鋼纖維混凝土碳化深度影響因素及預(yù)測模型研究

王占海，楊德健

(天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384)

鋼纖維混凝土碳化深度影響因素及預(yù)測模型研究

王占海，楊德健

(天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384)

以鋼纖維混凝土碳化試驗為研究對象，基于普通混凝土碳化理論，研究鋼纖維混凝土碳化深度與立方體抗壓強(qiáng)度、碳化齡期、鋼纖維摻量等因素的關(guān)系，建立了鋼纖維混凝土碳化深度預(yù)測模型，并對預(yù)測模型進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明：預(yù)測值與試驗值符合程度較好，為鋼纖維混凝土碳化研究提供了重要依據(jù).

鋼纖維混凝土；碳化深度；立方體抗壓強(qiáng)度；鋼纖維摻量；碳化齡期

目前，眾多學(xué)者基于Fick第一定律建立了普通混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型，模型中碳化深度與齡期平方根成正比得到了學(xué)者的認(rèn)可[1]．Smolczyk[2]研究結(jié)果表明，混凝土碳化深度與抗壓強(qiáng)度的平方根成反比．此外，王艷[3]進(jìn)行的鋼纖維混凝土碳化研究成果也證明鋼纖維摻量是影響混凝土碳化的重要因素．本文基于Fick第一定律，以鋼纖維混凝土碳化試驗為依據(jù)，研究混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、碳化齡期、鋼纖維摻量對混凝土碳化深度的影響，并在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立了鋼纖維混凝土碳化深度預(yù)測數(shù)學(xué)模型．

1 鋼纖維混凝土碳化深度影響因素分析

1.1 鋼纖維混凝土碳化深度與碳化齡期的關(guān)系

綜合不同種類混凝土碳化試驗數(shù)據(jù)(見圖1)，以普通混凝土碳化深度與齡期平方根成正比為依據(jù)，研究了鋼纖維混凝土碳化深度(X)與碳化齡期平方根的關(guān)系．

對圖1普通混凝土[4]、鋼纖維混凝土[5-6]碳化試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到碳化深度數(shù)學(xué)模型(見表1)．由表1可知，鋼纖維混凝土與普通混凝土具有相似的規(guī)律，并且碳化深度的增長速率小于普通混凝土的．

圖1 混凝土碳化深度與碳化齡期平方根的關(guān)系

表1 混凝土碳化深度與碳化齡期平方根的數(shù)學(xué)模型

1.2 鋼纖維混凝土碳化深度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度綜合反映了水泥的品種、用量、強(qiáng)度、骨料種類、施工和養(yǎng)護(hù)效果，總體來說，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大，越難碳化．根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]鋼纖維混凝土碳化數(shù)據(jù)，分析鋼纖維混凝土碳化深度與立方體抗壓強(qiáng)度平方根的關(guān)系，如圖2所示．

將圖2鋼纖維混凝土碳化深度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到了碳化齡期為28,d、鋼纖維摻量1%,的鋼纖維混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型(見式(1))；碳化齡期為14,d、鋼纖維摻量1%,的鋼纖維混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型

(見式2)．從兩個數(shù)學(xué)碳化深度模型可知：在相同的碳化齡期、鋼纖維摻量下，鋼纖維混凝土的碳化深度與立方體抗壓強(qiáng)度的平方根成反比．

圖2 鋼纖維混凝土碳化深度與立方體抗壓強(qiáng)度平方根的關(guān)系

1.3 鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的關(guān)系

鋼纖維混凝土內(nèi)部的復(fù)合作用體現(xiàn)在孔隙結(jié)構(gòu)的改善[7]．摻入一定量的鋼纖維能夠?qū)崿F(xiàn)更好的水化作用，使鋼纖維在混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減緩了混凝土碳化的發(fā)展．依據(jù)文獻(xiàn)[5-6]鋼纖維混凝土碳化試驗數(shù)據(jù)(見圖3)，可以得到鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的關(guān)系．

圖3 鋼纖維混凝土碳化深度與齡期平方根的關(guān)系

由圖3得到在不同鋼纖維摻量條件下，混凝土碳化深度與碳化齡期平方根的相應(yīng)規(guī)律(見表2)．

表2 鋼纖維混凝土碳化深度與碳化齡期平方根的關(guān)系

以鋼纖維摻量為0%,的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，用不同鋼纖維摻量下的碳化系數(shù)分別除以鋼纖維摻量為0%,的碳化系數(shù)．從文獻(xiàn)[6]鋼纖維混凝土碳化深度回歸方程可知，當(dāng)鋼纖維摻量分別為0.0%、1.0%、2.0%時，對應(yīng)的碳化深度摻量影響系數(shù)分別為1、0.769,1、0.781,0；從文獻(xiàn)[5]鋼纖維混凝土碳化深度回歸方程可以得出結(jié)論，當(dāng)鋼纖維摻量分別為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，對應(yīng)的碳化深度摻量影響系數(shù)為1、0.843,7、0.770,8、0.533,0、1.204,0．將兩組數(shù)據(jù)回歸，得到鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的關(guān)系，如圖4所示．

圖4 鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的關(guān)系

建立鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的模型．根據(jù)文獻(xiàn)[5]，當(dāng)鋼纖維摻量≤1.5%時,，得到碳化深度數(shù)學(xué)模型(見式(3))，鋼纖維摻量＞1.5%,時，得到碳化深度數(shù)學(xué)模型(見式4)；根據(jù)文獻(xiàn)[6]得到碳化深度數(shù)學(xué)模型式(5)，式(5)表明，當(dāng)ρf=-b/2a≈1.5時，多項式取最小值．兩組試驗得出相同結(jié)論：當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%,時，鋼纖維影響混

凝土抗碳化效果最好．

2 鋼纖維混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型分析

目前，有關(guān)鋼纖維混凝土碳化深度的數(shù)學(xué)模型主要見鄭州大學(xué)謝曉鵬[6](見式(6))和西安交通大學(xué)郭艷華等[8](見式(7))．第一個數(shù)學(xué)模型在考慮水灰比的情況下得到了很好的試驗效果，但水灰比與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)相比，實際中很難確切得到；第二個數(shù)學(xué)模型主要適用于不摻加鋼纖維的普通混凝土．所以，對鋼纖維混凝土碳化深度的數(shù)學(xué)模型還需要進(jìn)一步深入研究．

以文獻(xiàn)[5]鋼纖維混凝土碳化試驗以及Fick第一擴(kuò)散定律為基礎(chǔ)，以鋼纖維混凝土碳化齡期平方根、立方體抗壓強(qiáng)度平方根為出發(fā)點，得到碳化深度與碳化齡期平方根、立方體抗壓強(qiáng)度平方根的關(guān)系，如圖5所示．

圖5 碳化深度與碳化齡期平方根、立方體抗壓強(qiáng)度平方根的關(guān)系

由圖5鋼纖維混凝土碳化試驗數(shù)據(jù)，得到不同鋼纖維摻量0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 條件下鋼纖維混凝土碳化深度與碳化齡期平方根、立方體抗壓強(qiáng)度平方根的相應(yīng)規(guī)律(見表3)．

表3 鋼纖維混凝土碳化深度與碳化齡期平方根、立方體抗壓強(qiáng)度平方根的數(shù)學(xué)模型

以鋼纖維摻量0%,的碳化深度數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，分別得到鋼纖維摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時所對應(yīng)的混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)為1、0.932,5、0.861,4、0.566,3、1.160,7，得到鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的關(guān)系，如圖6所示．

圖6 鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)與鋼纖維摻量的關(guān)系

由圖6可以得到：當(dāng)鋼纖維摻量ρf≤1.5%,時，鋼纖維混凝土碳化深度的數(shù)學(xué)模型為

當(dāng)鋼纖維摻量ρf＞1.5%,時，鋼纖維混凝土碳化

深度數(shù)學(xué)模型為

式中：X 為混凝土碳化深度；ρf為鋼纖維摻量；fc為立方體抗壓強(qiáng)度；t為碳化齡期；β 為鋼纖維混凝土碳化深度摻量影響系數(shù)．

3 鋼纖維混凝土碳化深度預(yù)測模型的檢驗

由鋼纖維混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型式(8)和式(9)可以得到其碳化深度的預(yù)測值，將預(yù)測值與文獻(xiàn)[5]中相應(yīng)的試驗值進(jìn)行對比，具體見表4．

由表4對比結(jié)果可知：當(dāng)鋼纖維摻量≤1.5%,時，鋼纖維混凝土不同碳化齡期、不同鋼纖維摻量下的碳化深度的實際值與預(yù)測值的比值的平均值μ＝1.045，均方差σ＝0.169，變異系數(shù)δ＝0.161,7；當(dāng)鋼纖維摻量＞1.5%,時，鋼纖維混凝土碳化深度實際值與預(yù)測值的比值的平均值 μ＝1.15，均方差σ＝0.217，變異系數(shù)δ＝0.189，故鋼纖維混凝土碳化深度試驗值與預(yù)測值符合程度較好．

4 結(jié) 論

(1)鋼纖維混凝土的碳化深度與碳化齡期平方根成正比，與立方體抗壓強(qiáng)度平方根成反比，并且鋼纖維混凝土的碳化速率小于普通混凝土的．

(2)鋼纖維摻量由0.0%,→1.5%,遞增時，鋼纖維混凝土抗碳化性能增強(qiáng)；當(dāng)鋼纖維摻量從1.5%,→2.0%,遞增時，鋼纖維混凝土抗碳化性能降低；當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%,時，鋼纖維混凝土抗碳化性能最好．

(3)建立了鋼纖維混凝土碳化深度預(yù)測數(shù)學(xué)模型式(8)和式(9)；對預(yù)測模型進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明，預(yù)測值與試驗值符合程度較好．

［1］ 陳樹亮. 混凝土碳化機(jī)理、影響因素及預(yù)測模型[J].水利電力科技，2010，2(2)：13-23.

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［4］ 張海燕，把多鐸，王正中. 混凝土碳化深度預(yù)測模型[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報，2006，39(5)：42-45.

［5］ 苗元耀. 鋼纖維混凝土碳化性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

［6］ 謝曉鵬，高丹盈. 碳化作用下鋼纖維混凝土力學(xué)性能的試驗研究[J]. 混凝土，2006，3(3)：19-24.

［7］ 鄧宗才，方 操. 碳纖維布約束下鋼纖維混凝土與腐蝕鋼筋黏結(jié)性能的試驗研究[J]. 土木工程學(xué)報，2012，8(8)：41-47.

［8］ 郭艷華，潘慧敏，李志業(yè). 鋼纖維混凝土碳化性能研究[J]. 混凝土，2007，2(2)：45-47.

Study on Influencing Factors and Prediction Model of Carbonation Depth of Steel Fiber Concrete

WANG Zhan-hai，YANG De-jian
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Taking steel fiber reinforced concrete carbonization test as the research object,this research,based on the theory of normal concrete carbonation,explores the relationship among the depth of steel fiber concrete carbonation,the cube compressive strength,carbonation age,and steel fiber content. As a result,a prediction model of carbonation depth of steel fiber concrete is established and tested. The results show that the predicted values and experimental values are better,which provided a reference for steel fiber reinforced concrete carbonization study.

steel fiber concrete；carbonation depth；cube compressive strength；steel fiber content；the age of carbonation

TU528.572

A

2095-719X(2015)04-0262-05

2014-11-12；

2015-04-15

王占海（1988—），男，天津人，天津城建大學(xué)碩士生．