缝的发展也有类似规律， 在静载阶段其 最大裂缝宽度为 0 ， 2 0 8 m m， 在循环次数达到 1万次时最大 裂缝宽度达 0 2 6 2 m m， 以后裂缝宽度增长较为缓慢。如图 6 所示， 试验梁 N D C - L B 2和 N C L B 2裂缝宽度随疲劳荷载循 环次数曲线对 比图， 由图可得出以下结论 ： 两者裂缝宽度 随循环次数增长的规律相类似 ； 在相同条件下水下不分 散混凝土梁裂缝宽度明显大于普通混凝土梁 ， 说明水下混 凝土梁在疲劳荷载作用下的抗裂性能低于普通混凝土 ， 并 且其钢筋与混凝土之间的粘结力也低于普通混凝土梁； 水下混凝土梁和普通混凝土梁在循环次数分别达到 2万次 和 1万次时， 裂缝发展基本趋于稳定， 故普通混凝土梁裂缝 增长能更快达到稳定阶段。 3 3 疲劳荷载作用下的荷载 一挠度变化规律 在疲劳荷载作用下， 受拉区混凝土疲劳开裂， 钢筋与混 凝土之间的粘结力在重复荷载作用下不断减小 ， 钢筋和混 凝土之间的相对滑移量不断增大， 同时受压区混凝土内部 损伤和动力徐变不断增加 ， 钢筋周期应变软化以及随着疲 劳过程钢筋截面不断削弱 ， 这就导致了试验梁刚度逐渐减 低 ， 从而梁的挠度随循环次数增加而逐渐增大_ l 。 - 1 2 。 挠度， m m l N C L B 2 -2 1 5 万次N C L B 2 3 - ND C L B 2 4 - 1 5 万次N D C L B 2 图7 梁荷载一 挠度 曲线 如图7所示 ， 试验梁静载时和 1 5万次循环加载后的荷 载 一跨中挠度曲线对比， 从图中可以看出： 在静力加载阶 段， 试验梁 N D C L B 2与 N C L B 2的荷载挠度曲线相似， 但前 者的斜率相对要小些， 即在相同荷载作用下， 水下混凝土梁 N D C - L B 2 跨中挠度比普通梁 N C - L B 2 要略大， 这说明水下混 凝土梁 N D C - L B 2的初始刚度比普通混凝土梁 N C L B 2要小 一 些； 经过 1 5万次疲劳荷载后， 两者的荷载挠度曲线斜率 均有所减小 ， 也即在相同荷载作用下梁的跨 中挠度都 比静 载时有明显的增大， 这反映了试验梁在疲劳荷载作用后， 梁 的刚度都有明显的降低； 水下混凝土梁的刚度降低幅度 要相对小些， 而 1 5万次疲劳加载后两者的刚度仍相差不大。 4结语 ( 1 ) 在静载试验中， 水下混凝土梁的抗弯机理和破坏 形态与普通混凝土梁相类似。但与普通混凝土梁相比， 水 下混凝土梁的开裂荷载大一些， 开裂后在相同荷载作用下 裂缝宽度也较大， 同时水下混凝土梁的裂缝宽度增长幅度 也较大。这说明水下混凝土梁的抗裂性能低于普通混凝土 梁。不过， 两者的抗弯承载力基本相同。 ( 2 ) 在静力加载试验中， 通过分析水下混凝土梁在各 级荷载作用下不同高度处混凝土应变的分布关系图， 从图 中可以看出不同高度处混凝土应变线性关系 良好， 即在静 载试验中水下混凝土梁能够很好地符合平截面假定。而在 疲劳荷载作用下， 梁截面上不同高度处的混凝土应变近似 呈线性变化， 即水下混凝土梁基本符合平截面假定。 ( 3 ) 在疲劳荷载作用下， 水下混凝土梁和普通混凝土 梁裂缝的发展有着类似的规律： 静载阶段均已开裂， 疲劳加 载前期裂缝数量、 宽度以及长度。的发展均较快， 然后进入裂 缝发展稳定阶段 ， 最后裂缝又有较大发展直至破坏。但是 ， 随着疲劳荷载循环次数的增加， 水下混凝土梁的裂缝宽度 明显大于普通混凝土梁， 且其增长幅度也大于后者； 同时， 水下混凝土梁和普通混凝土梁在循环次数分别达到 2万次 和 1 万次时， 裂缝宽度的增长基本趋于稳定， 这说明普通混 凝土梁裂缝发展能更快达到稳定阶段。 ( 4 ) 由试验梁荷载 一跨中挠度对比曲线可看出： 水下 混凝土梁 N D C L B 2的初始刚度比普通混凝土梁N C - L B 2 要小 一 些； 在经过一定循环次数的疲劳荷载后， 两者的荷载 一挠度 曲线斜率均有所减小 ， 也即在相同荷载作用下梁的跨中挠度 均比静载时有明显的增大， 这反映了试验梁在疲劳荷载作用 后， 梁的刚度都有明显的降低； 不过， 水下混凝土梁的刚度降 低幅度要相对小些， 但两者的刚度相差不大。 参考文献 1 张庆亮 水下不分散混凝土基本性能及其配筋梁抗弯抗剪性 能试验研究 D 大连 ： 大连理工大学， 2 0 0 9 ： l 一 2 2 王迎飞， 王胜年， 黄君哲， 等 水下不分散混凝土力学性能试验 研究 J 华南港工， 2 0 0 5 ， ( 1 ) ： 4 6 5 O 3 中原康， 小谷一二， 大友忠典， 等 新型混凝土的开发研究 j 鹿岛建设技术研究所年报， 1 9 8 1 ， 2 9 号 4 高桥秀树， 松井健一， 前川一行， 等 有关应用特殊外加剂的新 型混凝土形状的研究( 之二) J 西松建设技术报， 1 9 8 6 ， 1 5 5 小崛光宪， 会我晋也， 冈本浩， 等 新型水下不分散混凝土的研 究开发 J 飞鸟技术报告， 1 9 8 6 ， 3 6 6 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 【 7 钟铭， 任红伟， 袁长卿 疲劳荷载作用下高强混凝土受弯构件 的变形性能 J 公路交通科技 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 1 1 ) ： 1 0 5 1 0 9 8 钟铭 ， 等 高强钢筋 高强混 凝 土梁静 力 和疲 劳性能 试验 研究 J 建筑结构学报， 2 O o 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 9 4 1 0 0 9 陈小峰 钢纤维 自 应力混凝= l= J J i 固梁抗弯疲劳性能试验研究 D 大连： 大连理工大学 。 2 0 0 9 1 0 赵国藩 高等钢筋混凝土结构学 M 北京： 中国电力出版 社 ， 1 9 9 9 I 、 赫枢 孙继成等： 多因素耦合作用下混凝土中氯离子传输的研究进展 5 多因素耦合作用下混凝土中氯离子 传输的研究进展 孙继成 ， 姚燕 ， 王玲 ， 吴浩 ( 中国建筑材料科学研 究总院 绿色建筑材料国家重点实验室 。 北京1 0 0 0 2 4) 【 摘要】 实际工程中， 氯离子引起的钢筋锈蚀是多种破坏因素共同作用的结果 ， 其它因素为氯离子的传输 和侵蚀创造了有利条件， 从而加速钢筋混凝土结构的劣化和失效。本文概述了应力、 冻融循环、 干湿循环及碳化 等多因素耦合作用下氯离子在混凝土中传输行为的研究进展 ， 并对进一步的研究进行了展望。 【 关键词】 多因素耦合 ； 氯离子； 传输机制； 混凝土 【 中图分类号】 T U 5 2 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 0 5 0 3 钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题已在高速铁路、 跨江海 大型桥梁、 隧道 以及海港码头等基础设施建设中逐渐引起 钢筋混凝土工程界专家和政府部门的高度重视。氯离子 侵蚀是引起钢筋锈蚀 的主要原因之一 ， 氯离子在混凝土中 传输行为成为国内外学者关注的热点。然而， 混凝土的破 坏常常是各种物理、 化学和力学因素综合作用的结果， 各种 因素促进和加速混凝土的劣化和失效过程。海洋浪溅区和 除冰盐使用地区的混凝土除承受氯盐侵蚀外， 还可能受到 荷载作用、 干湿循环及冻融循环等多因素的破坏作用， 使混 凝土构件的安全性和耐久性下降。本文主要分析评价了应 力、 干湿循环、 冻融循环及碳化等多因素耦合作用下氯离子 在混凝土中传输的研究现状。 1 双因素作用下氯离子传输的研究进展 1 1 应力对氯离子传输的影响 随着人们对混凝土服役条件的认识加深， 应力、 氯离子 侵蚀作用下混凝土耐久性研究 已引起人们的重视 ， 国内外 学者就不同应力、 应力水平作用下的氯离子传输机制做了 大量研究工作。 S a i t o 等 研究发现轴向压力导致的微裂纹对混凝土氯 离子的渗透影响很小 ， 受 9 0 抗压强度应力的混凝土氯离 子渗透性几乎和按 9 0 加载后卸载的试件相同， 但 6 o 抗 压强度的循坏荷载却使氯离子渗透量快速增长。L i m 等 研究了单轴压缩荷载与氯离子渗透性之间的关系， 采用 A S T M C 1 2 0 2方法评价， 结果表明， 卸载后混凝土试件的电 通量受临界应力影响， 当荷载超过临界应力时， 电通量显著 增加 ， 氯离子渗透性增大。S c h n e i d e r _ 4 等通过对高性能混凝 土应力腐蚀的研究认为， 即使是高性能混凝土， 荷载同样会 基金项目】 国家重点基础研究发展计划资助项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 6 ) 加速其化学腐蚀速度， 荷载水平越高， 加速作用越强。荷载 水平超 3 0 ( 弯曲荷载) 即有显著的加速作用， 超过 5 0 时 荷载引起的损伤超过化学介质的作用。 邢峰 研究认为荷载引起的氯离子渗透深度增长幅度 与荷载水平之间的关系可以用三次多项式来模拟。混凝土 中氯离子侵蚀速度在外界环境条件下主要取决于氯离子有 效扩散系数。而事实上， 施加应力对混凝土内部的微细裂 缝起到了抑制或扩展的作用。拉应力在混凝土中产生的微 裂缝使氯离子的扩散系数增大 ， 从而加快了氯离子的腐蚀 过程， 减小混凝土结构的使用寿命。相反， 压应力的作用会 使混凝土更加密实， 从而降低了氯离子的扩散速度。 陈好等 针对不同应力水平及服役年限的混凝土构件 进行氯盐渗透试验， 发现应力水平对混凝土中 c l 一 扩散分布 的影响比较明显。在相同服役年限下， 应力水平为0 5的混 凝土构件中其氯离子扩散速度要 比应力水平为 0 3的快得 多。图 1 为不同应力水平和服役年限的氯离子浓度分布。 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 1 0 渗透深度， m 5 1 0 “ 1 5 2 0 一 2 5 图1 不同应力水平和服役年限的氯离子浓度分布 袁承斌等 试验研究表明， 应力状态下的氯离子扩散 1 1 宋玉普 混凝土结构的疲劳性能及设计原理 M j E 京： 机械 工业 出版社 。 2 0 0 6 1 2 肖建庄， 等 高性能混凝土简支梁正截面的抗弯疲劳性能 J 建筑科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ： 9 6 1 0 1 收稿日期】 2 0 1 0一 l 2 1 4 作者简介】 仲伟秋( 1 9 7 4一 ) ， 男， 长春人， 讲师， 博士。 研究方 向： 钢筋混凝土结构耐久性和水下不分散混凝土 性能。