一般大气环境下钢筋混凝土结构抗震性能试验研究

第1章 绪论 1.1 研究背景及研究意义 我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇区域，是地震多发的国家之一。据不完全统计，进入20世纪以来，我国仅七级以上的大地震就发生了十几次，每一次都给人口密集的城市区域造成了惨重的人员伤亡和经济损失，其中，1976年河北唐山大地震（MS7.8）造成24万余人遇难、数百万栋房屋和公用设施严重破坏；1999年台湾集集大地震（MS7.3）造成92亿美元的经济损失；2008年四川汶川地震（MS8.0）造成6万余人遇难、直接经济损失8451亿元；2010年青海玉树地震（MS7.1）造成2698人死亡、经济损失达125亿元。资料表明，随着我国城镇化进程的推进，城市人口越来越多，人口密度越来越大，由地震带来的人员伤亡、经济损失以及灾后重建所需的精力和费用都呈几何倍数上升。美国科罗拉多大学的地震工程学家曾指出［1］：“造成伤亡的是建筑物本身，而不是地震。”在新时代背景下，科学合理评估建筑结构抗震能力，是降低震害风险、保障人民生命财产安全和维系经济社会可持续发展的重要前提和有效途径。 钢筋混凝土（reinforce concrete，RC）结构作为土木工程主要结构形式之一，广泛应用于工业与民用建筑、桥梁与地下工程等基础设施中。在应用之初，RC结构并未表现出明显的经时性能退化问题，故其耐久性问题未得到充分关注。直到20世纪80年代，在役RC结构混凝土表面开始出现锈胀裂缝，内部钢筋发生不同程度的锈蚀，其耐久性问题才引起国内外学者的广泛关注。据调查，在西方发达国家，用于既有结构维修加固的费用已占整个建筑行业总投资的40%以上；美国由耐久性问题引起的经济损失1975年达700亿美元，1986年则达1680亿美元；为解决海洋环境下RC建/构筑物的腐蚀与防护问题，英国政府每年耗资约20亿英镑；日本近年来每年用于房屋结构维修的费用亦达到了400亿日元；我国RC结构的大规模建造虽然起步较晚，但其耐久性问题同样严峻，据估计，我国1999年由耐久性问题引起的经济损失为1800亿～3600亿元，其中由钢筋腐蚀引起的损失约占40%。 耐久性问题不仅导致RC结构的维护加固费用不断增长，还引起了钢筋力学性能、混凝土力学性能以及钢筋与混凝土之间的黏结性能不断劣化，并由此导致其抗震性能产生不同程度的退化。RC结构在服役一定龄期后，其抗震性能将有可能不再满足规范要求，其在地震灾害下的破坏风险加剧，然而，依据我国相关设计规范以及部分可靠性和抗震评定标准所设计的RC结构，并未将耐久性设计纳入整个设计体系中。2008年汶川地震的震害统计资料［2］（表1.1）表明，建造年代较早的建筑结构的破坏情况较为严重。原因不仅是建造时的抗震设防水平较差，还包括使用过程中由耐久性退化所导致的抗震性能退化。为准确评估既有RC建筑的地震灾害风险，有必要对发生耐久性退化的在役RC结构的抗震性能展开研究。 表1.1汶川地震建筑震害统计［2］ RC结构所处的侵蚀环境是导致其耐久性退化以及抗震性能劣化*直接和*重要的因素。根据耐久性退化机理的不同，我国RC结构所处的侵蚀环境大致可以划分为一般大气环境、近海大气环境及冻融大气环境三种。其中，位于我国内陆的绝大部分RC结构均处于一般大气环境中，并受该环境中的二氧化碳（CO2）以及酸雨中的硫酸根离子（SO2－4）、硝酸根离子（NO－3）等侵蚀介质的共同作用，混凝土发生中性化。中性化过程降低了混凝土材料的碱度，使钢筋表面的钝化膜发生破坏，失去对钢筋的保护作用，*终导致钢筋锈蚀。钢筋锈蚀会造成钢筋有效截面面积减小及钢筋力学性能劣化，锈蚀产物膨胀还会导致混凝土保护层沿钢筋纵轴方向开裂，削弱钢筋与混凝土间黏结性能，箍筋锈蚀还会减小其对核心区混凝土的约束作用［3］，从而引起RC结构力学性能和抗震性能发生不同程度的劣化。 综上，位于我国内陆的RC结构不仅长期面临地震灾害的威胁，还同时遭受一般大气环境下二氧化碳、硫酸根离子、硝酸根离子等腐蚀介质的侵蚀作用，结构构件耐久性能不断退化，并导致其力学与抗震性能产生不同程度的劣化。揭示该侵蚀环境下RC构件与结构的力学与抗震性能劣化规律并建立相应的数值分析模型与韧性评估框架，是准确评估我国既有RC结构地震灾害风险的关键。鉴于此，本书通过人工气候模拟技术模拟一般大气环境，对各类RC试件（包括RC棱柱体、框架梁、框架柱、框架节点、剪力墙）进行加速腐蚀试验，进而对其进行静力与拟静力加载试验，研究上述各类RC试件的力学与抗震性能在钢筋锈蚀和其他设计参数耦合作用下的变化规律；在此基础上，结合上述试验研究结果、理论分析方法以及既有研究成果建立锈蚀箍筋约束混凝土的本构模型与各类腐蚀RC构件的恢复力模型，并构建腐蚀RC框架-剪力墙结构（框剪结构）的地震韧性评估框架，以期为一般大气环境下在役RC结构数值建模分析以及地震灾害韧性与风险评估提供理论支撑。 1.2 国内外研究现状 近年来，国内外有关RC构件与结构受一般大气环境侵蚀作用影响的研究成果主要包括以下几个方面：一般大气环境下RC结构的腐蚀机理研究、一般大气环境下腐蚀混凝土材料力学性能研究、一般大气环境下腐蚀RC构件力学性能与抗震性能研究等。此外，为建立一般大气环境下腐蚀RC构件的恢复力模型与RC框剪结构地震韧性评估框架，本节还对近年来国内外RC构件恢复力模型与建筑结构地震韧性评估的研究现状进行简要概括。现分别对上述内容叙述如下。 1.2.1 一般大气环境下RC结构腐蚀机理研究现状 1.混凝土碳化机理 近年来，随着全球工业化进程的不断加快及化石燃料消耗的逐年增加，一般大气环境中的CO2等酸性气体的浓度不断攀升，加速了混凝土碳化进程。混凝土碳化是指空气中的CO2等酸性气体与混凝土中的液相氢氧化钙（Ca（OH）2）以及水泥石中的水化硅酸钙（CSH）和未水化的硅酸三钙（C3S）及硅酸二钙（C2S）等碱性物质发生中和反应，生成碳酸盐和其他物质的化学现象。 在一般大气环境中，CO2与混凝土中碱性物质的反应是一个复杂的物理化学过程。国内外学者对混凝土碳化机理开展了大量研究，并取得了诸多研究成果［4-9］，综合这些研究成果，可以将混凝土的碳化机理和过程做如下表述：由于混凝土是一种多孔性材料，其内部分布着大小不等的毛细孔、气泡甚至缺陷，当空气中的CO2进入这些孔隙后，在一定条件下就会与孔隙中的可碳化物质（如Ca(OH)2、CSH等）发生化学反应。混凝土中的可碳化物质是在水泥水化过程中形成的，当其稳定存在时，混凝土呈强碱性，其pH为12～13；而在有水分的条件下，这些可碳化物质将会与渗透到混凝土内部孔隙中的CO2等酸性气体发生中和反应，混凝土的pH显著降低。混凝土碳化过程中的主要化学反应方程式如式（1-1）～式（1-4）所示［10］。 Ca（OH）2+CO2CaCO3+H2O（1-1） 3CaO 2SiO2 3H2O+3CO23CaCO3 2SiO2 3H2O（1-2） 3CaO SiO2+3CO2+nH2OSiO2 nH2O+3CaCO3（1-3） 2CaO SiO2+2CO2+nH2OSiO2 nH2O+2CaCO3（1-4） 一方面，混凝土碳化生成了CaCO3等固态物质，堵塞在混凝土孔隙中，降低了混凝土的孔隙率，削弱了CO2等酸性气体后续的扩散，从而提高了混凝土的密实度和强度；另一方面，混凝土碳化过程中也消耗了混凝土中的大量碱性物质，从而降低了混凝土的pH，并由此导致钢筋表面钝化膜破坏，进而引起钢筋锈蚀。 2.混凝土的酸雨腐蚀机理 酸雨是一种含有H+、SO2-4、NO-3、NH+4等多种侵蚀离子，pH小于5.6的酸性降水，它主要是由工业燃煤、汽车尾气等排放的酸性气体造成的。近年来，随着全球酸性降水区域的面积不断扩大以及降水pH的不断降低，人们逐渐认识到酸雨对RC建筑结构中混凝土材料侵蚀破坏作用的严重性。为揭示酸雨对混凝土材料的腐蚀机理，国内外学者开展了大量的试验研究［11-14］。结果表明，酸雨腐蚀混凝土的破坏机理主要包括溶蚀性破坏和膨胀性破坏两种方式。 1）溶蚀性破坏 溶蚀性破坏主要是指碱性较高的水泥水化产物，如Ca（OH）2、CSH等在酸雨作用下溶解，或酸雨与混凝土中的Ca（OH）2的中和反应产物在酸雨中溶解性更大，降低了混凝土的碱性，致使高钙水化产物CSH等逐渐向低钙转化。其腐蚀过程为：酸雨中的酸性侵蚀介质接触到混凝土表面后，通过混凝土中的毛细孔洞渗透到混凝土内部，并与其中的碱性物质发生中和反应，造成混凝土的碱性降低，进而引起混凝土中水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而加速水解，从而导致混凝土密实度降低并进一步引起混凝土强度退化。这一过程中发生的主要化学反应方程式为 2（3CaO SiO2）+6H2O3CaO 2SiO2 3H2O+3Ca（OH）2（1-5） 2（2CaO SiO2）+6H2O3CaO 2SiO2 3H2O+Ca（OH）2（1-6） Ca（OH）2+2H+Ca2++2H2O（1-7） 3CaO 2SiO2 3H2O+6H+3Ca2++2SiO2+6H2O（1-8） 3CaO 2Al2O3 6H2O+6H+3Ca2++2Al2O3+9H2O（1-9） 酸雨中的H+与混凝土中的碱性物质发生反应，一方面直接消耗了混凝土中的固相成分，从而造成混凝土密实性降低以及强度退化；另一方面，反应生成的物质多为可溶性物质，伴随着这些生成物的流失，混凝土内部形成了更多更大的孔隙，进而加速了酸雨中H+的侵蚀和混凝土中固相成分的分解，导致混凝土强度的进一步退化。 此外，在上述溶蚀性破坏过程中也夹杂着一部分膨胀性破坏。产生这一膨胀性破坏的原因为：H+与反应生成的Ca（OH）2发生的中和反应，对混凝土的整个酸雨腐蚀过程起到了催化作用，促使式（1-5）和式（1-6）所示的两个反应过程不断进行，生成了大量的3CaO 2SiO2 3H2O。该生成物为一种胶凝体，不仅会造成混凝土强度降低，而且由于其含有大量结晶水，体积较大，使混凝土内部产生向外的膨胀力，引起混凝土膨胀开裂。 2）膨胀性破坏 膨胀性破坏是指酸雨渗入混凝土内部与其中的碱性物质发生反应，生成体积大于原碱性物质的腐蚀产物，引起混凝土膨胀开裂、破坏。已有试验研究结果［15］表明，当酸雨中的SO2－4浓度小于1000mg/L时，酸雨中的硫酸盐类将与混凝土水化过程中形成的Ca（OH）2反应，生成体积较大的钙矾石结晶，其化学反应方程式见式（1-10）；当酸雨中的SO2-4浓度大于1000mg/L时，在生成钙矾石的同时，还会生成体积更大的石膏，其化学反应方程式见式（1-11）。 4CaO Al2O3 12H2O+3Na2SO4+2Ca（OH）2+20H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O+6Na(OH)（1-10） Na2SO4 10H2O+Ca（OH）2CaSO4 2H2O+2NaOH+8H2O（1-11） 上述腐蚀产物中，钙矾石可以在碱性很弱的溶液中稳定存在，而且其溶解度极小，体积较大，因而会在混凝土中产生较大的膨胀力，引起混凝土膨胀开裂；相对于钙矾石而言，石膏体积更大，该腐蚀产物会导致混凝土在膨胀开裂过程中整体溃散，并在混凝土表面形成大量的沉淀产物。此外，当石膏在侵蚀环境中仍具有较高的溶解度时，其还可以与混凝土中的水化铝酸钙发生反应，生成含大量结晶水分子的产物，相应的化学反应方程式见式（1-12）。该生成物体积较大，产生的内部膨胀力足以使混凝土内部发生大量的微观破坏，并*终引起混凝土外表面出现宏观裂缝。 3(CaSO4 2H2O)+3CaO Al2O3 19H2O+6H2O3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O（1-12） 3）混凝土内部钢