鋼筋混凝土構(gòu)件在雜散電流和氯鹽腐蝕下的疲勞性能及失效規(guī)律研究

劉成奎 ，張晨 ，王建軍 ，劉生福 ，安生霞

（1.青海省建筑建材科學研究院有限責任公司，青海 西寧 810008；2.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點實驗室，青海 西寧 810008）

0 引言

鋼筋混凝土材料是目前最理想的建筑與交通工程材料，然而服役環(huán)境的復雜性和鋼筋混凝土構(gòu)件發(fā)揮功能形式的特殊性，對鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性能提出了巨大的考驗。在軌道交通工程中，鋼筋混凝土構(gòu)件常常受到疲勞荷載、靜荷載、氯鹽腐蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化作用、AAR、雜散電流等單因素或多因素的破壞。目前，學者們通過不同試驗方法對鋼筋混凝土在雜散電流、氯離子腐蝕作用下疲勞損傷規(guī)律進行了研究[1-2]，并取得了一些成果。西寧盆地地下埋藏了年代久遠的硫酸鹽、氯鹽鹽湖，地下水土對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴重的耐久性影響。本研究根據(jù)西寧盆地地下氯鹽環(huán)境特點及軌道交通工程中雜散電流和疲勞荷載對混凝土構(gòu)件的影響，試制了西寧軌道交通工程中常用的4種混凝土配合比；在實驗室內(nèi)配制氯鹽，模擬雜散電流和疲勞荷載，分析和研究了鋼筋混凝土在雜散電流、氯鹽腐蝕和疲勞荷載耦合作用下其力學行為和失效規(guī)律，對今后西寧軌道交通工程混凝土耐久性及服役機理具有重要意義。

1 混凝土配合比設計

1.1 試驗用原材料

水泥：祁連山水泥有限公司產(chǎn)，混凝土強度等級為C30時采用P·O42.5水泥，28 d抗壓強度48.3 MPa；混凝土強度等級為C50～C60時采用P·Ⅱ52.5水泥，28d抗壓強度57.1MPa。粉煤灰：青海橋頭鋁電股份有限公司的Ⅰ級粉煤灰，細度9.0%。礦渣：西寧特殊鋼股份有限公司生產(chǎn)的S95礦渣，比表面積430 m2/kg。硅灰：青海藍天環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，SiO2含量90.51%，比表面積26200m2/kg。砂：河砂，細度模數(shù)2.65。石子：花崗巖碎石，最大粒徑20 mm，表觀密度2780 kg/m3，堆積密度1530 kg/m3，連續(xù)級配。阻銹劑：亞硝酸鈣型，含固量30%。減水劑：西寧楊建生產(chǎn)的標準型（HWR-S）高效減水劑。引氣劑：西卡（中國）有限公司生產(chǎn)。水：自來水。

試驗用鋼筋為HPB235φ6.5，其抗拉強度Rm=391 MPa，下屈服強度ReL=565 MPa，酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司生產(chǎn)。

試驗用氯鹽中主要成分為NaCl，含量為208.98 g/L[3]。

1.2 配合比設計方法

根據(jù)課題組前期研究基礎和技術(shù)論證，本次研究中共制定了 4 種混凝土配合比，即 Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z，“a”表示混凝土中添加了引氣劑，“z”表示混凝土中添加了阻銹劑[3]。

依照工程項目研究方案，本次混凝土設計方法按照水膠比+用水量控制設計，設計原理根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行。4種混凝土配合比見表1。

表1 4種混凝土的配合比 kg/m3

2 耦合作用試驗

2.1 試驗試件設計

本研究試制了鋼筋混凝土小梁作為試驗用混凝土試件，尺寸為85 mm×100 mm×500 mm，鋼筋混凝土配筋及尺寸如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土試件尺寸及配筋示意

2.2 雜散電流及鹵水腐蝕試驗方法

試驗時，每個配合比混凝土制定了4種工況的耦合作用形式。A工況：抗彎疲勞+無腐蝕+無電流；B工況：抗彎疲勞+無腐蝕+雜散電流；C工況：抗彎疲勞+有腐蝕+無電流；D工況：抗彎疲勞+有腐蝕+雜散電流。其中無腐蝕環(huán)境為水環(huán)境，有腐蝕環(huán)境為氯鹽環(huán)境。

雜散電流模擬試驗采用PS-605D型直流可調(diào)電壓電源，通電電壓30 V，通過每個試件的電流為60 mA，鋼筋接“正極”用銅導線引出，混凝土介質(zhì)內(nèi)埋入導線接“負極”。設定雜散電流在水和氯鹽環(huán)境中耦合作用時間為7 d，試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 雜散電流、環(huán)境腐蝕和疲勞試驗現(xiàn)場

2.3 疲勞荷載試驗方法

本試驗采用疲勞機疲勞荷載頻率為0.43 Hz，試件受壓面居中疲勞荷載，跨距為350 mm，試驗時首先測試Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z鋼筋混凝土小梁試件標準養(yǎng)護后的最大彎芯荷載MO。然后規(guī)定4個疲勞荷載級值，分別為：0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO，每個配合比鋼筋混凝土試件制作6根小梁，其中2根作為備用試件。疲勞試驗結(jié)束后記錄預定疲勞荷載Fy、實際峰值Fs及疲勞次數(shù)N1（具體試驗數(shù)據(jù)略列）。疲勞荷載試驗以鋼筋混凝土小梁受拉面初裂為標志停止試驗。

初裂試驗完畢后，對試件進行極限疲勞荷載試驗，即按照以上方法對已經(jīng)初裂的試件進行同級別疲勞荷載試驗，直到裂縫寬度達到1.50 mm為止，記錄極限疲勞荷載Fs′和疲勞次數(shù)N2（具體試驗數(shù)據(jù)略列）。

需要說明的是，由于課題組采購的疲勞試驗設備所限，尚不能滿足雜散電流、氯鹽腐蝕、疲勞荷載同時進行的條件，因此采用了“間歇耦合”的試驗方法，即：先進行雜散電流與氯鹽腐蝕耦合作用試驗，然后進行疲勞試驗的方法。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)實際測試得到了 Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z鋼筋混凝土小梁試件分別在 0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO級疲勞荷載下的疲勞壽命次數(shù)N1和極限疲勞壽命次數(shù)N2，并繪制出4種配合比混凝土構(gòu)件在耦合作用下初裂疲勞和極限疲勞試驗S－N曲線，如圖3～圖6所示。然后利用疲勞（S－N）曲線方程計算出Ca30、Ca50、Ca50z、Ca60z配合比鋼筋混凝土小梁試件在雜散電流、氯鹽腐蝕和疲勞荷載的耦合作用下，在0.35MO、0.50MO、0.65MO、0.80MO級疲勞荷載下的疲勞壽命與疲勞折減強度系數(shù)，計算結(jié)果如表2所示。

圖3 Ca30混凝土構(gòu)件疲勞試驗S－N曲線

圖4 Ca50混凝土構(gòu)件疲勞試驗S－N曲線

圖5 Ca50z混凝土構(gòu)件疲勞試驗S－N曲線

表2 混凝土在耦合因素作用下的疲勞壽命與疲勞折減強度系數(shù)

圖6 Ca60z混凝土構(gòu)件疲勞試驗S-N曲線

通過以上試驗和結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）除Ca30在“彎曲疲勞+化學腐蝕”作用下的疲勞方程外，其余所有混凝土在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下，其疲勞方程符合單對數(shù)疲勞S-N曲線。

（2）Ca30在“彎曲疲勞+氯鹽”腐蝕作用下的疲勞方程符合折線型的單對數(shù)疲勞S-N曲線，因此在圖3中有C1、C2兩種疲勞S-N曲線形式。

（3）混凝土強度等級越高，其在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下的疲勞壽命越長。

（4）摻加阻銹劑能夠顯著提高混凝土在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下的疲勞壽命。

（5）Ca50z混凝土具有較強的抗彎曲疲勞與雜散電流的雙因素耦合作用破壞的能力，對應于100萬次和200萬次循環(huán)的疲勞折減強度系數(shù)分別為0.27和0.20，適合于軌道交通的高架橋梁式結(jié)構(gòu)構(gòu)件；而Ca60z混凝土具有更強的抗彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流的多因素耦合作用破壞的能力，對應于100萬次和200萬次循環(huán)的疲勞折減強度系數(shù)分別為0.37和0.33，適合于軌道交通的地下隧道管片或襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

（6）Ca30混凝土在彎曲疲勞、氯鹽腐蝕與雜散電流及其耦合因素作用下的抗疲勞能力很差。對于西寧軌道交通工程的主要混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的抗壓強度等級要求不低于Ca50，并且必須摻加防止鋼筋銹蝕的阻銹劑。

4 結(jié)語

通過模擬試驗的方法，針對西寧軌道交通工程混凝土結(jié)構(gòu)服役特點，研究了鋼筋混凝土構(gòu)件在疲勞荷載、雜散電流、氯鹽腐蝕等耦合作用下的疲勞性能失效規(guī)律，并得出了相關結(jié)論。對西寧軌道交通工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的提升和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命模型的建立具有較為重要理論的指導意義。同時，該研究成果不僅在西寧軌道交通工程中直接應用，在我國西部其他省份類似環(huán)境地區(qū)的地鐵、輕軌、鐵路和公路橋梁等工程中也具有一定的參考價值。

在今后的研究中，應從結(jié)合工程實際運營、增加耦合作用因素及耦合作用形式、完善和細化試驗研究內(nèi)容等方面提升研究，為今后在類似工程中提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供理論支撐。