喷射混凝土快速碳化试验研究.pdf
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1、2 0 1 4 年 第 1 1期 (总 第 3 0 1 期 ) N u mb e r 1 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 1 0 0 8 喷射混凝土快速碳化试验研究 马蕊 ,牛荻涛 ,王家滨 ( 西安建筑科技大学,陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要 : 通过快速碳化试验, 探讨 了喷射混凝土抗碳化性能和碳化后力学性能变化规律。 试验结果表
2、明: 喷射混凝土较普通混凝 土具有更好的抗碳化性能, 其抗压强度 、 劈拉强度随碳化深度的增加快速提高; 掺入钢纤维能进一步提高喷射 昆 凝土碳化性能 , 减小 碳化速率 , 还能显著提高喷射混凝土碳化后劈拉强度。 同时 , 在分析钢纤维和施工方式对混凝土碳化影响的基础上, 建立了喷射混凝 土碳化深度模型 。 关键词 : 喷射混凝土;碳化 ;施工方式 ;钢纤维;力学性能 中图分类号: T U 5 2 8 5 3 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 0 3 1 - 0 3 Ac c e l e r a t e d c a r b
3、 o n a t i on t e s t o f s p r a y e d c on c r e t e M A Ru i , NI UDi t a o, WANG J i a b n ( Xi a nUn i v e r s i t yo f Ar c h i t e c t u r e a n dTe c h n o l o g y , Xi a n7 1 0 0 5 5, Ch i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e th e c a r b o n a t i o n r e s i s t
4、a n c e o f s p r a y e d c o n c r e t e a n d t h e me c h a n i c a l p r o p e y a ft e r c a r b o n a t i o n , t h e a c c e l e r a t e d c a r bo n a t i o n t e s t wa s c a r r i e d o ut Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t ha t t h e c a r bo n a t i o n r e s i s t a n c e o f s p r
5、a y e d c o n c r e t e wa s s u pe r i o r t o the no r ma 1 Wi t h t h e i n c r e a s i n g o f c a r b o n a t i o n de pt h, c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a nd s pl i t t i n g t e ns i l e s t r e ng t h o f s pr a y e d c o nc r e g r e w r a p i d l y Th e a dmi x i n g o f s t e e l
6、fi be r c a n f ur t he r i mpr o v e the c a r bo n ati o n r e s i s t an c e , r e d u c e t h e c arbo n a t i on r a t e, a n d i n c r e a s e the s p l i t t i n g t e n s i l e s e n gt h o f s p r a y e d c o n c r e t e gre a tly Be s i d e s , b a s e d o n an a l y z i n g the e f f e c
7、t s o fs ho t c r e t e t e c h no l o g y a nd c a r bo n a t i on r e s i s t an c e o fs t e e l fibe r a d mi x i ng t o s pr a y e d c o n c r e t e, a c arb o n a t i o n de p t h mo d e l f o r s p r a y e d c o nc r e t e wa s e s t a b l i s h e d Ke yw or ds: s pr a y e d c o n c r e t e;
8、c arb o na t i o n; s h o t c r e t et e c hn o l o gy ; s t e e l fibe r ; me c h an i c a l pr o pe r t y 0 引言 碳化降低 了服役混凝土碱度 , 引起钢筋骨架的锈蚀 , 随 着时间变化 。 碳化对混凝 土强 度本身也有一定影响 ; 碳化 加剧混凝土的收缩导致提前开裂 , 为有害物质的入侵创造 条件 , 最终导致材料耐久性能劣化 , 缩短结构使用年 限 1 。 一 般认为 , 影 响混凝 土碳 化的主要因素是材料 因素 、 环境 因素及施工 因素 , 目前针对材料及环境 因素 的研究已
9、相对 成熟 , 但施工因素的研究相对较少。 作为一种新型施 工方式 , 喷射混凝土已广泛应用 于地 下工程 、 水利工程 、 基坑工程 、 建筑结构加 固等众多工程领 域 , 其施工工艺与成型条件较特殊 , 导致微观孔隙结构 、 密 实性 、 抗碳化性能与普通混凝土差异较大 。 目前 , 针对 喷射 混凝土抗碳化性能的研究 已相继开展 , 王 志杰 等翻 展开纤 维喷射混凝土耐久性试验研究 , 结果表明: 在喷射混凝土 中掺人纤维可以改善其抗碳化性能, 减小碳化速率; 欧阳 幼玲等3 1 4究了钢纤维和仿钢纤维喷射混凝土抗碳化性能 , 结果表 明在长期腐蚀 环境下仿钢纤维喷射混凝土抗碳化 性
10、能更好 ; 樊文熙等 研究 了高活性细掺料对喷射混凝 土 耐久性 的影响 , 表 明在喷射混凝土 中掺用高活性细掺料 能 大大提 高密 实度 , 大幅提高碳化系数等耐久性指标 ; 武卫 平等 51 研究 了不同种类矿物掺合料对喷射混凝土性能的影 响, 表明同时掺入 1 5 矿粉和 8 硅粉 的叠加效应可 以显著 提高 混凝 土强度 、 减小碳化深度 。 以上文献研究 了钢纤 维 及掺合料对喷射混凝土抗碳化性能 的影响 , 但未涉及喷射 混凝土碳化深度模 型及碳化后力学性能变化规律 的研究 。 本研究通过快速碳化试验 ,探讨喷射混凝 土碳化规律 ; 引 入喷射 工艺影响 系数 及钢纤 维影响系数
11、 , 建立 了喷射 混 凝 土碳化深度模型 ; 此外 , 还研究 喷射混凝 土碳化后力 学 性能变化规律 , 为进一步研究喷射混凝土结 构耐久性提供 参考 。 1 试验方案 1 1 原材料及 配合 比 本试验采用 P O4 2 5 级水泥 , I I 级粉煤灰 , 细度模数为 3 4 0的粗砂 , 粗骨料选用石料场碎石 , 连续级配 , 其粒径为 收稿 日期 :2 0 1 4 - 0 5 1 4 基金项 目:国家自然科学基金( 5 1 2 7 8 4 0 3 ) ; 教育部长江学者和创新团队发展计; lj ( I R T 1 3 0 8 9 ) 31 5 M0 m m; 外加剂为 K D S
12、P 1 型聚羧酸盐减水剂和无碱速 凝剂 , 钢纤维选用 3 0 mmx 3 mm( 长度 直径 ) 剪切波浪 型 钢纤维 , 混凝土水胶 比 0 4 3 , 砂率 5 0 。 原材料化学组成如表 1 所示 , 配合 比示于表 2 。 表 1 原材料的化学组成 试件分组 粉煤灰 水泥水粗砂 米石 减水剂 速凝剂 钢纤维 Pl 46 41 1 1 9 7 8 9 2 8 9 2 4 5 7 1 8 28 P2 46 41 l 1 9 7 8 9 2 8 9 2 4 5 7 1 8 2 8 50 ! ! ! ! ! 丝 ! : 二 = 注 : p 1 为喷射混凝土 , P 2 为钢纤维喷射混凝土 ,
13、 M1为普通混 凝 土 。 1 2 试件制作及 养护 混凝 土 试件按 照设计配合 比制作 , 试件设 计尺寸 为 1 0 0 mlT l 1 0 0 minx 1 O 0 mm 和 4 0 0 mmx 1 0 0 mmx l 0 0 mm 两 种 。 其 中, 喷射混凝土采 用隧道现场干喷制作工艺 , 模板尺 寸为 l 2 0 0 m mx 5 0 0 mm x l 2 0 mm, 3 h脱模 , 隧道现场养护 7 d 后 切割成 型; 普通混凝土试件于隧道现场人工拌制 、 振 捣成 型。 试件于标养室养护 2 8 d , 再室外养护至试验龄期。 1 3试验 方 法 本试验参照 G B T
14、5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能 和耐久 能试验方法标准 进行快速碳化试验 , 碳化龄期为 7 、 1 4 、 2 8 、 4 2 、 5 6 d : 碳化后力学性能按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通 混凝土力学性能试验方法标准 规定进行。 2 试验 结果与分析 2 1 碳化 深度数据 分析 测定各龄期碳化深度 , 喷射混凝土快速碳化试验数据 如表 3所示。 表 3喷射混凝土快速碳化试验数据 从表 3 可 以看出: 三种混凝土碳化深度均 随着时间的 增 长而逐渐增 大。 与普通混凝 土相 比, 喷射混凝 土各龄 期 32 碳化深度较小 ,
15、碳化 7 d 时喷射混凝土碳化深度 1 4 7 m m, 普通混凝土碳化深度 2 7 5 mm, 两者相差 1 2 8 m m, 而随着 时间的增长两者碳化深度的差距也逐渐增大 , 当龄期为 5 6 d 时喷射 混凝土碳化深度为 4 5 7 mm, 而普通混凝土碳化深 度达 7 9 6 m l T l , 两者相差 3 3 9 m m, 说明喷射 工艺对混凝土 碳化速度影响较大 。 一般认为 , 普通混凝土经人工拌 制 、 振 捣成型 , 浇筑顶面及侧表面砂浆及气孔较多旧 , 为二氧化碳 的入侵提供渠道 。 而喷射混凝土在成型过程 中其拌 合料 以 较高速度喷出 , 水泥与骨料受到连续 冲击得
16、以压实m , 从而 阻碍了二氧化碳 的进入 , 使得喷射混凝 土具有较好 的抗碳 化性能 。 此外 , 对 比 P 2 与 P l 组碳化深度发现 , 钢纤维喷射 混凝土各龄期碳化 深度均小于喷射混凝土 , 5 6 d时钢纤维 喷射混 凝土碳化 深度仅 2 。 9 6 m m, 而 同龄期 喷射混 凝土 碳化深度为 4 5 7 m lT l , 大约是前者的 1 5 倍 , 说明钢纤维按 5 0 k g m 掺入 时提高 了喷射混凝土抵抗碳化性能 , 这与王 志杰等2 试验结果一致 。 分析其原 因认为钢纤维 的存在可 以增加混凝土硬化初期抗拉强度 , 有效抑制早期裂缝的产 生和发展 , 还能
17、缓解混凝土 的碳化收缩 , 抑制碳化层 细微 裂缝 的生成 , 从而提高 喷射混 凝土抗碳化性能 。 对 比表 3 中 P 1 、 P 2 、 M1 三组碳化数据 , 发现同龄期下 三种混凝土碳 化深度满足如下关 系: MI P I P 2 。 2 2 喷射混凝土碳化深度模型建立 近年来 ,国内外学者提出了多种碳化深度预测模型 。 前苏联学者阿列克谢 耶夫f8 由 F i c k第一扩散定律 推导得 到经典混凝土碳化理论模型 , P a p a d a k i s V G 9 IJ 用碳化过程 中可碳化物质质量平衡条件建立了碳化模型 , 牛荻涛t q 建 立基于混凝土抗压强度的碳化深度预测模型
18、 , 上述研 究成 果表达形式不一 , 但统一于一般形式 , 如式( 1 ) 所示 : x _ 1 1 式 中: 碳化深度 , m i l l ; 碳化时间 , 年 ; 碳化速度系数 , 是反映 昆 凝土碳化速度的参数 。 根据表 3中试验数据 , 图 1 给出了喷射混凝土及钢纤 维喷射混凝土碳化深度随碳化龄期的变化规律 , 可以看 出 喷射混凝土碳化规律与普通混凝 土相似 , 碳化初期速率较 大 , 随着碳化 的深入 , 碳化产物不断填充混凝土 内部孔 隙 , 阻碍 了二氧化碳的扩散通道 , 使得碳化后期速率逐渐减小 。 O 7 1 4 2 l 2 8 3 5 4 2 4 9 5 6 碳化
19、龄期 , d 图 1 喷射混凝土碳化深度曲线 根据 P 1 、 P 2 、 M1 组各龄期碳化深度实测值 , 经过散 点 图回归分析 ( 如 图 1 ) 可得 P 1 、 P 2 、 M1 组混凝土碳化方 程 , 如式( 2 ) 、 ( 3) ( 4 ) 所示 : 8 7 6 5 4 3 2 1 gm 雠 谨 P 1组 : X c = 0 6 0 7 2 、 v t ( R Z = 0 9 9 4 ) ( 2 ) P 2组 : X 0 4 0 7 7 N t( RZ :- 0 9 7 3 ) ( 3 ) M1 组 : 1 0 6 0 9 t( RZ = 0 9 9 5 ) ( 4 ) 由式 (
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