海水（清水）与冻融对持续承载钢筋引气混凝土梁的影响.pdf

2 0 1 3 年 第 9 期 (总 第 2 8 7 期 ) N u mb e r 9 i n 2 0 1 3 ( T o ml No 2 8 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 1 HE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 9 0 1 3 海水( 清水 ) 与冻融对持续承载钢筋引气 混凝土梁的影响 张健 ， ，刁波 ，叶英华 z ，郑晓宁 z ( 1 国家知识产权局 专利局专利审查协作北京中心，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 北京航空航天大学 土木工程系，北京 1 0 0 1 9 1 ) 摘要： 寒冷地 区的钢筋混凝土结构会受到持续荷载与冻融循环作用， 在沿海和内陆环境还会有不同侵蚀介质作用。 试验 比较 了在冻融循环与海水或清水浸泡交替作用下 ， 持续承载的钢筋引气混凝土梁的力学性能差异。 试验结果表明， 含气量为 6 1 的引 气混凝土， 经历冻融循环和海水( 清水) 浸泡交替作用后 ， 抗压强度均随着冻融循环次数增加而降低 ， 其中冻融与海水浸泡的混凝 土降低幅度更大； 对于持续承载的钢筋引气混凝土梁 ， 经历 3 0 0 次冻融循环和 1 0 0次海水( 清水 ) 浸泡后 ， 冻融与海水浸泡梁 中混 凝土用扫描电镜检测出更多的晶体和微裂缝 ； 梁的承载力和延性性能均降低， 冻融与海水浸泡梁的屈服荷载 、 极限荷载 以及延性 的降幅均大于冻融与清水浸泡梁。 关键词： 冻融循环；海水浸泡；引气混凝土；持续荷载；耐久性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 4 6 0 5 E ff e c t o f s e a wa t e r ( wa t e r ) a n d f r e e z e t h a w c y c l e s o n r e i n f o r c e d a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e b e a m s w i t h p e r s i s t e n t l o a d s ZHANGJ i a n。 ， D AOBo ， YE Yi n gh u a 2 , ZHENG Xi a o n i n g ( 1 P a t e n t E x a mi n a ti o n C o o p e r a t i o n C e n t e r o f t h e P a t e n t O ff i c e ， S I P O， 8 e i j i n g1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 D e p a r t ment o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， B e i h a n g U n i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a ) A b s t r a ct： R e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n c o l d r e g i o n s a r e a l w a y s s u b j e c t e d t o fr e e z e t h a w c y c l e s a n d p e r s i s t e n t l o a d i n g ， and the c o r - r o s i o n me d i a a r e di ffe r en t i n c oa s t a l a nd n o n c o a s tal are a s Un d e r the a l t e r n a t i ng a c t i o n o ff r e e z e - tha w c y c l e s an d s e a wa t e r o r wa t e r i mme r - s i o n， the me c h an i c a l p r o p e r t i e s o f r e inf o r c e d a i r - ent r a i ne d c o nc r e b e am s wi th pe r s i s t e n t l o a d s we r e e x pe riment a l l y c o mpare d Re s ul t s s h o we d tha t ， u n d e r a l t e rna t i n g a c t i o n s o f fre e z e tha w c y c l e s and i mme r s i o n i n s e a wa t e r( wa t e r ) ， the c o mp r e s s iv e s tr e n g t h o f c o n c r e t e wi th 6 1 a i r c o n t e n t de c r e a s e d wi th the i n c r e a s e offre e z e tha w c y c l e s c o n c r e t e s p e c i me n s i mme r s e d in s e a wa t e r s h o we d l arg e r r e d u c t i o n i n c o mp r e s s i v e s tr e n g t h A f t e r 3 0 0 c y c l e s o f f r e e z e - th a w and 1 0 0 c y c l e s o f i mm e r s i o n s in s e a w a t e r ( w a t e r ) ， mo r e a c i c u l a r c r y s t a l s a n d mi c r o c r a c k s we r e f o u n d i n b e a ms s u ff e r e d b y f r e e z e - t h a w c y c l e s and s e a wa t er i mme r s i o n T h e d e t e ri o r a t i o n o f b e a r i n g c a p a c i ty and d u c ti l i t y o f rei n f o r c e d a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e b e a ms we r e o b v i o u s ， the r e d u c ti o n o f y i e l d l o a d ， u l t i ma t e l o a d and d u c t i l i ty o f b e am s i mme r s e d i n s e a wa - t e rwa sl arg e r than that o fb e a msi mme rse din wa t e r K e ywor d s ： fr e e z e tha w c y c l e s ； s e a wa t e r i mme rsi o n； a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e ； p e r s i s t e n t l o a d in g ； d u r a b i l i t y me n t c o e ffi c i e nt 0 引言 寒 冷地 区的钢筋混凝土结构在受到冻融循环与使用 荷载作用 的同时 ， 在沿海潮湿环境 中更会受 到溶液侵蚀作 用， 此类环境下的混凝土结构往往在未达到其服役年限时 就 因耐久性不足而失效 。 张健等 1研究了冻融循环与不同溶液侵蚀作用下高强 混凝土的抗冻性能， 结果表明随着冻融循环及侵蚀次数增 加， 混凝土试块表面剥蚀趋于严重， 质量损失率增加， 抗压 强度减小。 周煜等回 在海水侵蚀环境与冻融交替作用下测 定了引气混凝土的性能变化， 发现质量损失率和相对动弹 性模量无明显变化 ， 而抗压强度大幅降低。 在材料研究的基础上 ， 诸多学者对钢筋混凝土结构的 抗冻耐久性进行 了广泛的研究。 Yo o n 等【 对承受不 同荷载 水平 的钢筋混凝土梁在氯化钠溶液 中进行 了电流加速腐 蚀进程试验 ， 证明了钢筋的锈蚀时间和速度 与梁的加载历 史与持续荷载有显著的关系。 刁波等 试验研究 了钢筋混 凝土梁和柱在环境和持续荷载综合作用下的力学性能， 结 果表 明 ， 持续荷载水平对构件钢筋锈蚀程度影 响显著 ， 持 续荷载水平越高 ， 构件表面混凝土剥离 和裂缝处钢筋锈蚀 越严重， 梁和柱承载能力随持续荷载水平的提高而降低。 K a r b h a r i t6 q 究了冻融循环， 海水侵蚀等 5 种环境作用对缩 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 3 2 0 基金项目：国家 自然科学基金( 5 1 0 7 8 0 1 5 ) ； 北京市 自然科学基金( 8 0 9 2 0 2 0 ) ； 华南理工大学重点开放基金( 2 o 0 9 K A o 3 ) 4 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 循环与海水( 清水 ) 浸泡过程中， 溶液更容易从裂缝处进入 混凝土 内部 ， 造成 梁的劣化 ， 此时裂缝处 的混凝土保护层 并不起到保护作用。 3 2 2 梁 的延性降幅 表 3的最后两行是钢筋混凝土梁的延性系数均值及 相对降幅。 经过 3 0 0 次冻融循环与 1 0 0 次海水( 清水 ) 浸泡 后 ， 相对于 B e a ml ， 冻融与海水浸泡梁 B e a m 2的延性 系数 平均降低 幅度达 到 4 2 1 ， 冻融 与清水浸泡梁 B e a m3 延性 系数平均降低幅度为 3 4 3 ， 可见冻融循环与海水浸泡交 替作用对持载钢筋混凝土梁的延性劣化影响更大。 4 冻融与侵蚀后梁受弯承载力计算 考虑到冻融循环与海水浸泡会导致钢筋锈蚀 ， 从而减 小钢筋直径 、 降低强度 ， 本研究采用 惠云玲 1 2 模型计算冻 融循环与海水浸泡后钢筋的强度 ， 其 中屈服强度为 ： P ：一 0 9 8 5 -1 0 2 8 r h p f 1 1 1 一 田 s 式 中： 按照钢筋锈后实际截面积计算得出的屈服强度； 钢筋锈蚀前的屈服强度 ； 锈蚀率。 钢筋极 限强度模型为： P 一 0 9 8 6 1 1 0 3 7。p r 1 1 一 田 式中： 按照钢筋锈后实际截面积计算得出的极限强度； P u 钢筋锈蚀前的极限强度 ； 锈蚀率。 利用试验取得 的混凝土抗压强度平均值 、 裂缝处钢筋 锈蚀率和钢筋直径实测值 ， 根据我国现行混凝土结构设计 规范0 3 - - 算 的正截面受弯承载力 ， 见表 4 。 梁的屈服荷载试验值与用钢筋屈服强度计算的屈服 荷载理论值计算值相比， 试验值与计算值比值的平均值为 1 0 5 5 ， 变异系数为 0 0 2 4 ， 说明计算值与试验值吻合较好。 对于梁的极限荷载， 试验值与使用钢筋极限强度计算的理 论计算值的比值平均值为 0 8 8 2 ， 变异系数为 0 0 5 1 ， 说明 规范计算值较试验值偏大。 可见， 仅仅依靠引气混凝土材料 的劣化来推断钢筋引气混凝土构件的性能退化是不准确 的 ， 还需考虑 由于持续荷载作用而导致 的钢筋 自身劣化以 及钢筋与混凝土的黏结退化等作用。 表 4 梁的屈服荷载与极限荷载试验值与规范计算值比较 注 ： P 为屈服荷载试验值 ， 尸 为屈服荷载计算值 ， l慨为极限荷载试验值， 尸 l瞄为极限荷载计算值。 5结论 作用 ( 1 ) 经过冻融循环与海水( 清水 ) 浸泡交替作用后 ， 随着 冻融循环次数 的增加 ， 引气混凝土强度降低； 经过 3 0 0 次冻 融循环作用后 ， 冻融与海水浸泡的引气混凝土抗压强度降低 l 1 2 ， 冻融与清水浸泡的引气混凝土抗压强度降低 3 9 o 0 。 ( 2 ) 经过 3 0 0 次冻融循环作用后 ， 冻融与海水浸泡梁的混 凝土内部存在大量针状晶体， 冻融与清水浸泡梁中则无晶体 ； 冻融与海水浸泡梁的混凝土微裂缝多于冻融与清水浸泡梁。 ( 3 ) 冻融循环 、 海水浸 泡对持续 承载 梁的性 能劣化作 用要大 于冻融循环与清 水浸泡 。 经过 3 0 0次冻融循 环与 1 0 0次海 水( 清水 ) 浸泡作用后 ， 冻融与海水浸泡梁 B e a m2 和冻融与清水浸泡梁 B e a m3的屈服荷载分别 降低 了 8 5 和 4 2 ， 极限荷载分别降低了 1 4 7 和 9 0 ， 延性降幅分 别为 4 2 1 和 3 4 3 ， 冻融与海水浸泡梁的劣化更大。 ( 4 ) 利用试验测得的混凝土抗压强度和锈蚀后 钢筋 的 实测面积 ， 用现行混凝土结构设计规范公式计算 的屈服荷 载与试验结果吻合较好 ， 计算的极限荷载偏高于试验结果。 参考文献 ： 1 】张健， 刁波， 袭杰， 等 不同侵蚀溶液耦合冻融作用下混凝土力 学性能差异 J 混凝土 ； 2 0 1 2 ( 3 ) ： 4 - 7 5 O 【 3 13 Y O O N S C ， WA N G K e j i n ， WE I S S ， J W， e t a1 I n t e r a c t i o n b e t w e e n l o a d i n g ， c o r r o s i o n a n d s e r v i c e a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e J A C I M a t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 6 ) ： 6 3 7 6 4 4 【 4 D I A O B o ， S U N Y a n g ， C H E N S h a o h o n g ， e t a 1 E f f e c t of m i x e d e r o s i o n， f r e e z e t h a w c y c l e s a n d p e r s i s t e n t l o a d i ng o n t h e b e h a v i o r o f r e i nfo r c e me n t c o n c r e t e b e a ms J J o u r n a l o f C o l d R e g i o n s E n g i n e e r i ng， 2 01 1 ， AS CE： 3 7 5 2 【 5 15 刁波， 孙洋0 昆合侵蚀与冻融环境下钢筋混凝土偏心受压构件 性能退化试验 J _建筑结构学报， 2 0 1 0 ( $ 2 ) ： 2 9 2 2 9 8 6 KAR B HARI V M ， EN GI NE ER M E f f e c t o f e n v i r o n me n t al e x p o s u r e i o n t h e e x t e r n al s t r e ng t h e ni n g o f c o nc r e t e wi t h c o mpo s i t e s s h o r t t e r m b o n d d u r abi l i t y J J o u rnal of Re i n f o r c e d P l a s t i c s a n d C o mp o s i t e s ， 1 9 9 6 ， 1 5 ( 1 2 ) ： 1 1 9 4 1 2 1 7 【 7 】 D E L MA R L O P E Z M N A A MA N A E ， T I L L R D， B e n d i n g b e h a v i o u r of r e i nfo r c e d c o n c r e t e be a ms s t r e n g t h e n e d wi t h c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d l a m i n a t e s a n d s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s C P r o c e e d i n g s of t he F o u r t h I nt e rna t i o n al S y mp o s i um of Fi be r Re i nfo r c e d Po l y me r Re i nfo r c e me nt f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e s Ame r i c a n Co n c r e t e I n s t i t u t e ， F a r mi n gt o n H i l l s ， M i c h ， 1 9 9 9 ( S P 一 1 8 8 ) ： 5 5 9 - 5 7 6 【 8 】G B T 5 0 4 7 6 - - 2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范【 s 】 中国建筑工 业出版社 下转第 5 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 但仍有很大发展 。 敞开 养护的试件 ， C 5 0 、 C 3 5自密实混凝 土 3 d 的收缩值分别为 1 2 0 d 的收缩值的5 2 、 4 4 。 由此 可见 ， 加强 自密实混凝土前三天的早期养护非常重要 ， 对减 少自密实混凝土的收缩很有效果。 3结 语 ( 1 ) 自密实混凝土通过配合 比设计优化 ， 采用双掺 矿 物掺合料和 P C A聚羧酸高效减水剂 ， 改善 了孑 L 结构 ， 提高了 结构的密实度 ， 其早期收缩小于同强度等级的对比混凝土。 ( 2 ) 通过试验， 我们可以得到， 自密实混凝土和同强度 的对 比混凝土后期收缩规律大致相同： 前 1 4 d 前收缩较为 迅速 ， 2 8 d 后收缩有所减缓 ， 但仍有很大发展。 ( 3 ) 试验结果表 明 ， 加强 自密实混凝 土前 三天的早期 养护非常重要， 对减少自密实混凝土的收缩很有效果。 上接第 5 O页 9 】9 A S T M C 6 6 6 C 6 6 6 M- - 0 3 ， S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o R a p i d F r e e z i n g a n d T h a w i n g S 【 1 0 】 郑晓宁， 刁波， 孙洋 冻融及侵蚀环境下混凝土性能劣化机理研 究【 J 】 建筑结构学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 1 1 1 1 6 【 1 1 C h r i s t i a n e F o y ， Mi c h e l P i g e o n ， N e mk u ma r Ba n t h i a ， F r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y a n d d e i c e r s a l t s c a l i n g r e s i s t a nc e o f a 0 25 wa t e r - c e me n t r a t i o c o n c r e t e C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 8 ， 1 8 ( 4 ) ： 6 o 4 ； 1 4 【 1 2 】 惠云玲 ， 林志伸 ， 李晓燕 锈损钢筋的力学性能 J 1 工业建筑， 1 9 9 5 。 2 5 ( 9 ) 4 1 4 4 上接第 5 2页 0 9 8 ， C 6 0的混凝土试件平均折算系数 为 1 0 0 ， C 6 5的混凝 土试件平均折算系数为 1 0 1 ， C 7 0的混凝土试件平均折算 系数为 0 9 7 。 ( 2 ) 利用最小二乘法可 以得到 1 5 0 m l i i 混凝 土试件 5 0 与 1 0 0 n M n混凝土试件 0 0 回归方程为嘲 ： f , - - o 9 7 f , o o + 1 3 2 ( 1 ) 线性 回归关系见 图 1 所示。 图 1 不 同强度等级不同尺寸混凝土试件线性关系图 ( 3 ) 由回归分析 可 以得 到 1 5 0 m m 混凝土 试件 如与 1 0 0 m m混凝土试件 0 0 线性相关系数为 0 9 4 ， 利用 t 分布 检验法可以判断线性回归显著。 通过方差分析方法可以得 到尺寸影 响因素效应高度显著圈 。 3结论 ( 1 ) 采用本地区有代表性的原材料 ， 配制 了强度等级为 C 5 0 、 C 5 5 、 C 6 0 、 C 6 5 、 C 7 0五个等级 ， 试件尺寸为 1 0 0 、 1 5 0 ra i n 参考文献 ： 【 1 1 A I T E I N P C ， N E V I L E A， C K E E R P A I n t e g r a t e d v i e w o f s h ri n k a g e o f d e f o r m a t i o n J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 5 ， 2 8 ( 8 ) ： 1 6 3 3 1 6 3 8 2 2 马丽媛 ， 姚 燕， 田培 ， 等 国内外混凝土的收缩性能及抗裂性试 验研究方法评述 J 1 中国建材科技， 2 0 0 1 ( 1 ) 3 3 陈峰， 郑建岚 自密实混凝土自由收缩试验f J 1 建筑科学与工程 学报， 2 0 1 1 ( 2 ) 【 4 杨文武 ， 钱觉时 ， 范英儒 混凝土早期收缩性能试验研究【 J 1 深圳 大学学报 ： 理工版 ， 2 0 0 9 ( 1 ) 【 5 】杜艳静， 叶燕华， 朱国平， 等 自密实混凝土的收缩性能研究 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 7 ) 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 王海( 1 9 8 1 一 ) ， 女， 硕士 ， 从事混凝土研究。 浙江省绍兴市火车站北 浙江工业职业技术学院建筑 工程分院( 3 1 2 0 0 0 ) 0 57 5 8 8 0 0 93 9 5 【 1 3 G B 5 0 0 1 13 - - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 】 北京 ： 中国建筑工业 出版社 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话： 张腱( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 博士 ， 研究方向 ： 混凝土结构耐久性 研究。 北京市海淀区优胜大厦 A座 8 0 2国家知识产权局专 利局专利审查协作北京中心( 1 0 0 0 8 3 ) 1 38 1 O91 3 3 77 立方体的混凝土试件 2 0 0 对组 ， 到达测试龄期后进行抗压 强度值测试 ，可以得到本地区 1 0 0 m m混凝土试件平均折 算系数为 0 9 9 。 ( 2 ) 给出了本地区常用高强预拌混凝土 1 5 0 mm混凝 土试件 与 1 0 0 m m混凝土试件 关系为 ： O 9 1 3 2 ( 2 ) 为本地 区高强混凝土尺寸效应研究奠定 了基础。 ( 3 ) 由表 2 可以得到本地区常用高强度预拌混凝土的超 强现象比较严重 ， 既增加了工程造价 ， 又耗费了大量原材料。 参考文献： 1 G B T 5 0 1 0 7 -2 0 1 0 ， 混凝土强度检验评定标准 s 北京 ： 中国建 筑工业出版社， 2 0 1 0 2 12 曾伟 ， 石云兴 ， 彭小芹， 等 透水混凝土尺寸效应的试验研究 J 混凝土 ， 2 0 o 7 ( 5 ) ： 1 5 1 8 3 13 高志扬， 许力， 何林， 等 高强混凝土抗压强度尺寸效应综述【 J J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 3 3 3 5 【 4 】宋帅奇， 高丹盈 ， 胡良明， 等 塑性混凝土强度和尺寸效应的试 验研究 J 水利水电科技进展 ， 3 0 ( 3 ) ： 3 2 3 6 【 5 】于汉学 概率论与数理统计教程【 M】 北京 ： 兵器工业出版社 ， 】 9 96 21 2 -2 3 6 作者简介 联系地址 ： 联系电话 ： 陈海彬( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 硕士生导师， 研究 方向： 混凝土无损检测及可靠性研究。 河北省唐山市新华西道 4 6 号 河 北联合大学建筑工 程学院( 0 6 3 0 0 9 ) 1 8 6 3 3 3 7 58 5 6 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m