寒冷地区大气环境中的混凝土结构常常会遭受到冻融破坏作用, 从而大大降低了混凝土结构的使用寿命及其安全性, 因此冻融破坏逐渐成为混凝土结构耐久性能中较为突出的一个问题^[1,2]。越来越多的学者开始重视混凝土冻融破坏的问题并对其进行了系统的研究, 且取得了大量成果^[3,4,5,6,7], 但这些成果大都停留在混凝土材性层面上, 而对于构件层面的混凝土抗冻性研究还不多见。众所周知, 混凝土材料存在明显的尺寸效应^[8,9], 用材性层面的研究成果评估构件层面、甚至结构层面的混凝土抗冻性能, 显然是不科学的;同时, 所采用的试验方法大都是传统的快速水冻水融^[10,11,12], 这与大气环境中混凝土结构所遭受到的气冻气融循环作用存在明显的差异, 故研究足尺钢筋混凝土构件在气冻气融作用后的承载性能, 对结构物的安全使用及寿命预测具有重要意义。

　　 针对目前研究所存在的问题, 本文对7根经历了不同气冻气融循环次数作用后的钢筋混凝土梁进行了正截面抗弯承载力试验。分析了气冻气融作用对钢筋混凝土梁在静荷载作用下的裂缝发展规律、开裂荷载、极限荷载、跨中挠度、混凝土截面应变以及荷载-挠度曲线的影响, 为科学合理地预测大气冻融环境中混凝土结构抗冻耐久性寿命提供了可靠的理论依据。

　　 试验所用混凝土为商品用混凝土, 混凝土强度等级为C40。具体配合比为:水泥350kg/m³, 粉煤灰90kg/m³, 细骨料675kg/m³, 粗骨料1 103kg/m³, 水170kg/m³, 外加剂14kg/m³。混凝土28d强度为43.5MPa。钢筋混凝土梁上部纵筋为2■14, 下部纵筋为2■20, 箍筋为■8@100/150, 配筋率1.4%, 具体配筋如图1所示。

　　 本次冻融试验采用气候环境模拟实验室 (ZHT/W2300) ;静力加载试验采用500t微机控制电液伺服压力试验机, 最大加载速度为50mm/min, 最小加载速度为0.01mm/min。试验梁为简支梁, 一端为滑动支座, 一端为固定支座, 为了防止混凝土局部被压坏, 分别在梁支座处加垫钢板。压力机的荷载通过分配梁进行分配, 压力值由微机控制。

　　 气冻气融试验:7根试验梁养护28d后, 将其中6根放置于水池中浸泡4d, 浸泡时保证水面高出试验梁表面2cm, 完成浸泡后将6根试验梁统一放置于气候模拟实验室内进行气冻气融试验, 具体的升降温机制为:高温+15℃, 低温-18℃, 降温过程不小于2h, 并在-18℃恒温2h;升温过程不小于1h, 并在+15℃恒温1h, 完成一个升降温过程为一次完整的冻融循环作用, 每25次冻融循环作用暂停试验, 取出1根试验梁, 依此类推。7根试验梁所经历的冻融循环次数分别为:0次、25次、50次、75次、100次、125次及150次。试验梁编号分别为FTRC0, FTRC25, FTRC50, FTRC75, FTRC100, FTRC125, FTRC150。

　　 静力加载试验:采用三分点加载方式来确定钢筋混凝土梁在经历不同冻融循环次数作用后的正截面抗弯承载力退化规律。将各试验梁涂刷大白浆, 表面用墨线弹出50mm×50mm的网格, 布置测点, 粘贴应变片, 安装仪表、调试仪器等。本次试验加载方式为位移加载。在完成预加载后进行正式加载, 加载初期可适当放大加载速率到1～2mm/min, 直到构件出现第一条裂缝后降低加载速率到0.5mm/min, 继续以此加载速率加载, 当终端记录仪上数据表现出明显的钢筋屈服现象后, 加载速率降低至0.1mm/min, 继续以此速率加载到荷载达到极限荷载的70%～80%时, 将加载速率稳定在0.05mm/min, 以此加载速率一直加载到构件破坏为止。

　　 钢筋应变主要是通过电阻应变片量测的。每根梁纯弯段区域的下部纵筋平均分配了6个应变片 (纯弯段两根钢筋中点各1个, 两个弯剪段内两根钢筋终点处各布置1个, 共计4个) 。将要贴应变片位置的钢筋抛光打磨好, 用502胶将应变片粘贴到钢筋表面, 为防止冻融循环影响钢筋应变片的工作性能, 在此处进行包裹加厚处理, 即多包纱布、多涂刷环氧树脂。根据简支梁受弯的受力特性可知, 梁的跨中为最大弯矩, 混凝土最可能由此位置开裂。本次试验在梁侧面沿梁高方向每间隔50mm粘贴BX120-80AA型胶基箔式应变片5个, 此外, 顶面、底面各布置1个应变片, 共7个应变片来测量混凝土的应变。混凝土应变片布置位置示意图如图2所示。

　　 不同冻融循环次数作用的试验梁破坏形态及裂缝发展规律如图3所示。

　　 从7根试验梁的试验结果来看, 最终的破坏形态均为弯曲适筋破坏, 裂缝的发展形态基本与未冻融钢筋混凝土适筋梁相同。首先是受拉钢筋屈服, 随着荷载的持续增大, 受压区混凝土应变不断增大, 直至达到混凝土的极限压应变, 此时, 试验梁跨中顶部区域的混凝土逐渐被压碎崩溃。在跨中顶部区域混凝土出现裂缝直至破坏的阶段, 梁的弯剪区逐渐出现斜裂缝。通过分析不同冻融循环次数时试验梁的裂缝发展情况可以发现, 随着冻融循环次数的增加, 试验梁出现裂缝的时间有所提前, 出现首条裂缝时的荷载值也逐渐减小。这也反映了冻融循环作用使得混凝土材料的力学性能有所劣化。

　　 图4给出了不同冻融循环次数下各试验梁开裂荷载大小及对应的裂缝发展情况。

　　 从图4可看出, 试验梁经不同冻融循环次数作用后开裂荷载逐渐降低, 这反映了混凝土材料经过冻融循环后其抗拉性能有了明显的衰减, 同时, 首条裂缝均出现在纯弯段, 长度大约在5～10cm, 宽度约为0.02mm。从裂缝的发展方向来看, 可近似看为垂直裂缝。

　　 图5, 6分别给出了试验梁开裂荷载与极限荷载对不同冻融循环次数的响应关系。

　　 从图5可知, 开裂荷载与冻融循环次数之间呈明显的线性关系。且冻融循环150次后, 试验梁的开裂荷载与未经冻融作用的试验梁开裂荷载相比, 下降了约40%。

　　 由图6可知, 试验梁的极限荷载随着冻融循环次数的增大逐渐降低, 具有明显的非线性特性 (三次多项式拟合相关系数R为0.956 5, 线性拟合相关系数R为0.880 3) , 并呈现出前期下降迅速、中期下降平缓、后期下降速率最大的特点。冻融循环150次时梁的极限承载力下降到未冻融梁极限承载力的86.7%。

　　 不同冻融循环次数作用的试验梁荷载-挠度曲线如图7所示, 图8则给出了冻融循环后试验梁跨中挠度的变化规律。

　　 由图7可知, 随着冻融循环次数的增加, 试验梁的极限荷载与挠度均逐渐减小。钢筋屈服后, 各试验梁的挠度增加明显。同时, 由于冻融循环的作用, 混凝土内部出现损伤, 产生微裂纹, 致使混凝土相对动弹性模量降低, 弹性开裂点不明显, 梁的弯曲刚度也随之减小, 屈服荷载与极限荷载降低, 经历了冻融循环作用的试验梁极限荷载较未冻融的梁分别降低了3.2%, 5.95%, 6.91%, 7.45%, 7.98%, 13.3%, 且下降速度随冻融循环次数的增大而增大。从图8可看出, 试验梁的跨中挠度随着冻融循环次数的增加逐渐减小, 这反映了试验梁在冻融循环作用下塑性变形能力逐渐衰减。

　　 图9给出了不同冻融循环次数时, 混凝土应变随截面高度的变化规律。

　　 由图9可看出, 随着冻融循环次数的增加, 破坏时混凝土应变有明显增加, 且随着荷载的增大, 混凝土应变逐渐增大, 中和轴不断上移, 当受拉边缘的应变达到混凝土极限拉应变时, 受拉区混凝土出现塑性变形, 拉应力图逐渐偏离直线状呈现曲线状或折线状, 而受压区混凝土仍处于弹性阶段, 压应力图形为三角形。由此可认为, 各试验梁在经历气冻气融作用后, 混凝土截面应变基本符合平截面假定。同时, 随着冻融循环次数的增加, 混凝土受压区高度有所增加。出现这些现象说明:混凝土在经历冻融循环作用后, 内部逐渐有微裂缝产生、发展、汇集, 致使损伤不断累积增大, 在加载过程中, 位于受压区的冻融裂缝在弯矩作用下逐渐闭合, 从而导致混凝土应变随冻融循环次数N的增大而增大。

　　 本文研究了足尺钢筋混凝土梁在冻融环境下承载性能的退化规律, 分析了冻融对钢筋混凝土梁在静荷载作用下的裂缝发展规律、开裂荷载、极限荷载、跨中挠度以及混凝土截面应变的影响。具体结论如下:

　　 (1) 气冻气融作用后的钢筋混凝土梁在荷载作用下, 截面的应力状态仍满足平截面假定。

　　 (2) 首条裂缝均出现在纯弯段, 开裂荷载值随冻融循环次数的增加逐渐降低, 均为不同冻融循环次数时极限荷载的30%左右。

　　 (3) 钢筋混凝土梁的正截面抗弯极限承载力随冻融循环次数的增加逐渐降低, 且下降速度随冻融循环次数的增大而增大。

　　 (4) 钢筋混凝土梁的跨中挠度随冻融循环次数的增加逐渐降低, 且两者之间呈明显的线性响应关系。