混凝土裂縫寬度和深度對裂縫表面碳化的影響

唐先習(xí)，尹月酉，國 偉

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050;2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南250013)

0 引 言

混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的現(xiàn)象，裂縫的控制和研究一直是混凝土工程的熱點(diǎn)問題。開裂不僅會影響混凝土結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量，嚴(yán)重時還會使混凝土結(jié)構(gòu)的自身剛度與強(qiáng)度發(fā)生變化，而且還會對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生一定的影響?；炷撂蓟腔炷林行曰畛Ｒ姷囊环N形式，在一般大氣環(huán)境下，混凝土碳化是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的最主要的原因;同時，碳化還會加劇混凝土的收縮，這可能會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

關(guān)于混凝土的開裂，研究內(nèi)容相對較多，但主要集中在裂縫產(chǎn)生的原因、裂縫控制及數(shù)值模擬、裂縫的特征等［1-8］。而對于混凝土碳化的研究，則主要集中在混凝土材料對碳化的影響、應(yīng)力狀態(tài)對碳化的影響、碳化的數(shù)值分析等［9-12］。將混凝土裂縫與碳化結(jié)合起來進(jìn)行研究的內(nèi)容則相對較少，在這一方面，黃濤等［13］基于離散裂縫模型和ANSYS 有限元軟件，分析了裂縫寬度對碳化程度的影響及模型的適應(yīng)性。金祖權(quán)等［14］通過試驗(yàn)驗(yàn)證了氯離子滲透和碳化深度與裂縫寬度的關(guān)系。崔正龍等［15］以不同強(qiáng)度等級和裂縫寬度為變動因素進(jìn)行了對比性碳化試驗(yàn)。劉欣等［16］則研究了混凝土微裂縫對碳化深度的影響。對于混凝土裂縫部位碳化的影響，取的裂縫因素往往只是裂縫表面的寬度，并未涉及到裂縫的深度，沒有將裂縫的寬度和深度綜合起來進(jìn)行考慮裂縫對碳化的影響。因此，本文主要針對這一方面，研究混凝土裂縫的寬度和深度對碳化的綜合影響。筆者通過研究，得出混凝土試件內(nèi)部裂縫的寬度和深度可由試件兩側(cè)面裂縫寬度和深度近似按直線內(nèi)插的方法求得的結(jié)論，本文的研究直接應(yīng)用這一結(jié)果。

1 試驗(yàn)?zāi)康呐c概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證混凝土開裂后，在混凝土裂縫表面混凝土的碳化與裂縫寬度與深度之間的關(guān)系，為混凝土結(jié)構(gòu)在一般大氣環(huán)境下耐久性能的研究奠定基礎(chǔ)。

1.2 試驗(yàn)概況

1.2.1 試件

本次試驗(yàn)結(jié)合混凝土裂縫斷面形狀的試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行的，在混凝土裂縫斷面形狀的試驗(yàn)研究中，得出試件內(nèi)部的裂縫寬度和深度可由試件兩側(cè)面的裂縫寬度和深度近似推導(dǎo)出的結(jié)論。在本試驗(yàn)過程中，選擇已制造出裂縫的混凝土試件放在碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化。放在碳化箱內(nèi)的試件分兩種形式，一種是未拆除加力架的帶裂縫試件組(見圖1)，主要是保證在碳化過程中，裂縫的寬度不會發(fā)生改變;一種是在加力架上加載兩周后再拆除加力架的單個試件(見圖2)，在放入碳化箱時采用試件側(cè)放的方式，以防止在碳化過程中，試件的裂縫由于受外力而產(chǎn)生閉合現(xiàn)象。同時，在試件的側(cè)面涂抹石蠟，以保證碳化從試件頂部沿裂縫方向向下碳化。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

碳化試驗(yàn)采用北京耐久偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的立式碳化箱，該碳化箱的規(guī)格型號為NJ-HTX。碳化試驗(yàn)箱的主要技術(shù)參數(shù):溫度檢測精度為(±1.0)℃;濕度檢測精度為(±5%)RH;二氧化碳檢測精度為(±1.5)%。

圖1 帶加力架的試件Fig.1 Specimens with load frames

圖2 未帶加力架的試件Fig.2 Specimens without load frame

1.2.3 試驗(yàn)過程

進(jìn)行碳化試驗(yàn)時，將碳化箱采用機(jī)械密封的方法進(jìn)行密封，碳化箱內(nèi)的環(huán)境條件采用儀器自動智能控制的方式，使碳化箱內(nèi)二氧化碳的濃度保持在(20±3)%，箱內(nèi)濕度控制在(70±5)%，溫度控制在(20±2)℃。碳化共進(jìn)行了14 d，定時檢查碳化箱內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度。碳化箱及碳化試驗(yàn)見圖3 和圖4。

圖3 碳化箱Fig.3 Carbonization box

圖4 試件碳化Fig.4 Specimens carbonization

碳化14 d 后，將試件從碳化箱中取出，在裂縫處斷開，同時將未產(chǎn)生裂縫但也進(jìn)行同樣條件下碳化的試件也斷開，做裂縫碳化的對比試驗(yàn)。斷開后，采用1%的酚酞試劑在橫斷面上進(jìn)行滴定，根據(jù)酚酞試劑顯示的顏色對裂縫表面混凝土碳化情況進(jìn)行分析。試驗(yàn)圖片見圖5 和圖6。

圖5 試件斷面Fig.5 Specimen cross section

圖6 試件斷面顏色對比Fig.6 Color contrast of specimen cross section

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，選擇有代表性的試件的碳化情況進(jìn)行分析，以驗(yàn)證混凝土裂縫的寬度和深度對碳化的影響。

2.1 未開裂試件

圖7 為在未開裂部位斷開的一個試件橫斷面上碳化情況的兩張圖片。

圖7 未在裂縫處斷開的試件橫斷面碳化情況Fig.7 Carbonization of specimen cross section broke at part without crack

由圖7 可以看出，在原來未開裂的部位，滴加酚酞試劑后，試件整個橫斷面幾乎都顯示紅色，只是在試件的邊緣部位紅色較淺，表示試件內(nèi)部混凝土并未被碳化，只在試件橫斷面的邊緣部位略有碳化的現(xiàn)象。

2.2 裂縫近似貫通的試件

圖8 中兩個試件的斷面均為在原裂縫處的斷面。

圖8 裂縫近似貫通的試件橫斷面碳化情況Fig.8 Carbonization of specimen cross section broke at part cracks through the transverse section approximately

圖8 (a)中試件的裂縫為彎矩作用下的拉裂縫，側(cè)面裂縫的方向與試件縱軸方向垂直。試件一側(cè)面裂縫深度10 cm，說明這一側(cè)試件裂縫已經(jīng)裂透，試件頂部裂縫最寬處寬度為0.86 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.05 mm;另一側(cè)裂縫深度9 cm，試件頂部裂縫最寬處寬度為0.91 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.06 mm。從裂縫頂部向下6cm 處，裂縫的寬度還在0.3 mm 以上。從圖8(a)中可以看出，當(dāng)?shù)紊戏犹噭┖?，裂縫處的橫斷面只在局部區(qū)域出現(xiàn)了較淡的紅色，整體上顏色變化不大。這說明在這種情況下，混凝土開裂斷面表面均發(fā)生了碳化現(xiàn)象。而在裂縫頂端尚未裂通的部位，則是由于混凝土直接暴露在碳化箱的二氧化碳環(huán)境中，混凝土從試件表面向里碳化而至。

圖8(b)中試件的裂縫為一典型的彎矩與剪力綜合作用的裂縫，其中剪力作用占較大的比例。兩側(cè)面裂縫均與試件縱軸方向夾角約為33°。試件裂縫的長度按斜長量取，一側(cè)裂縫長度為18.1 cm，另一側(cè)裂縫長度為16.1 cm，兩側(cè)裂縫均接近于貫通。兩側(cè)裂縫的最大寬度均不在試件的頂部，而是在開裂頂部向下6 cm 左右。兩條裂縫的最大寬度分別為0.17 mm 和0.13 mm，裂縫最小處為0.02 mm 和0.04 mm。從圖上可以看出，當(dāng)?shù)紊戏犹噭┖?，裂縫處的橫斷面只在局部區(qū)域出現(xiàn)了較淡的紅色，整體上顏色變化不大，說明混凝土開裂斷面表面均發(fā)生了碳化現(xiàn)象。從對以上兩組試件的分析可知，混凝土開裂以后，開裂表面的混凝土?xí)l(fā)生碳化，碳化處裂縫的寬度對碳化的影響不大。

2.3 裂縫未貫通的試件

圖9 代表的為兩組混凝土裂縫在試件的橫斷面上未貫通的情況。

圖9 裂縫未貫通的試件橫斷面碳化情況Fig.9 Carbonization of specimen cross section broke at part cracks not through the transverse section

對于圖9(a)的試件，一側(cè)裂縫長度6 cm，試件頂部裂縫最寬處0.35 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.03 mm;另一側(cè)裂縫長度7 cm，試件頂部裂縫最寬處0.40 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.05 mm。對于圖9(b)的試件，一側(cè)裂縫長度8 cm，試件頂部裂縫最寬處0.34 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.02 mm;另一側(cè)裂縫長度8 cm，試件頂部裂縫最寬處0.56 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.04 mm。從圖上可以看出，滴加酚酞試劑后，混凝土開裂部位紅顏色較淺，或者混凝土表面完全沒有變紅，而未開裂部位混凝土顏色則變?yōu)榧t色。在這兩幅橫斷面碳化圖中，圖9(a)中碳化部分與未碳化部分的界限表現(xiàn)的非常明顯，而圖9(b)的碳化與非碳化區(qū)域也明顯的反映了出來，但碳化與未碳化的界限則反映的不是太明顯。通過對兩組試件的側(cè)面裂縫長度與混凝土碳化的區(qū)域進(jìn)行對比分析，可以得出這樣的結(jié)論:混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫后，裂縫表面的混凝土?xí)芸焯蓟?。裂縫表面混凝土的碳化與裂縫寬度關(guān)系不大，而與裂縫深度有密切的關(guān)系。

3 結(jié) 語

對于混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫部位，在碳化環(huán)境條件下，裂縫開裂內(nèi)表面的混凝土?xí)芸焯蓟?，而未開裂部位則未碳化。從試驗(yàn)結(jié)果可見，混凝土開裂后裂縫表面混凝土的碳化與裂縫寬度關(guān)系不大，而與裂縫深度有密切的關(guān)系。因此，僅從混凝土裂縫在結(jié)構(gòu)表面的寬度來判斷其碳化程度是不合適的。同時結(jié)合其他的研究成果可知，對于混凝土的微裂縫而言，裂縫寬度對混凝土的碳化又起著相當(dāng)重要的作用。因此;從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面而言，僅僅限定不同環(huán)境條件下的混凝土表面裂縫寬度值是不全面的，應(yīng)綜合考慮裂縫寬度和深度對碳化的綜合影響。

文章僅研究了不同裂縫的表面碳化情況，而未對裂縫的不同寬度和深度處沿裂縫表面的混凝土碳化深度展開研究。今后應(yīng)該從這些方面進(jìn)行加強(qiáng)。

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