肖前慧,牛荻濤
(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)
目前,環(huán)境問題日益嚴(yán)重,混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件也越來越復(fù)雜,大大影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能.在寒冷地區(qū),混凝土結(jié)構(gòu)主要經(jīng)受凍融循環(huán)和大氣中二氧化碳的碳化作用.對于凍融循環(huán)、碳化等單一因素作用下的混凝土耐久性問題,國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作,其中的許多結(jié)論和經(jīng)驗公式已經(jīng)在學(xué)術(shù)界達(dá)成共識,并且在工程實際中得到了廣泛應(yīng)用和驗證[1-5].然而,有關(guān)凍融和碳化共同作用下混凝土耐久性問題的研究只是初步和零星的[6-8].因此,本文開展了混凝土的耐久性試驗,研究了混凝土遭受凍融循環(huán)和碳化共同作用時的內(nèi)部損傷演化過程,并建立了損傷模型.
水泥選用陜西秦嶺水泥總廠的P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥,細(xì)度為3.4%(80μm 方孔篩篩余);粉煤灰為渭河電廠Ⅱ級粉煤灰,細(xì)度為18%(45μm方孔篩篩余);細(xì)骨料為西安灞河中砂;粗骨料為陜西涇陽口鎮(zhèn)石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石(粒徑5~20mm);引氣劑采用同濟(jì)大學(xué)以天然野生植物皂類為主要原料研制的SJ-3型高效引氣劑;水為自來水.混凝土的配合比見表1.
表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3
混凝土試件凍融循環(huán)和碳化試驗根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,試件尺寸為100 mm×100 mm×400mm.試件成型后帶模養(yǎng)護(hù)24h,拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±1℃,相對濕度大于95%)養(yǎng)護(hù)30d,之后自然養(yǎng)護(hù)到預(yù)定齡期90d.
由于凍融和碳化作用機(jī)理不同,發(fā)生作用后混凝土結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物也不同,一般而言碳化使結(jié)構(gòu)變致密,而凍融使結(jié)構(gòu)變疏松.因此在試驗中先進(jìn)行凍融還是碳化,都會對2個因素的復(fù)合結(jié)果帶來影響.為了避免這種影響,試驗?zāi)J椒?組:
(1)凍融-碳化(F50C):先凍融50次,然后碳化7d,每個循環(huán)為15d,共進(jìn)行4個大循環(huán).
(2)碳化-凍融(CF50):先碳化7d,然后凍融50次,每個循環(huán)為15d,共進(jìn)行4個大循環(huán).
(3)單一凍融(F):每25次凍融循環(huán)為1個大循環(huán),每個大循環(huán)約4d,共進(jìn)行8個大循環(huán).
表2給出了試件分組情況.
表2 試件分組Table 2 Specimen groups
混凝土在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量變化規(guī)律如圖1所示.由圖1可以看出,水膠比越大,混凝土試件的質(zhì)量下降速率越大,這與單一凍融試驗?zāi)J较禄炷猎嚰|(zhì)量變化規(guī)律一致.
圖2~4 分別給出了水膠比為0.35,0.45 和0.55的混凝土試件在單一凍融和凍融-碳化試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率.由圖2~4可以看出,試件在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率明顯大于在單一凍融試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率;同時隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失速率增大.
通過對試驗結(jié)果的分析,得出凍融-碳化試驗?zāi)J较禄炷临|(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系如下:
圖1 混凝土在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量變化規(guī)律Fig.1 Variation of concrete mass under the test mode of F50C
圖2 水膠比0.35混凝土在不同試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss rate under different test modes of concrete with water-binder ratio of 0.35
圖3 水膠比0.45混凝土在不同試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss rate under different test modes of concrete with water-binder ratio of 0.45
式中:Gn為混凝土質(zhì)量;n為凍融循環(huán)次數(shù);k為與混凝土水膠比mw/mb有關(guān)的系數(shù),k=-0.125mw/mb+1.054(R2=0.986).
GB/T 50082—2009中快凍法對凍融后混凝土的實際考察指標(biāo)是動彈性模量.動彈性模量的測定是非破損的,能考察同一試件在凍融過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞的過程.
圖4 水膠比0.55混凝土在不同試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate under different test modes of concrete with water-binder ratio of 0.55
圖5分別描述了水膠比為0.35,0.45 及0.55的混凝土試件在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌膭訌椥阅A侩S凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.由圖5可見,水膠比對混凝土動彈性模量的影響較大,水膠比小的混凝土在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的動彈性模量明顯高于水膠比大的混凝土.
圖5 混凝土在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌膭訌椥阅A孔兓?guī)律Fig.5 Variation of concrete dynamic modulus of elasticity under the test mode of F50C
圖6~8分別為水膠比0.35,0.45和0.55的混凝土試件在單一凍融和凍融-碳化試驗?zāi)J较孪鄬訌椥阅A縀d的變化規(guī)律.由圖6~8可見,水膠比對混凝土相對動彈性模量的影響較大,水膠比小的混凝土在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動彈性模量明顯高于水膠比大的混凝土.由圖6~8還可以看出,混凝土在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌南鄬訌椥阅A啃∮谄湓趩我粌鋈谠囼災(zāi)J较碌南鄬訌椥阅A?,即混凝土在凍融-碳化?fù)合作用下的抗凍性劣于單一凍融作用下的抗凍性.
圖6 水膠比0.35混凝土在不同試驗?zāi)J较碌南鄬訌椥阅A縁ig.6 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.35
圖7 水膠比0.45混凝土在不同試驗?zāi)J较碌南鄬訌椥阅A縁ig.7 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.45
圖8 水膠比0.55混凝土在不同試驗?zāi)J较碌南鄬訌椥阅A縁ig.8 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.55
圖7還描述了水膠比為0.45的混凝土試件在凍融-碳化和碳化-凍融試驗?zāi)J较孪鄬訌椥阅A侩S凍融循環(huán)次數(shù)增加而變化的規(guī)律.試驗表明,先碳化的混凝土由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實因而要比先凍融的混凝土相對動彈性模量高,即抗凍性好.因此,建議寒冷地區(qū)盡量減少冬季施工.
由圖6~8可見,混凝土在凍融循環(huán)和碳化共同作用下,其相對動彈性模量Ed與凍融循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系可以用函數(shù)表示,即Ed=f(n),函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為
通過對微分方程求解并代入邊界條件,得到凍融循環(huán)和碳化共同作用下混凝土相對動彈性模量演化方程如下:
式中:a1,a0分別為與混凝土材料相關(guān)的參數(shù).
按式(2)對凍融循環(huán)和碳化共同作用下混凝土試件C3的相對動彈性模量進(jìn)行擬合,結(jié)果見圖9.
圖9 凍融-碳化共同作用下混凝土相對動彈性模量演化方程擬合Fig.9 Evolution equation simulation of concrete relative dynamic modulus of elasticity under freeze-thaw cycles and carbonization
通過試驗結(jié)果和擬合結(jié)果的對比分析可知,使用式(2)對混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合,兩者具有很好的相關(guān)性.
(1)混凝土在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率大于單一凍融試驗?zāi)J较碌馁|(zhì)量損失率;混凝土在凍融-碳化試驗?zāi)J较碌南鄬訌椥阅A啃∮趩我粌鋈谠囼災(zāi)J较碌南鄬訌椥阅A浚椿炷猎趦鋈冢蓟瘡?fù)合作用下的抗凍性劣于單一凍融作用下的抗凍性.
(2)先碳化的混凝土由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實而要比先凍融的混凝土在劣化過程中的相對動彈性模量高,即抗凍性好.因此,建議寒冷地區(qū)盡量減少冬季施工.
(3)通過對試驗結(jié)果中混凝土質(zhì)量的分析,建立了凍融和碳化共同作用下不同水膠比混凝土的質(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系.
(4)建立了凍融和碳化共同作用下混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系,該函數(shù)擬合精度較高.
[1]HOBBS D W.Carbonation of concrete containing PFA[J].Magazine of Concrete Research,1994,46(166):35-38.
[2]PAPADAKIS V G,VAYENAS C G,F(xiàn)ARDIS M N.Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation[J].ACI Materials Journal,1991,88(4):363-373.
[3]VESIKARI E.Service life design of concrete structure with regard to frost resistance of concrete,publication No.5[R].Oslo:Nordic Concrete Research,1986:215-228.
[4]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京:科學(xué)出版社,2003:55-79.NIU Ditao.Durability and life forecast of reinforced concrete structure[M].Beijing:Science Press,2003:55-79.(in Chinese)
[5]張譽(yù),蔣利學(xué),張偉平,等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,2003:79-81,226-232.ZHANG Yu,JIANG Lixue,ZHANG Weiping,et al.Conspectus of concrete structure durability[M].Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,2003:79-81,226-232.(in Chinese)
[6]金祖權(quán).西部地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測[D].南京:東南大學(xué),2006.JIN Zuquan.Durability and life forecast of concrete under astringent environment in western areas[D].Nanjing:Southeast University,2006.(in Chinese)
[7]余紅發(fā),慕儒,孫偉,等.彎曲荷載、化學(xué)腐蝕和碳化作用及其復(fù)合對混凝土抗凍性的影響[J].硅酸鹽 學(xué)報,2005,33(4):492-499.YU Hongfa,MU Ru,SUN Wei,et al.Effects of flexural loads,chemical attack,carbonation and their combination on freezing thawing durability of concretes[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2005,33(4):492-499.(in Chinese)
[8]燕坤.多重因素作用下碳化混凝土的抗凍性[D].南京:南京航空航天大學(xué),2007.YAN Kun.The capability of carbonated concrete in resisting to freeze-thaw cycles under the effect of multiple factors[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2007.(in Chinese)