杂散电流与氯盐耦合作用下钢筋混凝土梁疲劳刚度衰减规律研究

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发布时间：2021-09-05

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杂散电流与氯盐耦合作用下钢筋混凝土梁疲劳
刚度衰减规律研究
陈梦成秦臻王凯谢力
(华东交通大学土木建筑学院，南昌330013)
摘要：通过钢筋混凝土梁在空气环境、杂散电流环境、氯盐环境和两者耦合环境下的疲劳试验，研究了这4
种环境下梁的变形发展过程、刚度损伤过程和电化学腐蚀参数。结果表明，在不同腐蚀疲劳环境作用下，梁
挠度一循环比和刚度损伤变量曲线呈三阶段特征，但其变化程度有所不同，空气环境最慢，氯盐环境到疲劳
后期较快，杂散电流环境较快，耦合作用下最快。说明空气和氯盐环境下刚度损伤较慢，杂散电流环境下较
快，耦合作用下最快。试验同时还表明，耦合作用下腐蚀电位增长最大，杂散电流次之，氯盐中最慢。
关键词：钢筋混凝土梁；疲劳损伤；杂散电流；氯离子；疲劳刚度；腐蚀电位
中图分类号：TU528．01 文献标识码：A
Study on Fatigue Stifness Damage of Reinforced Concrete Beams
Under Coupling Efect of Stray Current and Chlorine
CHEN Meng-cheng QIN Zhen WANG Kai XIE Li
(School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)
Abstract：The fatigue experiments of reinforcement concrete beams under atmospheric environment，stray current envi—
ronment，salt solution environment and environment of coupling effect were carried out．Developmental process of de—
formation，damage process of stiffness and electrochemical corosion parameters were studied．The test results show that
under different environment of corrosion fatigu e，the beams present three stage characteristics for the curve of deflection—
cycle ratio and damage variable of stiffness，but the change degrees of deflection were different，the slowest under atmos—
pherie environment，faster in the later period of salt solution environment，faster under stray current environment and the
fastest under environment of coupling effect．It indicates that the stiffness damage of beams are slow under atmospheric
environment and salt solution environment，faster under stray current environment and the fastest under environment of
coupling effect．The test also indicates that the increase of corosive potential are the maximum under environment of COU—
pling effect，minor under stray curent environment，the minimum under salt solution environment．
Key words：reinforced concrete beam；fatigue damage；stray current；chloride ion；fatigue stiffness；corrosive potential
刖舌
钢筋昆凝土在一般使用环境下通常具有较好的服
役性能。但在实际工程中昆凝土结构在承受外荷载的
同时往往还承受环境腐蚀作用，例如近采油平台、铁路
轨枕等结构在承受循环荷载作用的同时还受到环境中
收稿日期：2012-01
作者简介：陈梦成(1962一)，男，教授。
氯离子、二氧化碳等引发的钢筋腐蚀协同作用，从而导
致混凝土结构服役性能严重退化，过早退出服役
期 J。国内外许多学者对}昆凝土中钢筋因氯离子
和二氧化碳等引发的电化学腐蚀及其对混凝土结构疲
劳性能的影响，已开展了大量的研究工作，并取得了很
多有价值的成果。然而杂散电流引发的钢筋腐蚀对混
凝土结构疲劳性能的影响的资料却所见不多。
杂散电流(又称地铁迷流，metro stray curent)，主
要是指采用直流供电牵引方式的地铁列车在运行时，
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第2期陈梦成，等：杂散电流与氯盐耦合作用下钢筋混凝土梁疲劳刚度衰减规律研究 2012年4月
由走行轨泄漏到道床及其周围土壤中的散乱电流，其
强度普遍为10—100 mA ；在地铁迷流流经的区域，
地铁周围的埋地金属管道和混凝土结构中的钢筋易遭
到腐蚀，例如，北京地铁第一期工程主体结构的钢筋在
使用几年之后，就发生了杂散电流引起的腐蚀。地铁
}昆凝土主体结构往往位于距地表较深又富含氯离子透
水性较强的土壤中_6 J，显然引发其钢筋产生锈蚀并不
单仅有杂散电流单独作用，还包括地铁基础中氯离子
的协同作用，以及列车长期循环荷载对其锈蚀的促进
作用。杂散电流腐蚀协同氯盐与列车反复荷载又易构
成损伤劣化耦合作用，极大威胁地铁混凝土主体结构
的安全性和耐久性。因此，有必要对地铁混凝土结构
的疲劳损伤特性尤其是疲劳损伤演变规律进行研究。
本文用定义刚度损伤变量的方法分析了钢筋混凝土试
件损伤劣化过程中的刚度变化规律，跟踪研究杂散电
流，氯离子及其耦合作用下钢筋混凝土梁构件弯曲疲
劳损伤全过程的影响，并运用电化学方法检测钢筋的
腐蚀电位(corrosive potentia1)分析其影响作用机理，为
腐蚀环境中承受反复荷载作用的钢筋混凝土结构的耐
久性设计评估提供参考。
口2
．
实验所用的钢筋混凝土梁按适筋梁设计，试件尺
寸为100 mm X 160 mill×1 200 mm。主筋采用2根
4,12的HRB335级螺纹钢筋。架立筋采用2根的
HPB235级光圆钢筋。箍筋采用与架立筋同一类钢
筋，箍筋间距为80 mm。 12和 6钢筋的屈服强度实
测值分别为497．3 MPa和421．1 MPa，抗拉强度实测
值则分别为621．2 MPa和583．5 MPa。混凝土保护层
厚度为20 mm。试件尺寸和截面配筋布置如图1
图1 试件尺寸及截面配筋图(单位：mm)
试件混凝土强度等级按C40级设计。混凝土设
计配合比为：水泥：砂：石子：水=1：1．35：2．5：0．35。
水泥采用P·O 42．5级普通硅酸盐水泥，砂采用赣江中
砂，石子最大粒径为25 mm。为了模拟杂散电流腐蚀，
在梁试件浇注成型前，2根纵向受拉钢筋(主筋)的一
端各焊1根长约2 m导线，并在主筋与箍筋相交处套
上塑料绝缘管。
2．2 试验装置
实验在华东交通大学结构工程重点实验室MTS
电液伺服疲劳试验机上实施。实验装置如图2所示。
载荷的施加方式采用四点弯曲疲劳加载。四点弯曲试
件的2个支撑点距离为1 000 mm。
图2 实验加载与测试装置图
2．3 试验方法
试验试件自然养护90 d后，置于上述实验装置
上，在进行疲劳加载的同时施加模拟杂散电流。疲劳
实验参数统一取：疲劳荷载上限0．50 P．(P．．为试件静
载极限承载力，下同。本文为75 kN)，疲劳荷载下限
0．05 P 加载频率3．5 Hz，正弦波加载。按照刚度退
化准则，以疲劳试验机记录的位置下降30％时，或
者当循环次数达到2×10。次时，结束疲劳试验。杂散
电流的施加，采用自制可控硅直流电源所提供的直流
电进行模拟，施加步骤如下：首先将试件置在预先盛有
浓度为3．5％NaC1溶液的特制防腐蚀钢箱中，静置2
～ 3 d，以提供混凝土保护层有足够的湿度，保证电流
在主筋与以下所述的钢板问在刚通电时就可形成通
路，钢箱中NaC1溶液液面处在梁主筋中心位置，如图
3所示；然后将试件主筋用作阳极，用导线与电源的正
极相联，不锈钢板则用作阴极，与电源的负极相联，并
且为了保证试验过程中所施加的电流稳定性，试件主
筋各串联一个大小为100 Q的电阻块。这样通过调节
杂散电流模拟仪的交流自藕变压器，即可在试件主筋
和钢板之间施加不同强度的模拟杂散电流。本实验所
施加的模拟杂散电流电压强度为30 V。为了与一般
大气环境下的疲劳损伤过程进行对比，本文同时也进
行了1组一般大气环境下的弯曲疲劳性能试验。
本文采用YHD一50动态挠度仪和306DF智能信
号采集处理分析仪，同步测量试件在循环荷载上限作
用下的跨中挠度。同时在试验过程中，每隔一定的疲
劳加载循环次数，采用北京中腐公司开发PS一268A
型电化学测量系统测试钢筋混凝土内部钢筋腐蚀电