《Case Studies in Construction Materials》：Effect of Reinforcement Corrosion on Punching Shear of RC Flat Slabs Incorporating Steel and Synthetic Fibers
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针对钢筋腐蚀导致的无梁楼板抗冲切承载力严重下降问题，本研究通过在大尺寸楼板中掺入钩端钢纤维（HES）或大分子合成纤维（MS），并对其施加加速腐蚀，系统评估了纤维对腐蚀引起的承载力与延性损失的缓解效果。结果表明，纤维能够有效延缓腐蚀开裂、限制裂缝宽度、控制保护层剥落，并显著提高峰后残余承载力与能量吸收，从而增强腐蚀环境中板-柱节点的抗冲切韧性。
在现代多高层建筑中，钢筋混凝土无梁楼板因其施工便利和空间利用率高而被广泛应用。然而，这种结构也存在一个致命的弱点：在板柱连接处可能发生突然的冲切剪切破坏，引发结构的连续性倒塌，历史上诸如1988年伊利诺伊州平板楼板倒塌和2021年迈阿密尚普兰大厦南塔的悲剧都为此敲响了警钟。更严峻的是，在海洋环境或使用除冰盐的地区，钢筋腐蚀是结构耐久性面临的主要威胁。腐蚀不仅会减少钢筋的有效截面积、削弱其与混凝土的粘结力，还会导致混凝土开裂、保护层剥落，从而严重降低结构的抗冲切承载力。研究表明，即使中等程度的腐蚀也可能导致承载力下降10%-20%，并且显著削弱结构的变形能力和延性。然而，目前的设计规范（如ACI 318和EC2）主要针对未腐蚀状态下的结构，对于腐蚀后性能的评估以及如何有效提升腐蚀环境下结构的韧性，仍缺乏明确的指导。为了探索一种可行的增强方案，研究人员将目光投向了纤维增强混凝土。离散纤维，尤其是钩端钢纤维和聚丙烯/聚乙烯大分子合成纤维，已被证明能够通过桥接裂缝、提供开裂后抗拉能力来显著提升混凝土的韧性和抗冲击能力。但一个关键问题尚待解答：在钢筋已经腐蚀的情况下，这些纤维还能否有效地抵消腐蚀带来的性能损失，维持甚至提升无梁楼板的冲切性能？这正是本研究所要探索的核心。
为了回答上述问题，研究人员开展了一项系统的实验研究。他们制作了12块尺寸为1500×1500×100毫米的大型钢筋混凝土平板试件。变量包括两种纤维类型：大分子合成纤维和钩端钢纤维，以及三种纤维掺量（按体积计0.5%、0.75%和1.0%），并设置了无纤维的对照组。对于每种配置，分别测试一个未腐蚀试件和一个腐蚀后试件。腐蚀过程采用了加速腐蚀制度：对钢筋施加500 μA/cm2的恒定电流，并在3.5% NaCl溶液中进行了为期36天、包含12次湿-干循环的腐蚀，目标是模拟约7%的钢筋质量损失。随后，所有试件均在中心加载下进行单调冲切剪切试验，以评估其承载能力、变形行为、能量吸收和破坏模式。
腐蚀损伤与裂缝发展
通过加速腐蚀制度，成功在钢筋上诱发了明显的腐蚀损伤，包括均匀腐蚀和浅层点蚀。纤维的掺入显著延缓了腐蚀的起始时间。与对照组在第12天检测到腐蚀电位突变相比，纤维试件的腐蚀起始被推迟，其中掺量为0.75%-1.0%的合成纤维试件延迟至第21天。这表明纤维通过桥接微裂缝、控制裂缝宽度，有效地阻碍了氯离子和氧气向混凝土内部的传输，从而延缓了腐蚀的启动。在腐蚀周期结束时，对照组试件底面出现了多条伴有锈迹的放射状裂缝，而纤维增强试件则仅出现细裂缝或无可见裂缝，且均未发生保护层剥落。在后续的单调加载试验中，腐蚀的对照组试件在柱周围出现了严重的保护层剥落，而纤维增强的腐蚀试件则保持了更好的完整性。合成纤维将剥落限制在冲切锥边缘的小区域内，钢纤维则表现出更轻微的剥落。所有试件均沿柱周围大致圆形的周界发生冲切破坏，腐蚀对破坏面积的影响甚微，纤维也未改变基本的破坏模式，但它们通过防止混凝土完全分离，提高了破坏后的连续性，使失效过程更具延性。
荷载-变形响应
所有试件最终都发生了冲切剪切破坏。荷载-变形曲线分析揭示了关键发现：对于未腐蚀试件，钩端钢纤维显著提高了峰值强度和对应的变形能力，而大分子合成纤维在峰值强度方面与对照组相差不大。两种纤维都极大地改善了峰后性能，即荷载在达到峰值后下降得更平缓，并保持了更高的残余荷载和能量吸收能力，更高掺量的纤维带来了更好的峰后性能。腐蚀对所有试件的性能都产生了负面影响，但纤维减轻了这种损失。腐蚀导致峰值承载力下降11.1%至19.0%。值得注意的是，掺有0.75%大分子合成纤维的试件（MS-0.75-C）仅损失了10.7%的峰值承载力，是所有试件中损失最小的。同时，腐蚀也显著降低了峰值荷载对应的变形能力，其中对照组下降36.1%，而纤维试件的降幅相对较小（例如MS-0.5-C下降20.5%）。更重要的是，腐蚀对纤维试件的残余荷载平台影响很小，纤维桥接作用在钢筋作用减弱后成为了主要的荷载传递机制。在能量吸收方面，纤维增强混凝土板吸收的能量约为对照组的2-4倍，并且在腐蚀后依然保持这一优势。
延性
荷载-变形曲线反映了刚度、延性和能量的变化。腐蚀略微降低了初始刚度，并降低了峰值荷载。它显著降低了对照组在峰值时的变形能力，而纤维增强板则保留了更大的变形能力。实际上，腐蚀后的纤维增强混凝土板在破坏前能够产生更大的变形并吸收更多能量，提供了更明显的破坏预警和更高的韧性。相反，腐蚀后的素混凝土板破坏更为突然。
腐蚀对应变的影响
通过埋入式应变计测量了钢筋和混凝土的应变。腐蚀显著降低了钢筋的应变能力。在所有腐蚀试件中，钢筋的最大应变以及应变计失效（视为屈服）时的荷载均低于对应的未腐蚀试件。荷载-应变曲线显示，腐蚀钢筋在较低荷载下就出现了更早的应变发展和最大应变的提前达到，这突显了腐蚀导致的退化。对于位于加载点附近的竖向混凝土应变计，腐蚀试件的混凝土达到了与未腐蚀试件相当的应变水平，但这是在更低的荷载下达到的，这表明由于腐蚀制度导致了预先存在的剥离和更早的保护层剥落——这在对照组和合成纤维板中最为明显。钩端钢纤维板则表现出独特的响应序列。
综上所述，本研究得出了明确结论。钢筋腐蚀会显著降低无梁楼板的冲切承载力和延性。而掺入离散纤维（钩端钢纤维或大分子合成纤维）是一种有效的缓解策略。纤维不仅能在未腐蚀状态下提升性能（钢纤维提升强度更明显），更能显著延缓腐蚀起始、控制腐蚀裂缝发展、限制保护层剥落。最重要的是，纤维能有效弥补腐蚀造成的强度损失，例如0.75%大分子合成纤维将腐蚀引起的强度损失从对照组的16.1%降至10.7%。更为关键的是，纤维极大地改善了结构的峰后性能，即使在钢筋腐蚀后，仍能维持较高的残余承载力和能量吸收能力，使破坏过程从脆性转向更具延性，为结构安全提供了宝贵的预警时间和冗余度。
这项研究具有重要的工程意义。它表明，在氯盐侵蚀等腐蚀性环境中，将纤维（尤其是0.5%-0.75%体积掺量的钩端钢纤维或0.75%体积掺量的大分子合成纤维）作为板柱连接区域的补充增强措施，可以显著提升结构的耐久性和抗灾韧性。钢纤维更适合用于追求未腐蚀状态下的强度增益，而合成纤维在控制损伤、维持腐蚀后结构完整性方面表现尤为出色。这为工程设计和规范修订提供了重要依据：未来的设计应考虑将纤维的贡献纳入腐蚀环境下残余承载力的计算模型，将其视为一种提升结构鲁棒性和延长服役寿命的有效工具，与足够的保护层、高质量的防水措施等传统耐久性设计方法结合使用。论文发表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上，为腐蚀环境下钢筋混凝土结构的性能提升和寿命预测提供了宝贵的实验数据和理论参考。
