南海岛礁高温高湿高盐环境对于结构的耐久性来说是巨大的考验[1-3]．南海海域位于低纬度区，环境湿热，混凝土结构受海工环境影响产生耐久性问题屡见不鲜．因此，优化南海的基建混凝土材料形成耐蚀筋材高耐久性混凝土结构是南海建设的首要问题．目前，研究者分别对高耐久性混凝土及耐蚀筋材进行了大量研究．混凝土掺入混杂纤维(玄武岩纤维(BF)及聚丙烯纤维(PF))可以提高混凝土阻裂限缩能力、耐冲击及抗渗性能，在各类工程领域中被广泛应用[4-6]．其中PF可以缓解裂隙端应力集中，保障混凝土内部应力分布均匀以达到改善混凝土拉裂破坏及抗渗、抗疲劳性能[7-8]；BF呈多向分布，能约束基体裂隙深度、宽度的发展[9]．环氧树脂涂层钢筋是通过在钢筋表面形成环氧树脂阻断层以改善钢筋的离子腐蚀[10-11]；玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋以玻璃纤维、合成树脂为原料代替钢筋用于海工环境，具有力学性能好、耐腐蚀性能、价格低廉等优点[12]．环氧树脂涂层优秀的抗腐蚀性显著降低了混凝土构件在疲劳荷载作用下的力学损伤[13-14]．但在高荷疲劳下，涂层钢筋混凝土构件力学性能衰减严重；涂层过厚也会降低涂层钢筋与混凝土的粘结强度[15]，造成其构件性能改变．GFRP筋在混凝土中应用较为广泛，研究者针对其力学指标与普通混凝土构件进行了大量对比，研究发现GFRP筋混凝土初裂承载力偏小[16]，且GFRP筋与混凝土间的协同工作性能比普通钢筋差易产生脆性破坏[17]，导致GFRP筋混凝土构件在实际应用中受到限制．部分研究者提出改善水泥基成分可以缓解GFRP筋混凝土的脆性，如掺入聚丙烯纤维[18]，使用高韧性水泥基复合材料[19]等．根据上述研究可知，为改善混凝土耐久性通常采用耐蚀钢筋及纤维混凝土，但是针对混杂纤维混凝土与耐蚀钢筋在南海极端热湿气候下的应用研究较少，对构件的承载力学性能认识不足．因此，本研究基于前期对高耐久性混凝土配合比的研究，将环氧涂层钢筋和GFRP筋作为耐蚀筋材，与高耐久性混凝土结合，研究耐蚀筋材高耐久性混凝土梁柱构件的抗弯、抗压等性能，并建立耐蚀筋材高耐久性混凝土梁柱构件的承载力公式．1 试验概况本研究采用的胶凝材料主要包括P.O42.5R级普通硅酸盐水泥(C)、S95级矿粉(SF)、II级粉煤灰(FA)及S95级粒化高炉矿渣粉(GGBS)．胶凝材料的化学成分和物理性能如表1和2所示．细集料采用细度模数为2.8的中砂；粗集料的粒径为5～20 mm的玄武岩碎石．减水剂为35%(质量分数)减水率的聚羧酸型高效减水剂．图1为玄武岩纤维和聚丙烯纤维，其各项性能指标见表3．课题组前期试验研究确定的配合比如表4所示．钢筋采用HRB400级钢筋，其力学性能指标如表5．混凝土采用C30普通混凝土(OC)和C30高耐久性混凝土(HDC)，立方体抗压强度平均值分别为53.52 MPa和55.71 MPa，高耐久性混凝土水泥含量为普通混凝土对应值的64%．10.13245/j.hust.239235.T001表1水泥和掺合料的化学成分种类CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3Na2OK2OTiO2水泥57.718.484.823.261.511.830.331.070.23粉煤灰21.1435.7116.578.921.411.94———硅灰0.476.350.200.550.53—0.51——矿渣35.7533.506.451.345.781.470.36——%10.13245/j.hust.239235.F001图1玄武岩纤维、聚丙烯纤维10.13245/j.hust.239235.T002表2水泥和掺合料的物理性能种类标准稠度用水量/%凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa比表面积/(cm2∙g-1)密度/(g∙cm-3)细度含水率/%活性指数/%初凝终凝3d28d3d28d水泥2510215224.656.55.68.43903.09———粉煤灰101———————2.1610.20.5—硅灰115——————2482.1—0.692矿粉113——————4402.9—0.071010.13245/j.hust.239235.T003表3玄武岩纤维和聚丙烯纤维性能指标纤维类型长度/mm单丝直径/μm密度/(g∙cm-3)弹性模量/GPa抗拉强度/MPa断裂伸长率/%玄武岩纤维18152.56≥40≥2400≤3.1聚丙烯纤维19350.91≥3≥270≥2010.13245/j.hust.239235.T004表4混凝土配合比类型水泥水砂石硅灰粉煤灰矿渣玄武岩纤维聚丙烯纤维减水剂OC362.9170.6733.81099.7—————1.82HDC234.2161.0683.01162.922.073.236.61.280.463.66kg/m310.13245/j.hust.239235.T005表5筋材力学性能指标筋材类型直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%弹性模量/GPa普通钢筋HRB4001645064322.0200环氧树脂涂层钢筋HRB4001643863820.8200玻璃纤维增强筋(GFRP筋)HRB400166377774.5300参照文献[20-21]，分别设计4种正截面受弯试验梁(见表6)及4种轴心受压柱(见表7)．其中构件梁尺寸为200 mm×300 mm×2 100 mm，箍筋为C10@75，架立筋为2C10，梁构件尺寸及配筋如图2所示．10.13245/j.hust.239235.T006表6梁试件设计参数试件编号试件名称数量混凝土类型筋材类型纵筋配筋B-OC-OS普通钢筋混凝土试验梁3普通混凝土普通钢筋2C16B-HDC-OS高耐久性混凝土普通钢筋试验梁3高耐久性混凝土普通钢筋2C16B-HDC-ECS高耐久性混凝土环氧涂层钢筋试验梁3高耐久性混凝土环氧涂层钢筋2C16B-HDC-FRP高耐久性混凝土GFRP筋试验梁3高耐久性混凝土GFRP筋2C1610.13245/j.hust.239235.T007表7柱试件设计参数试件编号试件名称数量混凝土类型纵筋类型纵向配筋C-OC-OS普通钢筋混凝土试验柱3普通混凝土普通钢筋4C16C-HDC-OS高耐久性混凝土普通钢筋试验柱3高耐久性混凝土普通钢筋4C16C-HDC-ECS高耐久性混凝土环氧涂层钢筋试验柱3高耐久性混凝土环氧涂层钢筋4C16C-HDC-FRP高耐久性混凝土GFRP筋试验柱3高耐久性混凝土GFRP筋4C1610.13245/j.hust.239235.F002图2梁试件几何尺寸(mm)构件柱尺寸为300 mm×300 mm×1 200 mm，纵向钢筋对称布置，两端箍筋配置为C10@40，柱身箍筋配置为C10@80，柱构件尺寸及配筋如图3所示．10.13245/j.hust.239235.F003图3柱试件几何尺寸(mm)本试验装置均由西安建筑科技大学结构与抗震实验室提供．加载方式为两段式，采用荷载控制直至构件产生初裂，随后采用位移控制的加载方式．梁构件加载速率分别为0.5 kN/min，1 mm/min；柱构件加载速率分别为20 kN/min，0.5 mm/min．采用TDS-530静态数据采集仪量测梁构件支座沉降及跨中、三分点处挠度，纵向受拉钢筋应变值，试件混凝土裂缝发展情况；柱试件横向及轴向变形，混凝土横向及轴向应变，试件纵向受压钢筋应变值，箍筋应变，试件破坏现象．2 试验结果与分析2.1　梁试件抗弯性能试验2.1.1　破坏现象框架梁试件典型破坏现象如图4所示．其中B-HDC-OS构件裂缝最为密集，数量更多；试件B-HDC-ECS的破坏形态与B-OC-OS类似．10.13245/j.hust.239235.F004图4梁试件破坏现象普通钢筋混凝土试验梁(B-OC-OS)典型破坏现象如图4(a)所示．随着荷载的增加，试件跨中及右侧加载点右侧水平距离4.9 mm处先发生初裂现象，此时荷载为16.3 kN，裂缝平均高度为7.0 mm．后续纯弯区裂缝数目及宽度不断发育．直至荷载为29.4 kN时，竖向裂缝高度达17.4 mm，弯剪区产生斜向裂缝．此后裂缝发育速度减缓．当加载至60.0 kN时，纯弯区裂缝宽度逐渐加大，弯剪区斜向裂缝数量逐渐增多，混凝土出现压碎并产生脱落．最终纵筋在88.1 kN处断裂，试件无法继续承载．构件裂缝宽度最大值为7.1 mm，跨中挠度最终值为53.96 mm．高耐久性混凝土普通钢筋试验梁(B-HDC-OS)典型破坏现象如图4(b)所示．试件初裂荷载与B-OC-OS基本一致，初裂荷载值为16.2 kN，初裂部位为纯弯段右侧加载点左侧水平距离110.5 mm处，裂缝高度为9.6 mm．随着荷载的增加，跨中处出现裂缝并迅速发展．试件弯剪区在25.6 kN处出现斜裂缝，此后裂缝数量不断增加，但裂缝延伸速度减缓，弯剪区出现新增斜裂缝．当加载至58.5 kN时，竖向裂缝开始横向发展．右加载点处混凝土在90.4 kN处被压碎，试件失去承载能力．构件裂缝最大宽度为13.8 mm，跨中挠度最终值为54.49 mm．高耐久性混凝土环氧涂层钢筋试验梁(B-HDC-ECS)典型破坏现象如图4(c)所示．试件初裂荷载与B-OC-OS基本一致，初裂荷载值为16.4 kN，初裂部位为跨中区底部及左侧加载点左侧水平距离8.9 mm处，裂缝平均高度为43.7 mm．随后，裂缝数量迅速发展，初始裂缝逐渐延伸．当加载至27.4 kN时，试件弯剪区出现斜裂缝；在荷载达58.7 kN后，纯弯段裂缝宽度开始持续增大．当荷载为99.9 kN时，试件因底部纵筋拉断而破坏，该类试件裂缝长度基本接近贯通．构件裂缝最大宽度为8.8 mm，跨中挠度最终值为53.79 mm．高耐久性混凝土GFRP筋试验梁(B-HDC-FRP)典型破坏现象如图4(d)所示．该类试件初裂荷载偏低，仅为14.1 kN，初裂部位为跨中，呈突发状产生．弯剪区斜裂缝在荷载为17.8 kN处产生．随着荷载增加，试件表现出典型的少筋破坏现象．在荷载达28.9 kN后，初始裂缝宽度开始持续增大，其余裂缝发育缓慢；当荷载值为88.9 kN时，右加载点处竖向裂缝贯通，且此处混凝土被压碎，达到最大承载能力．此时底部纵筋仍未发生塑性变形，表明该类试件最终呈现超筋破坏．构件裂缝最大宽度为9.7 mm，跨中挠度最终值为28.14 mm．2.1.2　荷载-挠度曲线试验梁荷载-跨中挠度曲线见图5，图中：F为荷载；β为挠度．由图可见：试件B-OC-OS，B-HDC-OS及B-HDC-ECS挠度随荷载的变化规律基本一致，并且当试件失效时跨中挠度值基本相同，表明高耐久性混凝土及环氧涂层钢筋不会改变梁构件受弯状态下的刚度特性．试件B-HDC-OS跨中挠度随荷载的增加呈线性增长，变化规律明显不同，这也证实了使用GFRP筋的混凝土前期变形较大，导致混凝土初裂荷载较小．在高耐久性混凝土中使用GFRP筋可以明显改变梁的刚度特性．10.13245/j.hust.239235.F005图5荷载-跨中挠度曲线3—B-HDC-ECS；4—B-HDC-FRP(下同)．1—B-OC-OS；2—B-HDC-OS；2.1.3　荷载-应变曲线试验梁荷载-纵筋应变曲线见图6，图中δ1为跨中受拉筋应变．由图可见：4种梁构件纵筋产生应变时的初始荷载基本一致，表明开裂前混凝土与钢筋均呈协同受力状态．试件B-OC-OS，B-HDC-OS及B-HDC-ECS三者荷载-纵筋应变曲线变化规律基本一致，在开裂前期应变增长速率较小，后期应变速率加快，有明显的屈服强度．在试件开裂后，试件B-HDC-FRP的纵筋应变呈线性变化，应变速率高于B-HDC-OS和B-HDC-ECS．10.13245/j.hust.239235.F006图6荷载-纵筋应变曲线2.1.4　承载性能梁试件的主要试验值见表8，采用GFRP筋的高耐久性混凝土开裂弯矩与其余试件相比降低了13%．试件B-HDC-ECS的极限弯矩与其余构件相比较高，极限弯矩为B-OC-OS的113.20%，表明环氧涂层钢筋搭配高耐久性混凝土的受弯性能最好．试件B-HDC-FRP的极限弯矩与B-OC-OS大小相似；B-HDC-FRP最大跨中挠度最小，与其余构件相比降低了48%左右，这表明在相同配筋率下，GFRP筋高耐久性混凝土梁抗弯能力与普通构件基本一致，但无法与环氧涂层钢筋高耐久性混凝土梁相比．10.13245/j.hust.239235.T008表8试验梁主要试验值编号开裂弯矩/(kN∙m)极限荷载/kN极限弯矩/(kN∙m)跨中挠度/mmB-OC-OS4.8988.126.3753.96B-HDC-OS4.8690.427.1254.49B-HDC-ECS4.9299.929.8553.79B-HDC-FRP4.2388.926.6728.142.1.5　正截面受弯承载力4种不同材料混凝土试件梁分别按照相关规范[22-23]计算受弯构件正截面承载力，有M≤Mu=α1fcbh02ξ(1-0.5ξ), (1)式中：Mu为极限弯矩；α1为系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；b为试件宽度；h0为纵向受拉普通钢筋合力点至截面受压边缘距离；ξ为相对受压区高度．又有M≤Mu=0.9ffcAfh0f, (2)式中：ffc为GFRP筋有效设计应力值；Af为截面配筋面积；h0f为纵向受拉GFRP筋合力点至截面受压边缘距离．根据式(1)和(2)计算得出试验梁受弯承载力理论值，并与试验所得极限受弯承载力进行对比，结果见表9．10.13245/j.hust.239235.T009表9试验梁受弯承载力理论值与试验值试验梁编号试验极限荷载/kN理论计算值/kN误差/%B-OC-OS88.186.22.16B-HDC-OS90.487.82.87B-HDC-ECS99.987.812.11B-HDC-FRP88.981.18.77根据计算结果可知：理论值偏大，尤其B-HDC-ECS试件计算偏差达12.11%．对环氧涂层钢筋高耐久性混凝土正截面受弯承载力计算修正公式，有M≤Mu=1.11α1fcbh02ξ(1-0.5ξ)．(3)2.2　柱试件轴心受压试验2.2.1　破坏现象柱试件典型破坏现象如图7所示，试件C-HDC-OS相对试件C-OC-OS纵向裂缝更多．试件C-HDC-ECS破坏前有明显预兆，破坏时混凝土保护层发生部分剥落．试件C-HDC-FRP破坏前无明显征兆，破坏时混凝土保护层发生爆裂且产生大面积剥落．10.13245/j.hust.239235.F007图7柱试件破坏现象普通钢筋混凝土轴压柱(C-OC-OS)的典型破坏形态如图7(a)所示．试件角部首先出现裂缝，随着荷载的增加，西南角裂缝贯通，试件北立面出现横向裂缝．当荷载达到3 395.6 kN时，试件顶角部裂隙贯通，混凝土压碎剥落．此时，混凝土承载能力达到极限状态，构件最终轴向变形为10.39 mm．普通钢筋高耐久性混凝土轴压柱(C-HDC-OS)的典型破坏形态如图7(b)所示．试件北立面底部左侧首先产生竖向裂缝，此时荷载值为833.5 kN；随后，其余立面底部也产生竖向裂缝．当荷载值达1 797.1 kN时，试件顶部产生竖向裂缝，并且柱身出现横向裂缝．试件在3 283.1 kN处达到极限承载状态，此时北立面中下部混凝土表面产生大量剥落，东立面底部混凝土被压碎．最终试件的轴向变形为10.00 mm．环氧涂层钢筋高耐久性混凝土轴压柱(C-HDC-ECS)的典型破坏形态如图7(c)所示．试件的初裂荷载为623.8 kN，初裂部位在试件南立面右上角．随着荷载的增加，初始裂缝长度持续增加，试件顶角部位也产生竖向裂缝．荷载值达到2 562.2 kN时，柱身出现明显的竖向裂缝，并逐渐延伸接近贯通．试件在3 794.3 kN时达到极限承载状态，此时柱身中上部混凝土外鼓，顶部混凝土压碎剥落．最终试件的轴向变形为12.46 mm．GFRP筋高耐久性混凝土轴压柱(C-HDC-FRP)的典型破坏形态如图7(d)所示，试件的初裂荷载为1 259.6 kN，初裂部位在试件西立面底部．随着荷载增加至1 347.2 kN，试件东立面顶部开始出现竖向裂缝．随后试件上下两端裂隙向中间发展．当加载至3 747.8 kN时，试件南立面和东立面中上部混凝土保护层脱落产生巨响，北立面和西立面中上部混凝土突然鼓起，试件整个中上部混凝土大面积剥落．非加密区箍筋断裂，纵筋压坏，试件达到极限承载状态，破坏前无明显征兆，试件的轴向变形为9.71 mm．2.2.2　荷载-位移曲线柱试件荷载-纵向位移曲线见图8，图中w为位移．由图可知：试件C-OC-OS和C-HDC-OS极限荷载基本一致，而试件C-HDC-ECS和C-HDC-FRP极限荷载一致．与C-OC-OS相比，试件C-HDC-OS下降段承载力消退较快，最终变形小．试件C-HDC-ECS和C-HDC-FRP极限荷载均略大于其余两种试件，但C-HDC-ECS达到极限荷载后仍能在一段时间内维持较高的承载力；C-HDC-FRP在极限荷载之前位移较小，仅为试件C-HDC-ECS的76.6%，在达到极限荷载后，承载能力下降最为严重，纵向变形也最大．10.13245/j.hust.239235.F008图8荷载-纵向位移曲线3—C-HDC-ECS；4—C-HDC-FRP(下同)．1—C-OC-OS；2—C-HDC-OS；2.2.3　荷载-应变曲线柱试件荷载-混凝土应变曲线见图9，图中δ2为中部混凝土应变．图9左右两侧曲线分别为纵向和横向混凝土应变，由图可知：采用高耐久性混凝土(C-HDC-OS)对构件纵向影响较小，仅在0.65极限荷载Pmax之后应变相对较大，但在相同荷载下横向应变更大．采用耐蚀钢筋使混凝土纵向在相同荷载下应变更小，尤其是环氧涂层钢筋．耐蚀钢筋的使用使高耐久性混凝土在横向变形方面与普通混凝土基本一致．10.13245/j.hust.239235.F009图9荷载-混凝土应变曲线试验柱荷载-纵筋应变关系见图10，图中δ3为筋材应变．图10左右两侧曲线分别为纵筋和箍筋应变．荷载-箍筋应变曲线相似，荷载-纵筋应变曲线存在明显差异．根据图10可知：采用高耐久性混凝土，钢筋纵向应变略微提高；采用耐蚀钢筋后可以改善钢筋纵向应变；C-HDC-ECS的纵筋极限应变下降，C-HDC-FRP的纵筋极限应变上升．10.13245/j.hust.239235.F010图10荷载-筋材应变曲线2.2.4　承载性能柱试件主要试验值见表10．以试件C-OC-OS为参考，C-HDC-OS的极限荷载降低了3.30%，纵向位移减少3.75%，C-HDC-ECS的极限荷载增加了11.74%，纵向位移增加20.21%，C-HDC-GFRP的极限荷载增加了10.37%，纵向位移减小6.54%．环氧涂层钢筋、GFRP筋高耐久性混凝土柱的极限荷载均有所提高，且环氧涂层钢筋高耐久性混凝土柱变形能力优异．10.13245/j.hust.239235.T010表10柱试件试验值试验柱编号极限荷载/kN纵向位移/mmC-OC-OS3 395.610.39C-HDC-OS3 283.110.00C-HDC-ECS3 794.312.49C-HDC-FRP3 747.89.712.2.5　正截面受压承载力4种不同材料混凝土试件柱分别按照相关规范计算受压构件正截面承载力，有N≤Nu=0.9φ(fcA+fy'As'), (4)式中：Nu为极限受压承载力；φ为构件稳定系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；A为构件截面面积；fy'钢筋抗压强度设计值；As'为全部纵向钢筋截面面积．又有N≤Nu=xad(x-1)2+xfcAc+xεpEfAf，(5)式中：ad为GFRP筋合力点至截面边缘的距离；x为混凝土受压区高度；εp为混凝土峰值应变；Ef为GFRP筋弹性模量．根据式(1)和(2)计算得出试验柱受压承载力理论值，并与试验所得极限承载力进行对比，结果见表11．10.13245/j.hust.239235.T011表11试验柱受压承载力理论值与试验值编号极限荷载/kN理论值/kN误差/%C-OC-OS3 395.63 140.57.5C-HDC-OS3 283.13 269.30.4C-HDC-ECS3 794.33 269.313.8C-HDC-FRP3 747.83 619.73.4根据计算结果可知：试验值偏大，尤其对于环氧涂层钢筋高耐久性混凝土柱，其误差达13.8%，故提出环氧涂层钢筋高耐久性混凝土轴压柱正截面承载力计算修正公式，有N≤Nu=0.97φ(fcA+fy'As')．(6)3 结论a．环氧涂层钢筋高耐久性混凝土梁的初裂荷载、跨中挠度、裂缝最大宽度等与普通钢筋混凝土梁基本相似，但其抗弯承载力为普通混凝土的113.20%，表明环氧涂层钢筋高耐久性混凝土梁的力学性能高于普通混凝土．b．GFRP筋高耐久性混凝土梁初裂荷载小于普通钢筋混凝土，呈突发状破坏，且挠度、应变曲线明显发生改变．最终，根据试验结果对梁正截面受弯承载力理论计算公式进行修正以减小计算误差．c．添加环氧涂层钢筋后高耐久性混凝土构件柱极限承载能力得到提高，为普通构件的111.74%，且破坏后承载能力下降较缓，变形较好．环氧涂层钢筋高耐久性混凝土梁柱具有良好的协同变形能力及力学性能．GFRP筋高耐久性混凝土柱呈突发状破坏，破坏后承载能力瞬时下降为极限承载力的20%以下．因此，环氧涂层钢筋高耐久性混凝土在南海基建中应大力推广使用．