弯曲应力对混凝土碳化影响的室内试验研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.010混凝土ConcreteTHEORETICALRESEARCH理论研究弯曲应力对混凝土碳化影响的室内试验研究黄锋a.b，屈志豪a,b，张班a,b，冯虎ab，张瑞林a.b(重庆交通大学a.省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室；b.土木工程学院，重庆40 0 0 7 4)摘要：通过快速碳化试验，研究了不同应力水平对混凝土碳化性能的影响，并探讨了角区与其两侧碳化深度之间的关系。研究结果表面：（1)实际中的角区碳化深度比通过两侧碳化深度几何叠加得到的碳化深度要大。（2)弯压应力对混凝土碳化起抑制作用，弯拉应力则起促进作用。（3)考虑弯曲应力影响的碳化深度预测模型的计算结果与试验结果比较接近，误差在1 0%左右。关键词：弯曲应力；加速碳化；浇筑面；角区深度；影响系数中图分类号：TU528.07(a.State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering;b.School of Civil Engineering,Abstract:The influence of different stress levels on the carbonization performance of concrete was studied through rapid carbonizationtests,and the relationship between the angle zone and the carbonization depth on both sides was discussed.Results show that(1)The actualangle carbonization depth is larger than that obtained by geometric superposition of carbonization depth on both sides.(2)Flexural com-pressive stress inhibits concrete carbonization,while flexural tensile stress promotes it.(3)The calculated results of the prediction modelconsidering the influence of bending stress are close to the experimental results,and the error is about 10%.Key words:bending stress;accelerated carbonization;casting surface;angle depth;influence coefficient文献标志码：AExperimental study on the effect of bending stress on concrete carbonationHUANG Fenga-b,QU Zhihaoa.b,ZHANG Ban a.b,FENG Hua.b,ZHANG Ruilina.bChongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)文章编号：1 0 0 2-35 5 0(2 0 2 3)0 6-0 0 5 2-0 4数之间的相关性,并基于此建立了碳化深度预测模型。目前，0引言就载荷因素而言，主要研究的是轴向应力对混凝土碳化的混凝土碳化会使钢筋保护膜失效，从而导致其力学性影响，考虑弯曲应力的较少，且其加载方式几乎都是采用能降低，承载力下降，更容易发生结构破坏。隧道由于长期扭矩扳手进行加载 1 3,并没有进一步验证其精确度，这会处于潮湿、通风不良等环境，其内部二氧化碳浓度比外界对试验结果产生较大影响。高3 5 倍，更容易发生碳化。相关调查和研究表明，45%左综上，本试验通过对受弯曲应力加持的混凝土试件进右的地下结构病害是由地下空间中腐蚀性大气环境导致行快速碳化试验分析得到弯曲应力影响系数。弯曲应力通结构中钢筋锈胀破坏引起的，而这些破坏又大多由混凝土过数显扭矩扳手施加并采用应变传感装置进行核验以确碳化引起 1-3。因此,对地下工程混凝土碳化规律展开研究，保加载精度。除研究弯曲应力对混凝土碳化影响规律之具有重大意义。外，探究了试件角区与两侧碳化深度的关系。通过研究弯曲针对隧道而言，其衬砌处于弯拉和弯压应力状态，研应力对混凝土的碳化影响规律，可预测隧道所处应力状态究弯曲应力对混凝土碳化的影响尤为重要。由于自然环境下的碳化情况，为实际隧道工程衬砌混凝土耐久性预测和下，碳化速度较慢,碳化周期过长且不可控因素较多，学者评估提供一定依据。们主要通过室内快速碳化试验对混凝土碳化进行研究。许1室内试验多学者探究了孔隙率、水灰比、粉煤灰掺量、温度、湿度等因素对混凝土碳化的影响 4-7。还有不少学者对持载状态下混凝土进行了碳化试验，结果表明，碳化深度会随着拉应力水平增大而增大,随压应力水平增大呈“V型变化趋势-1。唐官保等 1 2 还建立了轴向应力下气渗系数与CO2扩散系收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 3基金项目：国家自然科学基金面上项目（5 2 0 7 8 0 9 0）；国家重点研发计划资助（2 0 1 8 YFB1600300,2018YFB1600301）；重庆市自然科学基金面上项目（cstc2020jcyj-msxmX0679）；山区桥梁及隧道工程国家重点实验室开放基金（SKLBT-19-006）521.1试验材料本试验采用的混凝土原材料均符合各项标准的要求，其中P.042.5级水泥；粗骨料粒径选取5 2 0 mm，为连续级配;细骨料选用细度模数为2.5 的天然河砂;采用聚羧酸型高效减水剂。配制混凝土试件强度为C30，选用配合比如表1。试件置养护箱标准养护至2 8 d。表1 材料用量表材料用量/(kg/m)水灰比水水泥0.51971.2试验装置及方案本试验试件尺寸为1 0 0 mmx100mmx300mm，首先采用万能试验机测试试件的极限弯曲荷载，然后基于极限弯曲荷载对试件施加不同水平的弯曲应力，加载装置采用三点弯曲加载装置，如图1。装置由两根螺杆，8 个螺母，4个垫片，1 根钢柱支座构成。通过扭矩扳手动螺母使螺杆受拉，从而对试件外表面形成压力，使紧贴钢柱支座一侧受压,远离支座一侧受拉，完成弯曲应力的施加。为了使扭矩扳手施加的力更加精确，本试验采用新型数显扭矩扳手，并在螺杆上贴应变片，通过观察数显值和应变采集箱显示的值来验证施加的荷载是否达到要求，为避免出现应力松弛现象，每隔2 4h进行一次应力补偿。螺杆口一垫片12应变片L50(a)三点弯曲加载装置示意图(单位：mm)(b)应变采集装置图1 三点弯曲加载装置因工程中大部分构件处于的荷载环境不会超过极限荷载的6 0%，故本研究范围保持在6 0%以内。将极限弯曲荷载定义为F，对试件施加四组应力水平，分别为0、2 0%F、40%F、6 0%F，并放人碳化箱碳化7、1 4、2 8 d后取出在岩石切割机上沿试件中部截面切开，测量截面的平均碳化深度。2碳化试验结果分析2.1混凝土试件角区二维碳化研究混凝土因耐久性损伤而导致钢筋锈蚀的现象往往先发生在角区，其中一个重要的原因就混凝土构件受到碳化损伤时，角区碳化速度快，提高了钢筋锈蚀速率。本试验以无荷载混凝土试件为研究对象，通过测量角区和角区两侧的碳化深度，分析角区碳化规律。砂石397785/支座100100(c)加载完成试件减水剂10851.08一螺母50四未碳化区口碳化区图2 混凝土角区碳化深度示意图结合3个测量区域的碳化深度数据，引人角区二维碳化系数Kor：Kco=VX+X3式中：VX+X一由角区两侧碳化深度通过叠加关系计算的角区碳化深度。但是实际角区碳化深度并不满足这种关系，通过实际碳化深度与其比值可以建立角区与其两侧碳化深度的关系。表2 角区碳化系数数据碳化深度/mm名称7dX4.42X24.53VX?+X?6.33X7.79Kr1.23由表2 可得角区碳化系数变化规律，如图3。1.401.351.601.251.205图3角区碳化系数变化曲线通过观察得到实际中的碳化深度比通过两侧碳化深度几何叠加得到的碳化深度要大。对试验数据进行拟合，得到修正后的角区碳化深度式为Xo=KorVXi+X3其中：K.cr=1.01418+0.02984t6.3079t。由于现实中角区碳化深度测量不太方便，本试验得到的修正式对于角区碳化深度的预测具有一定参考价值。53Xo10.1312.971.28110(1)14d28d7.1911.727.1311.7516.6022.581.36J1520碳化时间/d2530(2)2D.VT2.2荷载作用下碳化试验结果与分析碳化结果如表3所示。表3不同弯曲应力水平下的混凝土碳化深度荷载受压区/mm/%7d04.51204.37404.28603.84由表3和图4、5 可知，随着碳化时间的推进，各条件下的碳化速度都在下降，针对无荷载情况，第一周的碳化深度占整个周期的38.4%，第二周为2 2.5%，而第三周和第四周总共为39%左右，这是因为碳化过程产生的碳酸钙为固体，其会降低试件内部的孔隙率，减缓二氧化碳的侵人速度。12一无荷载10弯压2 0%一弯压40%8弯压6 0%6420图4不同弯压荷载水平下碳化深度16无荷载14弯拉2 0%/12+弯拉40%10弯拉6 0%806420图5 大不同弯拉荷载水平下碳化深度通过比较施加弯曲荷载和无荷载的碳化结果发现，弯压应力对混凝土碳化起抑制作用，这是由于试件内部本身存在一些孔隙和裂缝，弯压应力的存在会使这些孔隙和裂缝发生闭合，从而降低二氧化碳向试件内部的扩散速度，但若弯压应力水平过大，也会造成试件结构发生破坏，产生更多裂隙，加快碳化速度。对数据进行进一步分析发现，在060%应力水平范围内，随着应力水平的增大，弯压应力抑制作用变得更加明显，其中2 0%应力水平时，2 8 d碳化深度较无应力时仅降低2.9 8%，而6 0%应力水平则降低了17.56%。弯拉应力对混凝土碳化起促进作用，因为弯拉应力会加剧混凝土试件内部孔隙和裂隙的发展，增加二氧化碳向其内部扩散的速度，且随着弯拉应力水平的增加，其促进作用更明显，2 0%弯拉应力水平2 8 d碳化深度较无应力时仅增加了1 5.43%、6 0%应力水平增加幅度则达到了33.59%，可见弯拉应力对混凝土碳化的影响非常大。3弯曲应力影响系数根据试验数据，计算出不同应力水平的碳化速度系54数;并将之与无应力情况碳化速度系数进行对比取值得到弯曲应力水平影响系数h（即：k=%）。其中采o受拉区/mm用式(3)计算 1 4;14d28d7.1511.736.9711.386.2310.615.979.67510碳化时间/d157d4.484.845.535.92115201015碳化时间/d14d7.178.3410.1711.232530J202528d11.6913.5414.4115.67301Q=1式中：D一碳化深度；n试验测定数；t碳化时间。3.1弯压应力影响系数不同的弯压应力水平的碳化速度系数i和弯压影响系数ki见表4。表4不同弯压应力水平的1、kS.%I02.06202.00401.85601.71注：S。为弯曲压应力水平。通过对不同弯压水平下的ki进行拟合，得到弯压应力水平影响系数，由表4可得2 种拟合方程，相关系数越大说明该方程拟合程度最好，故选取多项式拟合方程。即弯压应影响系数式为k=1.002 71-0.123 42S。-0.2 7 4 44S c1.051.000.950.900.850.800图6 弯压应力影响系数拟合曲线3.2弯拉应力影响系数不同的弯拉应力水平的碳化速度系数2和弯拉影响系数k2见表5。表5 不同弯拉应力水平的2、k 2S./%0204060注：S为弯曲拉应力水平。其中二次多项式拟合结果更好,故弯拉应影响系数式为k=1.0005+0.7775S,-0.1875S2(5)3.3考虑弯曲应力的碳化模型李洋 1 5 通过快速碳化试验，得到了较完善的多因素下的混凝土碳化深度预测模型。本试验基于其模型，引(3)1.000.970.900.83(4)0.20.4弯压应力水平2.052.362.632.870.6k21.001.151.281.401.41.21.00图7 弯拉应力影响系数拟合曲线人弯曲应力影响系数，得到了适合隧道衬砌混凝土的碳化预测模型：X=kkefifafsfafs1.9VtX=kkifif.fsfafs1.9Vt式中：X-一碳化深度；碳化时间；k一-水泥品种影响系数；kc一弯压应力影响系数；kt弯拉应力影响系数；一水胶比对混凝土碳化的影响系数；-水泥掺量对混凝土碳化的影响系数；粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响系数；J4温度对混凝土碳化的影响系数；Js湿度对混凝土碳化的影响系数。其中：当水泥等级为P042.5级时，k=1；为矿渣32.5 时，k=1.68。Wfi=10.8142-7.7568CCf2=10-C-0.010 1C+3.143fi=0.998e 0.198FAf=510-T-0.002 9T+0.89f=-0.119RH+1.861k=1.002 71-0.123 42S0.274 44S2k=1.0005+0.7775St-0.1875S预测模型对各应力水平下的2 8 d碳化深度计算结果与试验结果对比如表6 所示。表6 预测结果与试验结果对比表应力碳化深度/mm水平试验结果011.71S.=0.211.38S.=0.410.61S.-0.69.67S,=0.213.54S,-0.414.41S:=0.615.67通过对比发现，计算结果和试验结果较接近，误差在10%左右，且都是预测结果大于真实结果，这是有利的。这表明引人弯曲应力影响系数的碳化模型能够较好的预测弯曲应力下的混凝土碳化深度，对隧道衬砌的碳化深度预一线性拟合R=0.997多项式拟合R=0.9990.2弯拉应力水平W+2.1653模型计算结果12.9312.5011.7610.7314.8516.3717.79测具有指导意义。4结论（1)角区实际碳化深度大于其两侧碳化深度简单叠加计算的值,且随着龄期的增加,两者差异变大。修正后的角区碳化深度计算模型更符合实际。J(2)弯压应力对混凝土碳化起抑制作用，弯拉应力则0.40.6误差/%10.49.810.810.99.613.613.5起促进作用。这是因为弯压应力抑制了混凝土内部裂隙的发展，弯拉应力则相反。(3)随着应力水平的增加，抑制和促进的程度更大。60%应力水平下的弯压应力对比无荷载试件，其碳化深度(6)降低了1 7.5 6%左右，弯拉应力则平均提升了约33.5 9%。（4)随着碳化时间的推进，各水平应力下的碳化速度(7)都在降低，前两周的碳化速度为后两周的1.5 2.5 倍。（5)引人弯曲应力影响系数的碳化深度预测模型计算结果与试验结果基本吻合。误差在1 0%左右。参考文献：1肖佳,勾成福.混凝土碳化研究综述 ,混凝土,2 0 1 0(1:40-5 2.2 宋杨,金文娟.混凝土碳化性能及气体渗透性相关性研究 ,混凝,2 0 1 8(6):1 3-1 7.3 宋华,牛荻涛,李春晖.矿物掺合料混凝土碳化能试验研究 ,硅酸盐学报,2 0 0 9,37 1 2）：2 0 6 6-2 0 7 0.4杨林德,潘洪科,祝彦知,等.多因素作用下混凝土抗碳化性能的试验研究 J,建筑材料学报,2 0 0 8,1 1(3)：345-3.5 YINGYU L,GUIDONG W.The mechanism of carbonation of mortarand the dependence of carbonation on pore structure J.In:ProcKatharine and Bryant Mather Int Confon Concrete Durability.Atlanta,1987(22):1915-1943.6 朱安民.混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性 ,混凝土,1 9 9 2(6):18-22.7张誉,蒋利学,基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模型 .工业建筑,1 9 9 8,2 8(1):1 6-1 9.8 涂永明,吕志涛.应力状态下混凝的碳化试验研究 东南大学学报（自然科学版）,2 0 0 3（5）：5 7 3-5 7 6.9 郑建岚,黄利频,拉压应力下自密实混凝土碳化性能试验研究 .建筑材料学报，2 0 1 3(1)：1 1 5-1 2 0.10田浩,李国平,刘杰,等.受力状态下混凝土试件碳化试验研究 .同济大学学报（自然科学版）,2 0 1 0,38（2）：2 0 0-2 1 3.11耿欧,袁广林.碳化混凝土全应力-应变关系及梁受弯承载性能研究 J.工业建筑,2 0 0 6(1):44-46.12唐官保,姚燕,王玲,等.应力作用下混凝土碳化深度预测模型刃.建筑材料学报,2 0 2 0,2 3(2)：30 4-30 8.13刘燕,任军,赵胜利,等.弯曲应力损伤下钢筋混凝土抗碳化性能研究 J,混凝土,2 0 2 0(7):5-9.14龚洛书,苏曼青,王洪琳.混凝土多系数碳化方程的试验研究 建筑科学,1 9 8 6(3):2 9-38.15李洋.混凝土碳化深度模型及其影响因素研究 D.阜新:辽宁工程技术大学,2 0 1 5.第一作者：黄锋(1 9 8 2-),男，博士,教授,主要从事隧道及地下工程研究。联系地址：重重庆市南岸区学府大道6 6 号重庆交通大学土木工程学院(40 0 0 7 4)联系电话：1580807527855