鋼筋混凝土(Reinforced Concrete，RC)結構在海洋嚴酷環境下，長期遭受海水凍融、干濕交替、海浪沖刷、大氣碳化等環境及其耦合作用的影響。在這些復雜因素的共同作用下，結構內部材料會發生劣化現象，進而引起承載力退化，最終可能導致結構失效 。

　　對于 RC 結構在海洋環境下面臨的承載力退化問題，常用的研究方法主要包括室內試驗、現場暴露試驗和實際工程回訪。其中，室內試驗由于難以精準模擬實際自然環境，其研究成果存在一定的局限性。而 RC 構件現場暴露試驗能夠真實地反映結構的承載力退化規律，是研究因混凝土劣化與鋼筋銹蝕導致 RC 結構承載力退化的重要手段。它在室內試驗與實際工程之間起到了橋梁連接的作用。通過對 RC 構件的長期觀測，可以獲取與實際工程所處侵蝕環境相一致的混凝土劣化與鋼筋銹蝕后物理力學性能參數，從而建立 RC 結構承載力退化模型，以及確定或調整模型中的相關參數。現場暴露試驗不僅是對室內試驗成果的有效驗證，更是海洋工程中必不可少的基礎性研究工作。因此，開展 RC 構件的海洋長期現場暴露試驗來研究其承載力退化規律具有十分重要的意義。

　　由于開展 RC 構件海洋現場暴露試驗需要滿足選址、運輸和測試等條件，實現難度較高。國外雖早在 19 世紀初就開始了現場暴露試驗，但目前大部分現場暴露試驗的關注點集中在混凝土和鋼筋的材料性能劣化方面。例如，Poupard 等在英法邊界的 Rance′s 大壩附近與 Sainte Anne de Portzic 進行了預應力鋼筋混凝土梁 40a 的現場暴露試驗，Tang 等在瑞典西海岸 Träslövsläge 進行了 RC 板 21a 現場暴露試驗，這些試驗均未測試 RC 構件承載力劣化情況。

　　我國也開展了 RC 構件在海洋環境下的現場暴露試驗，如冷發光等在天津大港進行了 RC 樁現場暴露試驗，范志宏等在廣東湛江港進行了 RC 梁現場暴露試驗，李震等在海南八所港進行了 RC 試件現場暴露試驗。然而，這些研究人員的關注點同樣在材料劣化方面。在南海高溫、高濕、高鹽且天氣惡劣的氣候條件下，RC 結構面臨著嚴峻的耐久性劣化問題，但相關結構承載力退化研究報道較少。

　　為研究熱帶海洋嚴酷環境下 RC 結構承載力退化規律，本課題組在南海某島進行了現場暴露試驗。將 C50、C80 強度等級的 RC 構件分別置于水下區、潮汐區、浪濺區與大氣區進行現場暴露。通過對水下區暴露 3.5a 后 RC 構件進行材料物理力學性能與構件承載力測試，系統分析了 RC 構件受海水長期侵蝕后混凝土劣化和鋼筋銹蝕后物理力學性能變化，包括總氯離子含量分布、混凝土抗壓強度、混凝土相對動彈性模量、鋼筋失重率，并通過加載破壞試驗得到了梁受彎極限承載力與柱大偏心受壓極限承載力，對構件的混凝土損傷、鋼筋銹蝕狀態、抗裂與承載力性能進行評估，旨在為熱帶海洋環境下 RC 結構的耐久性設計與施工驗收規范提供可靠的驗證依據。

　　1 試驗概況

　　1.1 原材料

　　采用 P・I 52.5 水泥、河沙、石灰巖碎石與玄武巖碎石、S95 級礦粉、硅灰、PCA-(I) 聚羧酸高性能減水劑與自來水。混凝土基礎設計強度為 C50 與 C80，給出了詳細配合比與基礎力學性能。試驗采用多種鋼筋型號，列出了鋼筋的直徑、實測屈服強度、極限抗拉強度與伸長率。

　　1.2 RC 構件設計與制作

　　RC 梁橫截面為矩形，給出配筋信息;RC 柱橫截面為矩形，按對稱配筋，給出配筋信息。RC 構件的混凝土保護層厚度為 25mm。先制作鋼筋籠和木模具，再按步驟攪拌、澆筑、養護混凝土構件，養護完成后分成基準組和暴露組。

　　1.3 試驗與測試方法

　　在南海某島建立熱帶海洋混凝土暴露站，試驗環境包括水下區、潮汐區、浪濺區與大氣區。將 RC 構件分別在 4 個試驗環境進行現場暴露，3.5a 后回收水下區 RC 構件進行各項測試。

　　1.3.1 氯離子含量測試：在 RC 構件底面中部區域，沿滲透面垂直方向逐層鉆取混凝土粉末樣品，按規范測試總氯離子含量，得到其隨擴散深度的分布。

　　1.3.2 回彈值與超聲波測試：按規程對 RC 構件分區進行混凝土超聲波測試與回彈值測試，計算混凝土的相對動彈性模量、抗壓強度、軸心抗壓強度與軸心抗拉強度。

　　1.3.3 RC 梁受彎測試：RC 梁加載按標準執行，通過分配梁在計算跨度的 1/3 處施加 2 個集中荷載，測試過程中采用多種儀器監測應力、應變、裂縫和變形等，根據理論模型驗證 RC 梁開裂彎矩、極限彎矩與最大裂縫寬度。

　　1.3.4 RC 柱大偏心受壓測試：RC 柱大偏心受壓加載按標準執行，設置偏心距，使用多種儀器監測相關數據，根據理論模型驗證試驗柱的開裂荷載與極限荷載。

　　2 結果與討論

　　2.1 混凝土中氯離子擴散行為

　　C50 構件與 C80 構件混凝土中氯離子擴散深度相近，但同一擴散深度下，C50 構件混凝土中氯離子含量均明顯高于 C80 構件。C80 混凝土因更高密實度和更低孔隙率對氯離子滲透阻礙更大。C50 構件中鋼筋表面氯離子含量均高于鋼筋腐蝕臨界值，鋼筋大概率已發生腐蝕;C80 梁中鋼筋表面氯離子含量小于臨界值，可能未發生腐蝕;C80 柱中鋼筋表面氯離子含量大于臨界值，鋼筋發生腐蝕概率較大。

　　2.2 混凝土相對動彈性模量與抗壓強度衰減

　　所有 RC 構件的混凝土相對動彈性模量值均下降，表明混凝土結構出現損傷，C80 構件內部可能已出現微裂紋。C50 梁與柱中混凝土動彈性模量年均降幅大于 C80 梁與柱，C50 混凝土抗壓強度年均降幅也大于 C80 混凝土。說明混凝土強度等級越高，RC 構件受海水長期侵蝕后混凝土的相對動彈性模量與抗壓強度下降速度越小，構件中混凝土劣化速度降低。

　　2.3 RC 構件中鋼筋拉伸性能退化

　　從 C50 強度等級的 B3 與 C3 中取出的受拉筋表面有大量銹跡和坑蝕，C80 強度等級的 B4 與 C4 中受拉筋表面完好。C50 構件中鋼筋的失重率、屈服強度、極限抗拉強度和伸長率均出現下降，C80 構件中鋼筋的物理力學性能與暴露試驗前基本相同。

　　2.4 RC 梁受彎正截面承載力退化

　　2.4.1 平截面假定驗證：隨著彎矩增加，RC 梁橫截面中性軸向受壓區移動，且混凝土應變與截面高度基本呈線性關系，說明 RC 梁橫截面保持平面，滿足平截面假定。

　　2.4.2 撓度與裂縫：所有 RC 梁加載過程中撓度變化有彈性階段和強化階段，受海水長期侵蝕后，RC 梁剛度下降，表現為受彎極限狀態下撓度增大，C50 梁較 C80 梁剛度下降明顯。經暴露試驗后，RC 梁平均裂縫間距增大，C50 梁最大裂縫寬度增大，C80 梁最大裂縫寬度無明顯變化。

　　2.4.3 正截面受彎承載力退化：經現場暴露后，C50 梁開裂彎矩、極限彎矩與最大裂縫寬度均下降，C80 梁開裂彎矩與極限彎矩也下降，但 C80 梁抗裂性能與受彎承載力退化速度較 C50 梁慢。

　　2.5 RC 柱大偏心受壓正截面承載力退化

　　2.5.1 平截面假定驗證：隨著豎向荷載增加，RC 柱橫截面中性軸向受壓區移動，混凝土應變與截面高度基本呈線性關系，說明 RC 柱橫截面在大偏心受壓過程中基本滿足平截面假定。

　　2.5.2 撓度與裂縫：C80 柱荷載 - 撓度曲線呈 3 個發展階段，C50 柱呈 2 個發展階段。經暴露試驗后，RC 柱剛度下降，C50 柱較 C80 柱剛度下降明顯。RC 柱平均裂縫間距增大，C50 柱最大裂縫寬度增大，C80 柱最大裂縫寬度無明顯變化。

　　2.5.3 正截面受壓承載力退化：經現場暴露試驗后，RC 柱在大偏心受壓條件下正截面抗裂性能與極限受壓承載力均小幅退化，C80 柱抗裂性能與極限受壓承載力退化速度較 C50 柱慢。

　　通過對 RC 梁、柱構件正截面承載力退化分析可知，鋼筋未銹蝕前，混凝土損傷劣化導致構件承載力下降;鋼筋銹蝕后，混凝土抗壓強度下降、構件整體剛度下降和鋼筋截面積減少共同導致構件承載力下降。

　　3 結論

　　(1)經南海水下區現場暴露 3.5a 后，RC 構件中混凝土的動彈性模量與抗壓強度出現下降，C80 混凝土的劣化速度明顯低于 C50 混凝土;

　　(2)保護層厚度為 25mm 時，C50 構件中鋼筋已發生銹蝕，C80 構件內部鋼筋未發生銹蝕;

　　(3)受海水長期侵蝕，在受彎條件下，RC 梁的抗裂彎矩與極限受彎承載力均下降，C50 梁的抗裂性能與極限受彎承載力退化速度明顯較 C80 梁快;

　　(4)受海水長期侵蝕，在大偏心受壓條件下，C50 柱的抗裂荷載與極限抗壓承載力出現一定程度下降，C80 柱僅極限抗壓承載力出現輕微下降，C50 柱的抗裂性能與極限抗壓承載力退化趨勢較 C80 柱明顯。

朱海威;余紅發;麻海燕;達 波;范志宏;楊海成;楊禮明,中交四航工程研究院有限公司;南京航空航天大學;廣西交通設計集團有限公司,202404