浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2023, 57(1): 111-121 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.01.012

土木工程

盐渍土环境下聚丙烯纤维混凝土柱抗震性能

鲁海波,, 张广泰,, 刘诗拓, 李雪藩, 韩霞

1. 新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046

2. 新疆建筑结构与抗震重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046

Seismic behavior of polypropylene fiber concrete column in saline soil environment

LU Hai-bo,, ZHANG Guang-tai,, LIU Shi-tuo, LI Xue-fan, HAN Xia

1. College of Civil Engineering and Architecture, Xinjiang University, Urumqi 830046, China

2. Xinjiang Key Laboratory of Building Structures and Earthquake Resistance, Urumqi 830046, China

通讯作者: 张广泰，男，教授．orcid.org/0000-0003-2915-7899. E-mail： zgtlxh@126.com

收稿日期: 2021-10-4  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51968070)

Received: 2021-10-4  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51968070)

作者简介 About authors

鲁海波（1997—），男，硕士生，从事新型混凝土材料的研究.orcid.org/0000-0002-0009-3919.E-mail：1550185515@qq.com , E-mail：1550185515@qq.com

摘要

为了研究盐渍土环境耦合荷载下聚丙烯纤维锂渣混凝土（PLiC）柱的抗震性能，以侵蚀天数、轴压比、耦合应力比为主要变量，设计并制作8根PLiC柱试件和3根钢筋混凝土（RC）柱试件. 采用8.3%（质量分数）NaCl+10%（质量分数）Na2SO4的溶液，浸泡施加持续荷载后的试件. 在浸泡侵蚀完成后，分别对11根试件进行低周往复循环荷载试验，分析各试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性及刚度退化等，明确PLiC柱和RC柱在不同变量下延性及耗能能力的变化规律. 结果表明，PLiC柱的耐盐渍土侵蚀性能优于RC柱. 随着侵蚀时间的增加，PLiC柱和RC柱耗能能力均出现先下降后上升的趋势，延性均持续下降，PLiC柱的下降幅值小于RC柱. 当轴压比从0.2增加至0.3时，PLiC柱在相同加载位移时的总耗能增大. 随着耦合应力比的增大，试件的耗能、刚度退化均呈现下降的趋势.

关键词： 盐渍土环境耦合荷载作用 ; 聚丙烯纤维锂渣混凝土（PLiC） ; 低周往复荷载 ; 抗震性能

Abstract

Eight polypropylene fiber lithium slag concrete (PLiC) columns and three reinforced concrete (RC) columns were designed and manufactured with the days of erosion, axial compression ratio and coupling stress ratio as the main variables in order to analyze the seismic performance of PLiC columns under coupled loads in saline soil environment. A solution with a mass fraction of 8.3% NaCl+10% Na2SO4 was used to soak the specimens after applying a continuous load. Eleven specimens were subjected to low-cycle cyclic load tests respectively, and the failure modes, hysteresis curves, skeleton curves, ductility and stiffness degradation of each specimen were analyzed after the immersion erosion was completed. The variation rules of ductility and energy dissipation capacity of PLiC column and RC column under different variables were clarified. Results show that PLiC column is better than RC column in salt soil erosion resistance. The energy dissipation capacity of PLiC column and RC column decreases firstly and then increases with the increase of erosion time, and ductility continuously decreases, while the decreasing amplitude of PLiC column is smaller than that of RC column. The total energy dissipation of PLiC column increases with the same loading displacement when the axial compression ratio increases from 0.2 to 0.3. The energy dissipation and stiffness degradation of the specimen decrease with the increase of coupling stress ratio.

Keywords： coupled loads in saline soil environment ; polypropylene fiber lithium slag concrete (PLiC) ; low-cycle cyclic load ; seismic performance

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本文引用格式

鲁海波, 张广泰, 刘诗拓, 李雪藩, 韩霞. 盐渍土环境下聚丙烯纤维混凝土柱抗震性能. 浙江大学学报(工学版)[J], 2023, 57(1): 111-121 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.01.012

LU Hai-bo, ZHANG Guang-tai, LIU Shi-tuo, LI Xue-fan, HAN Xia. Seismic behavior of polypropylene fiber concrete column in saline soil environment. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2023, 57(1): 111-121 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.01.012

混凝土作为建筑的主要材料，在各环境因素的长时间作用下，出现氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀等耐久性问题，导致结构的承载能力及抗震性能降低[1-2]. 我国西北地区的土地盐渍化较严重，盐渍土环境对混凝土结构的耐久性能影响较大，承载能力随着侵蚀时间的增长呈下降趋势[3-5]，盐渍土侵蚀加快了结构在地震作用下的破坏. 新疆作为高烈度设防区，在地震和盐渍土共同作用下结构的稳定性及耐久性问题较突出. 权长青等[6-11]的研究表明，聚丙烯纤维的掺入能够有效地抑制混凝土裂缝开裂宽度，提高混凝土结构的抗拉、抗弯、抗折和抗渗性能；锂渣作为工业废料，掺入混凝土中能够废物利用、节约水泥，锂渣在混凝土中的二次水化产物能够提高混凝土的密实度[12]，改善混凝土的性能. 聚丙烯纤维和锂渣作为新型材料掺入混凝土中，研究其抗震性能及抗盐渍土的侵蚀性能，为推广聚丙烯纤维锂渣混凝土在工程中的应用有重要意义.

国内外学者针对混凝土掺入聚丙烯纤维和锂渣以及环境侵蚀耐久性损伤，已做出相关研究. 针对盐渍土对混凝土侵蚀的耐久性问题，冷发光等[13-15]根据滨海盐渍土及青海、新疆和内蒙古等地内陆盐渍土对混凝土的侵蚀作了相关研究. 结果表明，滨海盐渍土和内陆盐渍土对混凝土结构的损伤具有相似的结果，在构件表面有较多硫酸盐侵入混凝土产生的钙矾石膨胀结晶物，在结构表面出现较多混凝土受侵蚀剥落的现象，导致承载能力下降. 矿物掺合料锂渣中的成分对水泥的水化有着促进作用，活性较低的成分在混凝土中填充孔隙，提高了混凝土的力学性能[16]和抗盐侵蚀能力[17]. 针对聚丙烯纤维的研究开展较多，对纤维增强混凝土节点和柱构件的抗震性能研究[18-19]结果表明，聚丙烯纤维的加入，提高了混凝土试件的抗震性能，例如耗能及延性，在破坏时能够减少混凝土的剥落，保证构件的完整性. 通过试验[20]和数值模拟[21]聚丙烯纤维混凝土框架结构的抗震性能，研究表明，聚丙烯纤维的掺入能够提高框架结构的变形能力和抗震性能. 现有的研究主要是针对锂渣混凝土或者聚丙烯纤维混凝土构件力学性能的研究，对盐渍土环境下聚丙烯纤维锂渣混凝土柱的抗震性能研究较少.

本文以轴压比、侵蚀时间、耦合荷载为主要变量，设计PLiC柱和RC柱共11根，采用自然浸泡的方式对构件进行加速盐渍土侵蚀，通过低周往复荷载试验，研究盐渍土环境耦合荷载下PLiC柱和RC柱的抗震性能. 根据滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力等指标，探究试验柱在不同变量下抗震性能退化的规律. 对聚丙烯纤维锂渣混凝土在西北盐渍土地区的工程应用与发展提出理论建议.

1. 试验概况

1.1. 试件设计

以盐渍土溶液侵蚀时间、轴压比、耦合应力比为主要变量，制作PLiC柱和RC柱共11根. 施加荷载是为了模拟构件在实际工程中的受力状态，在构件养护完毕后，采用荷载装置对构件施加荷载. 耦合应力比为耦合荷载与该工况下最大轴压力的比值.

$ {D_\sigma } = N / (0.3 {f_{\rm{c}}} A) . $

式中：Dσ为耦合应力比；N为耦合荷载； $ 0.3 {f_{\rm{c}}} A $为当轴压比为0.3时柱子所受的轴力，其中fc为混凝土轴心抗压强度的设计值，A为截面面积.

提高盐溶液浓度，达到加速侵蚀的效果. 本试验浸泡方式采用自然浸泡法，盐溶液浓度依据对新疆地区盐渍土的分布情况[22]及《岩土工程勘察规程》中对氯离子浓度与硫酸根离子浓度比值的要求，采取质量分数为8.3%的NaCl+质量分数为10%的Na2SO4进行配制. 按照规范要求设计并制作构件柱，浇筑构件时采用2次浇筑的方式. 第1次浇筑柱子主体部分，预留钢筋锚固长度，满足第2次浇筑的嵌固要求. 养护28 d后，对柱子施加轴向荷载，以模拟实际工程中柱子的受力情况，并置于盐渍土溶液中浸泡，构造盐渍土和荷载2种工况共同作用的环境. 在达到预期侵蚀时间后，制作基座，完成第2次浇筑. 试件的几何尺寸如图1所示，主要参数如表1所示. 表中，n为轴压比，t为侵蚀时间，PLiC表示聚丙烯纤维锂渣混凝土，RC表示普通混凝土. 荷载装置及盐溶液环境耦合荷载如图2所示.

图 1

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图 1   试件的几何尺寸及配筋详图

Fig.1   Detailed drawing of specimen geometry and reinforcement


表 1   构件的主要参数

Tab.1  Parameters of test specimens

试件编号 Dσ n t/d
RC-0-0.2-0 0 0.2 0
PLiC-0-0.2-0 0 0.2 0
PLiC-0-0.3-0 0 0.3 0
RC-0.2-0.2-90 0.2 0.2 90
PLiC-0.2-0.2-90 0.2 0.2 90
PLiC-0.2-0.3-90 0.2 0.3 90
PLiC-0.1-0.2-90 0.1 0.2 90
PLiC-0.35-0.2-90 0.35 0.2 90
RC-0.2-0.2-180 0.2 0.2 180
PLiC-0.2-0.2-180 0.2 0.2 180
PLiC-0.2-0.3-180 0.2 0.3 180

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图 2

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图 2   荷载装置及盐溶液耦合荷载的示意图

Fig.2   Schematic diagram of load device and salt solution coupled load


1.2. 试验材料

试验采用乌鲁木齐红雁池水泥厂P·O 42.5水泥、粒径为5~25 mm的连续级配卵石、聚羧酸减水剂、江苏苏博特公司生产的润强丝抗裂防渗纤维I型聚丙烯纤维. 依据团队的前期研究，选取聚丙烯纤维体积分数为0.109 2%，锂渣采用等质量取代的方式，取代水泥. 混凝土配比如表2所示. 表中， $\varphi _{\rm{p}} $为聚丙烯体积分数， $\varphi _{\rm{l}} $为锂渣体积分数，ρc、ρg、ρs、ρw、ρr分别为水泥、石子、砂、水、减水剂的质量浓度. 锂渣为乌鲁木齐锂业厂生产锂盐的工业废料，取代部分水泥材料，从而节约水泥用量，成分如表3所示. 聚丙烯纤维的参数如表4所示. 表中，D为直径，ρ为密度，l为长度，e为弹性模量，Rm为抗拉强度.

表 2   混凝土的配合比

Tab.2  Mix propotion of concrete

试块
种类 		$\varphi_{\rm{p}} $/% $\varphi _{\rm{l}} $/% ρc/
(kg·m−3) 		ρg/
(kg·m−3) 		ρs/
(kg·m−3) 		ρw/
(kg·m−3) 		ρr/
(kg·m−3)
RC 0 0 261 1360 657 98.4 2.6
PLiC 0.1092 20 209 1360 657 98.4 2.6

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表 3   锂渣的化学成分

Tab.3  Chemical composition of lithium slag %

化学成分 wB 化学成分 wB
SiO2 54.39 SO3 8.30
Li2O 0.77 Na2O 0.26
MgO 0.24 Fe2O3 1.40
K2O 0.14 Al2O3 19.83
CaO 7.98 — —

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表 4   聚丙烯纤维的物理性能

Tab.4  Physical properties of polypropylene fiber

纤维类型 D/μm ρ/(g·cm−3) l/mm e/GPa Rm/MPa
聚丙烯 33 0.91 19 > 3.5 530

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1.3. 加载装置与加载制度

该实验轴向采用滚轴千斤顶施加竖向荷载，水平向循环荷载采用杭州邦威多通道协调加载系统加载装置，试验加载装置及加载图如图3所示. 柱顶轴向按照预定荷载施加竖向力，达到目标荷载后保持恒定；柱端水平向加载低周往复荷载，采用位移加载的方式. 以0.125%的位移角进行预加载一次，保证试件各部分接触良好. 正式加载以位移角增量（0.25%）的方式加载，每级位移往复加载2次，直至试验结束.

图 3

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图 3   加载装置

Fig.3   Loading device


2. 试验现象及分析

2.1. 盐渍土侵蚀

混凝土柱经过盐渍土环境耦合荷载作用后，试件表面出现不同程度的损伤状况. 如图4所示为PLiC柱和RC柱经过180 d浸泡后柱体表面的侵蚀情况. 侵蚀180 d后，RC柱表面呈现大量硫酸盐与氯盐对混凝土侵蚀的产物，同时伴有蚀坑及少量混凝土掉落. PLiC柱体表面出现大量侵蚀产物，无明显的蚀坑和混凝土掉落，可知，加入聚丙烯纤维和锂渣的混凝土柱的抗盐侵蚀能力更好. 锂渣的加入，能够提高混凝土的抗侵蚀能力，原因如下. 1）锂渣中存在锂辉石和石英的细小颗粒填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土更加密实；2）锂渣中石膏、硫酸盐促进了水化反应，锂渣火山灰反应生成较多的C-S-H，提高了混凝土结构的耐久性[23]. 在盐渍土的侵蚀过程中，硫酸盐进入混凝土中与水泥水化产物形成硅灰石膏(THa)和CaSO4·2H2O、碳硫酸钙[24]等侵蚀产物，由于其体积膨胀较明显，导致混凝土松散脱落. 氯盐对结构的破坏主要体现在对钢筋的锈蚀，导致结构性能退化. 由于锂渣的二次水化产物填充较多的混凝土孔隙，没有大量硫酸盐侵蚀混凝土剥落的现象，减少了氯盐的入侵途径，降低了钢筋锈蚀的概率. 在试验结束后，由裸露的钢筋可知，RC柱的钢筋出现少量的锈斑，PLiC柱的钢筋未出现明显的锈蚀现象.

图 4

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图 4   盐溶液侵蚀后的RC柱和PLiC柱表面

Fig.4   RC column and PLiC column surfaces after salt solution erosion


2.2. 试验破坏形态

RC柱破坏时出现明显的压溃，裂缝数量较少，混凝土剥落现象较严重. PLiC柱破坏时，混凝土多处出现压溃，出现较多数量的裂缝，无混凝土大面积剥落的现象. 由于聚丙烯纤维在混凝土中的桥接作用，能够有效地增大结构变形能力，出现多而密的细小裂缝，减缓试件破坏，提高试件的耗能能力，如图5所示为构件裂缝图.

图 5

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图 5   RC柱和PLiC柱的裂缝图

Fig.5   Crack distribution of RC column and PLiC column


当应力比和轴压比相同时，盐溶液侵蚀时间越长，构件破坏时的混凝土剥落概率越大，RC柱随侵蚀时间的剥落越严重，如图5(a)~(c)所示. 侵蚀180 d时，构件在破坏时混凝土大面积剥落. 由于硫酸盐溶液在混凝土中与水泥的水化产物发生侵蚀，使得混凝土内部结构产生劣化，变得蓬松，当受到外力时，容易发生剥落. 同种工况下的PLiC柱的破坏形态如图5(d)、(h)、(i)所示，PLiC柱破坏时未出现大面积混凝土剥落的现象. 由于聚丙烯纤维在混凝土中的桥联作用，混凝土出现裂缝较多，混凝土剥落现象较RC柱明显减少. 由于锂渣和水泥产物的水化反应先于硫酸盐的侵蚀，生成较多的C-S-H，消耗了大量的CH，减小了结构的孔隙率，降低了硫酸盐侵蚀的程度[23].

轴压比不同、盐溶液侵蚀时间和耦合应力比相同的PLiC柱如图5(d)、(e)、(h)~(k)所示. PLiC柱的轴压比从0.2增大至0.3，构件的变形能力有所降低，破坏时裂缝数量减少，大多数构件在加载过程中原有裂缝宽度不断扩大，少有新裂缝产生. 轴压比越大，构件产生裂缝需要消耗更多的能量，故在相同的加载位移下，轴压比为0.3的PLiC柱耗能能力及承载力更大. 轴压比为0.2的PLiC柱裂缝数量更多，极限位移更大，变形能力更好.

侵蚀时间和轴压比相同的PLiC柱如图5(f)~(h)所示，随着耦合应力比的增加，混凝土剥落愈加严重. 耦合应力过大，混凝土内部初始裂缝会扩大，因此盐溶液侵蚀的途径和概率会增大，侵蚀后的混凝土变得松散，导致加载过程中混凝土易出现压酥、脱落.

3. 试验结果分析

3.1. 滞回曲线

在试验过程中，记录各试件的水平荷载P-位移Δ的滞回曲线如图6所示. 滞回曲线记录试件在加载过程中水平位移与水平荷载的对应关系. 滞回曲线有以下特点.

图 6

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图 6   RC柱和PLiC柱的滞回曲线

Fig.6   Hysteresis curves of RC column and PLiC column


1）试验刚开始时，各构件处于弹性阶段，残余变形较小，滞回环狭长. 随着试验的不断进行，试件逐渐屈服，残余变形随着加载过程不断增大，滞回环面积大幅增加. 在加载后期，过峰值点后，残余变形较大，各级加载循环下峰值荷载降低，但是滞回环更加饱满，面积更大，耗能更多. 锂渣的水化使得混凝土更密实，聚丙烯纤维在混凝土中的桥联作用使得PLiC柱的承载力和变形能力优于RC柱.

2）当应力比和轴压比相同时，如图6(d)~(i)所示. 轴压比为0.2的RC柱的3个滞回曲线存在明显的“捏缩”现象，侵蚀90 d后，试件的滞回曲线呈现倒“S”形. 由于聚丙烯纤维的掺入提升了混凝土的变形能力，在不同的侵蚀时间下，PLiC柱轴压比为0.2的试件较RC柱的滞回曲线更加饱满，曲线包围的面积更大，耗能能力明显提升.

3）应力比和侵蚀时间相同的PLiC柱如图6(a)~(f)所示. 当轴压比为0.2时，不同侵蚀时间的3个滞回曲线较饱满；当轴压比为0.3时，滞回曲线呈现高而狭长的特点，下降段较短、下降速率较快，延性明显降低. 轴压比为0.3的PLiC柱在相同侵蚀时间时的承载力更高，相同加载位移时的耗能更大. 轴压比增大，构件发生相同的位移需要消耗更多的能量，故承载力及耗能更大. 轴压比增大，导致构件内部裂缝发展较快，加速了破坏过程，滞回曲线下降段呈现短而陡的特点.

4)轴压比和侵蚀时间相同的PLiC柱如图6(e)、(j)、(k)所示. 耦合应力对试件的承载能力影响较小，但是变形性能呈下降趋势. 耦合荷载较小，能够使混凝土构件的内部孔隙和细小裂缝闭合，减缓盐溶液对混凝土构件的侵蚀. 耦合应力比为0.1时的滞回曲线较耦合应力比为0.2和0.35时更加饱满，滞回曲线下降段缓而长，表现出较好的耗能能力和变形能力.

3.2. 骨架曲线

试件的骨架曲线是滞回曲线的外包络线，即各级加载下滞回环峰值的连线，如图7所示. 各试件的骨架曲线特征如下.

图 7

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图 7   RC柱和PLiC柱的骨架曲线

Fig.7   Skeleton curves of RC column and PLiC column


1）在加载初期，骨架曲线呈现明显的线性，循环加载时没有明显的刚度损伤. 随着试验的不断进行，试件出现开裂、屈服，骨架曲线出现倾斜，在循环加载过程中，刚度出现退化. 在超过峰值荷载后，骨架曲线平缓下降. 正反向加载，骨架曲线基本处于对称.

2）轴压比和应力比相同的RC柱和PLiC柱如图7(a)所示. 轴压比为0.2的RC柱和PLiC柱的骨架曲线出现相同的变化规律，在侵蚀90 d后的骨架曲线和极限承载力低于侵蚀0 d和180 d, 其中PLiC柱的骨架曲线在侵蚀90 d后的浮动幅度与RC柱相比较小. 由于水泥在初期强度较高，前期水化反应的正效应小于硫酸盐的侵蚀负作用，对构件造成损伤. 随着后期水化作用的不断开展，构件内部不断密实，侵蚀180 d后的构件承载力略大于侵蚀90 d时的承载力. 锂渣对水泥水化反应的促进及锂渣的二次水化反应，抵消了部分硫酸盐对混凝土的侵蚀负效应，故PLiC柱在侵蚀90 d时的骨架曲线相对于0 d和180 d时下降较小.

3）应力比相同、轴压比不同的PLiC柱如图7(b)所示. 当轴压比由0.2增大到0.3时，承载力最大提高了31%. 由于轴压比增大，刚度有所提升，构件破坏需要消耗更多的能量，导致承载力提升较高. 轴压比增大使得裂缝发展较快，加速了构件的破坏，骨架曲线超过峰值后下降速率较快.

4）轴压比和侵蚀时间相同的PLiC柱如图7(c)所示. 不同耦合应力比下构件骨架曲线的变化趋势和承载力变化较小，其中耦合应力比为0.1的PLiC柱的骨架曲线更平滑. 当耦合应力比为0.1时，混凝土内部孔隙和裂缝闭合，减少了盐溶液的侵蚀作用.

3.3. 延性

延性是表征混凝土柱抗震性能的重要指标，反映了混凝土柱的变形能力和抗震性能. 采用能量等值法计算试件的屈服点的荷载及位移，破坏点取峰值荷载退化至85%时对应的荷载及位移. 延性系数μ 的计算式为

$ \mu {\text{ = }}\frac{{{\varDelta _{\text{u}}}}}{{{\varDelta _{\text{y}}}}} . $

式中：Δy、Δu为屈服点和破坏点对应的位移.

计算结果如表5所示. 表中，Py为屈服荷载，Pmax、Δmax分别为最大荷载和最大位移，Pu为破坏荷载. 当RC柱和PLiC柱的轴压比和耦合应力比相同时，两者都呈现出随着侵蚀时间的增长，延性逐渐降低的趋势. 侵蚀0、90、180 d时，轴压比为0.2的PLiC柱比RC柱的延性提高了18.2%、13.2%、9.7%. 轴压比从0.2增大到0.3，PLiC柱的延性降低了10.97%、35.8%、53.2%. 当轴压比与侵蚀时间相同时，耦合应力比为0.1的PLiC柱的延性较耦合应力比为0.2和0.35的PLiC柱提高了7.36%、25%. 聚丙烯纤维在混凝土受拉开裂过程中起到桥联作用并承担部分剪力，构件屈服后，随着加载的持续进行，出现大量的细小裂缝. 在裂缝中可以看到纤维连接裂缝两边的混凝土，纤维的桥联作用提高了混凝土的抗拉性能和延性.

表 5   构件的延性系数

Tab.5  Ductility coefficient of specimens

试件编号 方向 Py/kN Δy/mm Pmax/kN Δmax/mm Pu/kN Δu/mm μ
RC-0.2-0 反向 87.95 13.18 95.6 24.80 81.26 32.98 2.97
RC-0.2-0 正向 82.29 8.847 94.2 19.30 80.03 30.33 2.97
PLiC-0-0.2-0 反向 91.44 13.68 96.9 19.25 82.37 37.04 3.54
PLiC-0-0.2-0 正向 77.42 7.01 88.7 11.00 75.40 30.62 3.54
PLiC-0-0.3-0 反向 84.00 11.00 92.8 33.00 92.80 33.00 3.19
PLiC-0-0.3-0 正向 103.96 9.74 116.2 16.50 98.10 33.00 3.19
RC-0.2-0.2-90 反向 75.63 14.80 85.5 33.10 72.67 41.36 2.88
RC-0.2-0.2-90 正向 68.65 12.26 78.7 16.54 66.90 36.41 2.88
PLiC-0.1-0.2-90 反向 96.50 12.22 102.8 18.99 87.37 41.17 3.50
PLiC-0.1-0.2-90 正向 83.95 8.70 100.3 16.58 85.25 31.59 3.50
PLiC-0.2-0.2-90 反向 76.42 8.21 85.7 13.79 78.20 31.59 3.26
PLiC-0.2-0.2-90 正向 81.75 12.57 94.5 21.96 80.20 33.63 3.26
PLiC-0.35-0.2-90 反向 88.13 14.23 95.00 30.25 89.70 44.00 2.80
PLiC-0.35-0.2-90 正向 85.83 14.02 104.4 19.25 88.74 35.27 2.80
PLiC-0.2-0.3-90 反向 81.67 11.95 95.9 24.75 87.20 35.75 2.40
PLiC-0.2-0.3-90 正向 89.37 19.76 107.3 27.50 101.50 35.75 2.40
RC-0.2-0.2-180 反向 82.34 15.01 100.0 24.82 85.00 36.57 2.83
RC-0.2-0.2-180 正向 83.96 8.45 100.4 16.14 85.34 29.06 2.83
PLiC-0.2-0.2-180 反向 82.35 17.64 98.1 41.45 96.70 47.10 3.11
PLiC-0.2-0.2-180 正向 81.53 10.04 93.5 16.40 80.33 35.71 3.11
PLiC-0.2-0.3-180 反向 89.20 11.09 101.8 19.25 86.53 20.46 2.03
PLiC-0.2-0.3-180 正向 102.51 9.75 118.0 13.75 100.3 21.55 2.03

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3.4. 耗能能力

耗能性能是表征结构抗震性能的关键指标，在往复荷载单次作用下形成滞回环，所包围的面积为单次加载下构件所消耗的能量. 累计耗能E表征了构件在整个加载阶段的耗能，是表示构件耗能能力的重要指标之一. 不同工况下构件的累积耗能比较如图8所示.

图 8

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图 8   RC柱和PLiC柱的耗能曲线

Fig.8   Energy consumption curves of RC column and PLiC column


1）耦合应力比和轴压比相同的RC柱和PLiC柱如图8（a）所示. 硫酸盐侵蚀对RC柱的影响较大，相较于侵蚀0 d时，侵蚀90 d时的耗能降低了26.6%，180 d时的耗能降低了8.1%. PLiC柱侵蚀90 d时的耗能较侵蚀0 d时降低了14.8%，较侵蚀180 d时降低了5.2%. 由此可知，PLiC柱的耗能变化幅度较小. 在相同的侵蚀时间和加载位移下，RC柱和PLiC柱的耗能能力差别较小，但是PLiC柱的总耗能明显大于RC柱，表明同种工况下PLiC柱有良好的耗能能力和变形.

2）耦合应力比相同、轴压比不同的PLiC柱如图8(b)所示. 在侵蚀时间和加载位移相同的条件下，轴压比为0.3的PLiC柱的耗能相对较高，由于轴压比增大，构件刚度有所增加，加载至相同位移须消耗更多的能量. 轴压比为0.2的PLiC柱变形能力好，总耗能在各侵蚀阶段均最大，在侵蚀0、90、180 d时的总耗能较轴压比为0.3的PLiC柱分别增加了2.3%、27.38%、394.9%. 聚丙烯纤维的加入增强了结构的延性，增大了构件加载位移，提高了总耗能.

3）轴压比和侵蚀时间相同的PLiC柱如图8(c)所示. 未侵蚀的PLiC柱与耦合应力比为0.1的PLiC柱侵蚀90 d时的耗能差别较小，由于施加少量的荷载，使得混凝土内部的细小孔隙和裂缝闭合，降低了盐溶液的侵蚀概率. 随着耦合应力比的增加，试件的耗能呈下降趋势. 当加载至38.5 mm位移时，耦合应力比为0.1、0.2、0.35的PLiC柱的耗能较未侵蚀的PLiC柱降低了1.48%、14.86%、18.76%.

3.5. 刚度退化

构件在水平往复荷载作用下，增大加载循环次数，构件的承载力和刚度均出现退化的现象. 采用割线刚度K表征构件在加载过程中的退化，计算公式为

$ {K_i} = \frac{{\left| {P_i^+} \right|+\left| {P_i^ - } \right|}}{{\left| {\varDelta _i^+} \right|+\left| {\varDelta _i^ - } \right|}}. $

式中：Ki为第i次循环时构件的刚度，Pi+、Pi−为第i次循环时的正反向峰值荷载，Δi+、Δi−为相应位移.

1）如图9（a）所示，轴压比和耦合应力比相同，RC柱和PLiC柱的刚度退化曲线较接近. PLiC柱的各侵蚀阶段刚度退化曲线变化较小，随着侵蚀时间的增长，构件的初始刚度有所增加，但是刚度退化速率较快. RC柱对盐溶液的侵蚀作用较敏感，侵蚀90 d时的刚度明显减小，退化速度较快. 聚丙烯纤维和锂渣的掺入提高了混凝土的抗侵蚀能力，减缓了盐渍土侵蚀下构件的刚度退化.

图 9

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图 9   RC柱和PLiC柱的刚度退化曲线

Fig.9   Stiffness degradation curves of RC column and PLiC column


2）耦合应力比相同、轴压比不同的PLiC柱如图9(b)所示. 轴压比增大，构件刚度有所增加，同时轴压比增大加快构件的破坏速度，刚度退化较快，曲线较陡. 如图9(b)所示，轴压比为0.3时各个侵蚀阶段的刚度退化曲线明显高于轴压比为0.2时的刚度退化曲线，但是轴压比为0.3时的刚度曲线呈现短而陡的现象.

3）轴压比和侵蚀时间相同的PLiC柱如图9（c）所示，当耦合应力比从0.1增大至0.2再到0.35时，侵蚀90 d后，构件的初始刚度随着耦合应力比的增大而减小. 耦合应力比为0.2和0.35的PLiC柱比耦合应力比为0.1的初始刚度降低了4.19%、22.85%.

4. 结　论

（1）在加载过程中，PLiC柱由于纤维的桥联作用，试件破坏时未出现大量混凝土剥落的现象，与RC柱相比，产生了更多的弥散小裂缝，减小了试件破坏时的裂缝宽度，提高了构件的变形能力和抗侵蚀能力.

（2）当轴压比相同时，PLiC柱和RC柱在侵蚀时间为0、90、180 d时的骨架曲线、耗能曲线及刚度退化曲线均呈现先下降后上升的现象. 轴压比为0.3的PLiC柱在相同加载位移下的耗能最大，轴压比为0.2的PLiC柱在相同侵蚀时间下的总耗能最大，与轴压比为0.2的RC柱和轴压比为0.3的PLiC柱相比，在不同侵蚀时间下延性最大提高了18.2%、53.2%.

（3）当轴压比和侵蚀时间相同时，耦合应力比为0.1、0.2和0.35的PLiC柱在耗能、刚度及延性等方面，随着耦合应力比的增加呈下降的趋势，其中延性下降了6.85%、20%.

（4）在相同的侵蚀时间下，轴压比为0.2的PLiC柱和RC柱的承载能力相差较小，PLiC柱的耗能性能明显提高. 当PLiC柱的轴压比从0.2增大至0.3时，承载能力和耗能能力明显提高，骨架曲线下降段较短且陡，不同侵蚀时间下的延性最高降低了34.73%.

（5）聚丙烯纤维和锂渣的掺入提高了混凝土柱的延性、耗能能力及抗盐侵蚀性能，本研究对锂渣和聚丙烯纤维在盐渍土地区的工程应用提供了理论依据.

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