氯離子侵蝕下混合纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土損傷規(guī)律

郭 丹，沈才華，呂世明，謝 飛，魏思琦，唐 凱

(1.保利長大海外工程有限公司，廣東 廣州 510623；2.河海大學(xué)，巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

世界各地的結(jié)構(gòu)建筑物因混凝土耐久性不足已造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。美國侵蝕工程師協(xié)會(huì)和幾個(gè)國際組織聯(lián)合調(diào)查表明，1999—2001年間，美國每年花費(fèi)約2 760億美元用于侵蝕治理，其中混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕是重要組成部分。隨著高性能混凝土的發(fā)展，纖維增韌混凝土[1-4]開始廣泛使用，纖維混凝土的耐久性問題[5-8]也成為研究熱點(diǎn)。姜錦磊等[9]采用干濕交替的侵蝕模擬海水環(huán)境，對(duì)PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)-鋼混合纖維混凝土的彎曲韌性進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明侵蝕后的初裂荷載、峰值荷載和彎曲強(qiáng)度均有所下降。周美容等[10]針對(duì)聚丙烯纖維和碳纖維增強(qiáng)混凝土，采用NEL擴(kuò)散試驗(yàn)測(cè)出氯離子擴(kuò)散系數(shù)(NEL法是清華大學(xué)路新瀛在離子擴(kuò)散和電遷移基礎(chǔ)上提出的飽鹽混凝土電導(dǎo)率試驗(yàn)方法，將測(cè)得的電導(dǎo)值通過Nernst-Einste方程計(jì)算出氯離子的滲透性)，認(rèn)為混合纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗彎性能、劈裂抗拉強(qiáng)度和耐久性能均優(yōu)于單摻聚丙烯纖維、碳纖維增強(qiáng)混凝土，纖維的增韌效應(yīng)減小微裂紋的擴(kuò)展，提高氯離子滲透侵蝕的耐久性。王振山等[11-12]針對(duì)玄武巖纖維混凝土，研究置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液下的材料耐侵蝕性及力學(xué)性能的退化，結(jié)果表明玄武巖纖維可有效抑制侵蝕裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，降低離子遷移速率，當(dāng)纖維體積摻量為0.1%時(shí)，最為有利，當(dāng)摻量超過0.2%后，性能反而降低。陶喆[13]研究混凝土面板在水環(huán)境中鹽溶液侵蝕和凍結(jié)侵蝕作用下的損傷，發(fā)現(xiàn)混合纖維面板混凝土比單摻纖維面板混凝土更有利于抗鹽凍侵蝕，聚丙烯-聚丙烯腈混合纖維面板混凝土的抗鹽凍侵蝕性能不如含鋼纖維的混合纖維面板混凝土。周興宇[14]針對(duì)聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了混凝土抗?jié)B、抗凍及抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，認(rèn)為纖維的摻入能減少混凝土內(nèi)部有害孔隙的含量，單摻聚丙烯細(xì)纖維對(duì)混凝土耐久性能的改善作用優(yōu)于單摻聚丙烯粗纖維。

由于纖維對(duì)混凝土基質(zhì)的影響非常復(fù)雜，而且與施工工藝等人為因素有關(guān)[15]，因此加大了研究的難度?；旌侠w維可以發(fā)揮不同纖維力學(xué)特征的過渡效應(yīng)，讓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土的纖維發(fā)揮更好的作用，因此具有重要實(shí)用價(jià)值。本文針對(duì)PVA和UPE(ultra-high molecular weight polyethylene，超高分子聚乙烯)兩種纖維的混合纖維混凝土氯離子侵蝕前后的力學(xué)性能開展試驗(yàn)研究，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)混凝土氯離子侵蝕前后鋼筋混凝土梁的彎曲承載力變化規(guī)律，為海洋環(huán)境下纖維混凝土梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 纖維混凝土氯離子侵蝕前后室內(nèi)試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)方法和原材料

為了對(duì)比分析纖維混凝土碼頭梁在海洋侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能變化規(guī)律，通過室內(nèi)增加氯離子濃度加速侵蝕的方法，侵蝕120 d，此時(shí)梁的鋼筋已銹蝕，分析材料的耐侵蝕力學(xué)特性。考慮現(xiàn)場石子的來源太廣，區(qū)別較大，因此采用現(xiàn)場實(shí)際拌合料，配合比見表1。其中原材料包括：海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)度模數(shù)2.0的標(biāo)準(zhǔn)砂；5～20 mm的連續(xù)級(jí)配石子(含泥量2.4%)；常州天怡工程纖維公司生產(chǎn)的PVA纖維；湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的UPE；南京地區(qū)自來水；HPWR高性能減水劑(減水率26%，泌水率45%，含氣量2.5%)。增強(qiáng)侵蝕海水采用美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加濃度的方法，具體各化學(xué)成分含量見表2。

表1 纖維混凝土配合比

表2 試驗(yàn)海水的各化學(xué)成分含量

1.2 試樣的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

高濃度海水浸泡120 d后的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限三軸壓縮曲線及擬合曲線見圖1，海水侵蝕前的應(yīng)力應(yīng)變擬合方程見表3。擬合曲線根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]建議的無量綱化方法：上升段采用多項(xiàng)式，下降段采用有理分式。

表3 混凝土浸泡前應(yīng)力-應(yīng)變無量綱化曲線方程

圖1 混凝土試塊浸泡海水后應(yīng)力-應(yīng)變無量綱化曲線

在高濃度海水浸泡120 d后，H0和H2混凝土力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)分析值見表4。H0、H2混凝土的彈性模量分別從31.13、29.37 GPa增加到32.52、32.02 GPa。

表4 混凝土試塊浸泡海水前后彈性模量

在海水中浸泡的混凝土試塊的峰值壓應(yīng)變減小，H0和H2混凝土的峰值壓應(yīng)變分別從1.852‰、1.962‰減小到1.241‰、1.802‰。峰值壓應(yīng)變減少率分別為33.0%、8.2%，摻加纖維能降低氯離子侵蝕混凝土的峰值應(yīng)變損失率，纖維能在混凝土發(fā)生大變形時(shí)提供抗拉拔力，抵消一部分荷載，因此纖維混凝土處于極限狀態(tài)時(shí)比素混凝土允許產(chǎn)生更大的變形。

浸泡海水后，H0、H2混凝土的峰值應(yīng)力分別從34.7、38.2 MPa變化到33.5、34.3 MPa，變化幅值分別為-3.5%、-10.2%，纖維混凝土的強(qiáng)度折減增大。

2 數(shù)值模型的構(gòu)建

2.1 幾何模型的構(gòu)建

2.1.1模型的尺寸

模型尺寸和部件位置見圖2，建立模型的效果見圖3。

圖2 混凝土梁尺寸(單位：mm)

圖3 混凝土梁abaqus模型效果

2.1.2材料屬性

混凝土的密度2.4 t/m3，泊松比為0.2，抗壓損傷本構(gòu)關(guān)系根據(jù)實(shí)測(cè)曲線擬合確定，抗拉損傷本構(gòu)參考規(guī)范根據(jù)抗壓強(qiáng)度等比例縮減后確定(折減系數(shù)1/12)。鋼筋采用理想的彈塑性模型，鋼筋的密度為7.8 t/m3，彈性模量190 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度210 MPa。加載方式為兩點(diǎn)位移加載。

2.1.3網(wǎng)格劃分

對(duì)混凝土梁和上下鋼墊板均采用實(shí)體單元C3D8R劃分，網(wǎng)格邊長為50 mm。選用完全的線性積分單元取消減縮積分單元。鋼筋網(wǎng)采用嵌入式建模，采用桁架單元T3D2劃分，網(wǎng)格邊長為50 mm。

2.2 混凝土材料本構(gòu)模型的選擇

圖4 混凝土壓縮和拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)混凝土在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任意一點(diǎn)處卸載時(shí)，卸載響應(yīng)體現(xiàn)為彈性剛度降低，在圖中體現(xiàn)為斜率下降。剛度降低的特征變量分別為壓縮損傷因子dc和拉伸損傷因子dt。本文采用Sidoroff根據(jù)能量等價(jià)原理推導(dǎo)求解(應(yīng)用最廣泛)的公式：

(1)

式中：d為損傷因子，包括壓縮損傷因子dc和拉伸損傷因子dt；σ為真實(shí)應(yīng)力；ε為真實(shí)應(yīng)變；E0為初始無損彈性模量。由于本試驗(yàn)未做軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，因此受拉極限強(qiáng)度假設(shè)為實(shí)測(cè)受壓極限強(qiáng)度的1/12，其他參數(shù)參考規(guī)范取值方法等比例獲取。

3 氯離子侵蝕前后鋼筋混凝土梁的損傷發(fā)展規(guī)律預(yù)測(cè)分析

3.1 鋼筋混凝土梁的荷載擾度曲線規(guī)律分析

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)施加位移小于最大彈性變形量時(shí)，支座反力(或施加荷載)與位移呈線性變化。當(dāng)施加位移量為混凝土最大彈性變形量時(shí)，例如圖5 中A點(diǎn)，即混凝土塑性變形的起始點(diǎn)，位移超過A點(diǎn)后，混凝土梁進(jìn)入塑性變形階段，外觀表現(xiàn)為混凝土部分區(qū)域出現(xiàn)開裂，伴隨著壓縮損傷與拉伸損傷的出現(xiàn)。隨著位移增加，荷載-位移的曲線斜率降低，呈現(xiàn)明顯的非線性變形的特點(diǎn)。當(dāng)位移增加至混凝土的極限承載位移時(shí)，例如圖5中B點(diǎn)，施加的荷載最大，混凝土梁達(dá)到極限承載能力。隨后荷載-位移曲線進(jìn)入下降段，如果是未添加鋼筋的素混凝土，荷載會(huì)迅速下降。由于建立的模型中含有鋼筋，能與混凝土共同發(fā)揮作用承擔(dān)殘余承載能力。因此荷載降低程度不明顯。

圖5 混凝土梁荷載-撓度曲線特征點(diǎn)

鋼筋混凝土梁荷載-撓度曲線見圖6?？梢钥闯?，H0和H2混凝土梁海水侵蝕前后極限承載力均有所降低，分別從24.12、24.28 kN降低至23.82、23.06 kN。加載位移20 mm時(shí)H0和H2梁破壞最終狀態(tài)的承載力分別從21.73、22.77 kN降低至18.98、21.19 kN。H0和H2梁被海水侵蝕120 d后梁的殘余承載力損失率分別為12.7%和6.9%，摻加纖維能有效降低混凝土梁遭受氯離子侵蝕的抗彎曲能力的劣化程度。

圖6 鋼筋混凝土梁荷載-撓度曲線

3.2 海水侵蝕后鋼筋混凝土梁的損傷分布預(yù)測(cè)對(duì)比分析

3.2.1相同位移荷載下梁的等效應(yīng)力

高濃度海水侵蝕前后梁的Mises應(yīng)力云圖見圖7?？梢钥闯觯邼舛群Ｋ治g120 d對(duì)H0梁的應(yīng)力分布影響很小，最大mises應(yīng)力僅從16.8 MPa變化到17.19 MPa。對(duì)H2梁應(yīng)力分布影響較大，最大mises應(yīng)力從29.65 MPa變化到22.63 MPa。這與混凝土梁破壞最終狀態(tài)的荷載大小相一致。

圖7 高濃度海水侵蝕前后梁的Mises應(yīng)力云圖

3.2.2相同位移荷載下梁的損傷

高濃度海水侵蝕前后混凝土梁損傷因子云圖見圖8?？梢钥闯?，經(jīng)高濃度海水侵蝕120 d后的混凝土梁在承受20 mm加載位移時(shí)的損傷范圍更大。浸泡后H2梁高損傷區(qū)域分散不連續(xù)。由圖9a)可看出，經(jīng)高濃度海水侵蝕120 d后的H0梁和H2混凝土梁損傷變化規(guī)律趨于一致，加載位移為0～0.95 mm時(shí)最大拉伸損傷因子迅速增加至峰值，加載位移為0.95～20 mm時(shí)拉伸損傷因子變化不大，加載位移20 mm以后無纖維鋼筋混凝土梁海水侵蝕前后最大拉伸損傷分別為0.843、0.881，增加了4.5%，混合纖維鋼筋混凝土梁在高濃度海水侵蝕120 d前后最大拉伸損傷分別為0.831和0.840，增加了1.1%。海水侵蝕后有纖維的梁最終拉伸損傷0.840比無纖維的梁最終拉伸損傷0.881減小4.9%，纖維對(duì)控制最大拉伸損傷有一定效果。由圖9b)可看出，高濃度海水侵蝕120 d后有纖維的梁最終壓縮損傷0.746比無纖維的梁最終壓縮損傷0.867減小16.2%，纖維對(duì)控制最大壓縮損傷效果更明顯。從發(fā)展規(guī)律看，無纖維的混凝土梁在20 mm位移荷載下?lián)p傷已達(dá)峰值，但混合纖維混凝土梁還未達(dá)峰值損傷，說明纖維仍有增韌阻裂的能力。

圖8 高濃度海水侵蝕前后混凝土梁損傷因子云圖

圖9 高濃度海水侵蝕前后混凝土梁最大損傷值

4 結(jié)論

1)在高濃度海水浸泡120 d后，無纖維混凝土和體積含量0.2%(其中0.1%PVA和0.1%UPE)混合纖維混凝土的彈性模量分別從31.17、29.29 GPa增加到32.53、31.96 GPa，說明高濃度海水侵蝕120 d后混凝土脆性增加；峰值壓應(yīng)變分別從1.852‰、1.962‰減小到1.241‰、1.802‰，減少率分別為33.0%和8.2%，說明摻加纖維能降低氯離子侵蝕混凝土的峰值應(yīng)變損失率；峰值應(yīng)力分別從34.7、38.2 MPa變化到33.5、34.3 MPa，變化幅值分別為-3.5%和-10.2%，纖維混凝土的強(qiáng)度折減大，分析認(rèn)為纖維的摻入增加了初始空隙缺陷使得混凝土侵蝕相對(duì)嚴(yán)重，但由于纖維的增強(qiáng)效果，總體強(qiáng)度仍大于無纖維試樣。

2)無纖維H0和體積含量0.2%(其中0.1%PVA和0.1%UPE)混合纖維H2鋼筋混凝土梁被高濃度海水侵蝕120 d后極限承載力均有所降低，分別從24.12、24.28 kN降低至23.82、23.06 kN。加載位移20 mm時(shí)H0和H2梁破壞最終狀態(tài)的承載力分別從21.73、22.77 kN降低至18.98、21.19 kN；對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度分別降低9.9%、3.6%；H0梁和H2梁被海水侵蝕120 d后梁的殘余承載力損失率分別為12.7%和6.9%，說明纖維能很好提高梁的韌性，能有效降低混凝土梁遭受氯離子侵蝕的抗彎曲能力的劣化程度。

3)經(jīng)高濃度海水侵蝕120 d后的H0梁和H2混凝土梁損傷變化規(guī)律趨于一致，加載位移為0～0.95 mm時(shí)最大拉伸損傷因子迅速增加至峰值，0.95～20 mm拉伸損傷因子變化不大。加載位移20 mm，高濃度海水侵蝕120 d后有纖維的梁最終拉伸損傷0.840比無纖維的梁最終拉伸損傷0.881減小4.9%，最終壓縮損傷0.746比無纖維的梁最終壓縮損傷0.867減小16.2%，說明纖維對(duì)最大壓縮損傷的控制效果更明顯。