彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土受拉區(qū)碳化試驗(yàn)研究

王家濱，牛荻濤，張永利

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

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彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土受拉區(qū)碳化試驗(yàn)研究

王家濱，牛荻濤，張永利

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

為了研究隧道噴射混凝土單層襯砌碳化規(guī)律，采用快速碳化實(shí)驗(yàn)方法，研究了不同彎曲應(yīng)力(0，0.25，0.5及0.75)作用下噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土受拉區(qū)碳化深度變化規(guī)律。結(jié)果表明，噴射混凝土碳化深度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律服從Fick第一定律，碳化深度隨著碳化齡期和彎曲應(yīng)力的增加而增大。同實(shí)驗(yàn)條件下，噴射混凝土碳化深度小于普通混凝土，而鋼纖維的加入進(jìn)一步減小噴射混凝土同齡期碳化深度。在考慮彎曲應(yīng)力影響系數(shù)、鋼纖維影響系數(shù)及施工方式影響系數(shù)基礎(chǔ)上對(duì)普通混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，使其能夠較好預(yù)測(cè)噴射混凝土碳化深度。

隧道工程；耐久性；噴射混凝土；碳化；彎曲應(yīng)力

0　引　言

噴射混凝土是借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣將混凝土或一定比例的水泥、砂、石拌合料，通過軟管以高速噴射到受噴面上并快速凝結(jié)硬化的一種混凝土[1]。與普通混凝土相比，噴射混凝土因速凝劑的摻入而具有極短的終凝時(shí)間和高早齡期強(qiáng)度[2]，故其廣泛應(yīng)用于隧道初期及永久支護(hù)、礦山巷道支護(hù)、道路邊坡以及結(jié)構(gòu)加固及維修等領(lǐng)域[3-5]。在現(xiàn)代隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，以噴射混凝土為主體的單層襯砌成為未來發(fā)展趨勢(shì)。而在隧道運(yùn)營過程中，尤其是海底隧道，因其內(nèi)部環(huán)境相對(duì)封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度較高，襯砌結(jié)構(gòu)碳化速度加快，最終導(dǎo)致鋼筋的銹蝕及結(jié)構(gòu)承載力及可靠度下降，威脅隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性、使用壽命及安全運(yùn)營[6]。

混凝土碳化是一個(gè)物理化學(xué)反應(yīng)過程，其主要表現(xiàn)為混凝土中維持其堿度的氫氧化鈣含量降低，混凝土呈現(xiàn)中性化，最終鋼筋表面脫鈍引發(fā)襯砌混凝土銹脹開裂[7-10]。而拉應(yīng)力的存在加速并加劇了襯砌混凝土碳化及耐久性劣化[6,11]，為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)應(yīng)力作用下混凝土碳化過程及碳化深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了一系列研究[12-19]。而針對(duì)噴射混凝土、特別是鋼纖維噴射混凝土的研究尚未見報(bào)道。本文通過快速碳化實(shí)驗(yàn)方法，開展不同彎曲應(yīng)力狀態(tài)下噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土碳化實(shí)驗(yàn)；通過對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)碳化深度預(yù)測(cè)模型中擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正，最后對(duì)碳化后噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究噴射混凝土耐久性提供參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原材料與配合比

水泥為寶雞海螺PO42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為陜西寶源Ⅱ粉煤灰，速凝劑為山西桑穆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的低堿速凝劑，摻量4%。水泥化學(xué)、礦物組成及性能示于表1及2；粉煤灰及速凝劑化學(xué)組成示于表1。

表1　實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)組成

細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為3.4的粗砂，粗骨料為連續(xù)級(jí)配瓜米石，骨料均來自天水麥積格崖石料廠；鋼纖維為上海青浦商榻金屬纖維廠生產(chǎn)冷壓剪切波浪型鋼纖維，抗拉強(qiáng)度300 MPa，長(zhǎng)30 mm，寬2 mm，等效長(zhǎng)徑比為34；減水劑為山西凱迪建材KDPCA-1型聚羧酸系高效減水劑，摻量1%，減水率27%；速凝劑為山西桑穆斯建材有限公司生產(chǎn)的粉狀速凝劑，其主要成分為偏鋁酸鈉及硅酸二鈣。實(shí)驗(yàn)噴射混凝土水膠比為0.43，砂率50%，其配合比及抗壓強(qiáng)度示于表3及4。

表2　水泥礦物組成及性能

表3　噴射混凝土配合比

表4　噴射混凝土試件力學(xué)性能

1.2試件制作

噴射混凝土試件取自寶雞至蘭州客運(yùn)專線甘肅天水段麥積山隧道1#斜井施工現(xiàn)場(chǎng)，采用干噴大板法進(jìn)行制作，大板尺寸為1 000 mm×500 mm×150 mm。大板成型3 h后拆模，噴水養(yǎng)護(hù)；1 d后放入隧道中同環(huán)境養(yǎng)護(hù)7 d(洞內(nèi)環(huán)境溫度15 ℃，濕度70%)，而后使用巖石切割機(jī)將大板切割成實(shí)驗(yàn)用棱柱體試件(方法為首先沿短邊兩側(cè)各切去50 mm，沿長(zhǎng)邊一側(cè)切去50 mm，而后沿長(zhǎng)邊依次切取9個(gè)棱柱體，而后再將棱柱體上下兩面分別切去10 mm)，其尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，并將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d，最后將試件置于室外自然養(yǎng)護(hù)至90 d。試件制作示于圖1；切割方式示于圖2。

圖1　試件制作方式

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1應(yīng)力加載方案

本文中彎曲應(yīng)力采用彈簧加載方式[20]，在加載之前采用上海華龍生產(chǎn)液壓伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)(量程100 kN，加載速率為1 mm/min，加載至10 mm時(shí)停止，以免將彈簧加載至塑性變形)測(cè)試并計(jì)算每個(gè)彈簧的彈性模量，以保證加載應(yīng)力的準(zhǔn)確。為了防止長(zhǎng)期加載而造成的應(yīng)力松弛，在加載裝置中安裝SH-30K型數(shù)顯推拉力計(jì)(量程3 kN，精度0.01 N，上海思為儀器制造有限公司產(chǎn))對(duì)荷載F進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)調(diào)節(jié)彈簧壓縮量。試件加載裝置及試件受力方式示于圖3。實(shí)驗(yàn)開始前，測(cè)定試件抗折強(qiáng)度ff；實(shí)驗(yàn)試件受力方式采用三分點(diǎn)加載法，即四點(diǎn)彎曲加載法，加載彎曲應(yīng)力分別為0.25，0.5及0.75ff。

1.3.2碳化實(shí)驗(yàn)

碳化實(shí)驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)中快速碳化法進(jìn)行。首先將試件至于鼓風(fēng)干燥箱中60 ℃烘干48 h，待試件降至室溫后對(duì)其按照不同應(yīng)力比進(jìn)行加載。然后，在加載后試件4個(gè)側(cè)面采用石蠟進(jìn)行密封，只保留1組100×400對(duì)面作為碳化面，而后在重慶五環(huán)產(chǎn)ZHT/W2300型大氣氣候環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行快速碳化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)3.5 m、寬2.5 m、高2.0 m，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為CO2濃度為(20±3)%，濕度(70±5)%，溫度(20±2) ℃?？焖偬蓟瘜?shí)驗(yàn)共進(jìn)行5個(gè)齡期，分別為7，14，28，42和56 d。待到達(dá)齡期后測(cè)試試件抗折強(qiáng)度，并在干凈的斷口處均勻噴涂1%酒精酚酞溶液，測(cè)試試件碳化深度。

圖2　噴射混凝土大板切割方式示意圖

圖3　實(shí)驗(yàn)加載裝置及方式

2　結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力狀態(tài)對(duì)試件碳化深度影響

應(yīng)力作用下試件受拉區(qū)碳化深度經(jīng)時(shí)變化示于圖4-6。從圖4-6可看出，隨著碳化齡期增長(zhǎng)，試件碳化深度增大，且隨著彎曲應(yīng)力增大，試件碳化深度出現(xiàn)不同程度的增大。

圖4　應(yīng)力狀態(tài)下普通混凝土受拉區(qū)碳化深度

Fig 4 Tensile area carbonation depth of specimen C43F10

圖5　應(yīng)力狀態(tài)下普通噴射混凝土受拉區(qū)碳化深度

Fig 5 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10

圖6　應(yīng)力狀態(tài)下鋼纖維噴射混凝土受拉區(qū)碳化深度

Fig 6 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10SF50

(1) 同碳化齡期及同應(yīng)力水平下，普通混凝土受拉區(qū)碳化深度顯著大于噴射混凝土，且鋼纖維噴射混凝土碳化深度明顯低于普通噴射混凝土。其原因?yàn)椋菏紫龋瑖娚浠炷潦窃诳諝鈮毫ψ饔孟聫膰娮焯幐咚賴姵?，膠凝材料及骨料相互沖擊壓實(shí)而形成的，其密實(shí)度高于普通混凝土；其次，噴射混凝土終凝時(shí)間極短，膠凝材料水化速度極快，使得試件內(nèi)部致密度迅速增加；再次，噴射混凝土中添加4%堿性速凝劑，使試件中總堿量增加，可碳化堿性水化產(chǎn)物含量增多[21]。綜上所述，噴射混凝土抗碳化性能優(yōu)于普通混凝土；(2) 同碳化齡期下，鋼纖維噴射混凝土碳化深度顯著小于普通噴射混凝土，且碳化齡期越長(zhǎng)，二者碳化深度差值愈大。其原因?yàn)椋轰摾w維的摻入一方面可顯著減少噴射混凝土早期因快速水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮裂縫的數(shù)量且限制其進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使試件內(nèi)部微裂縫及連通氣孔顯著減少，阻斷二氧化碳的進(jìn)入及擴(kuò)散[22]；另一方面，鋼纖維可增大試件的抗折強(qiáng)度，提高試件的斷裂能。在同樣的彎曲應(yīng)力比作用下，試件受拉區(qū)邊緣抗拉強(qiáng)度增大，減緩受拉區(qū)邊緣裂縫的出現(xiàn)和進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)亦可減小因受拉區(qū)受拉裂縫縱向深度，試件抗碳化性能進(jìn)一步提高。(3) 同碳化齡期下，同種試件受拉區(qū)碳化深度隨著彎曲應(yīng)力增大而增大。在彎曲應(yīng)力作用下，試件受拉區(qū)邊緣拉應(yīng)力大于此部分混凝土抗拉強(qiáng)度，從而開裂產(chǎn)生受拉裂縫；隨著彎曲應(yīng)力增大，試件受拉區(qū)裂縫的縱向深度不斷擴(kuò)展，為二氧化碳的侵入提供通道，加速試件碳化反應(yīng)，故隨著彎曲應(yīng)力的增大，試件受拉區(qū)碳化深度增加。

2.2與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

為了進(jìn)一步研究彎曲應(yīng)力對(duì)混凝土碳化深度的影響，將本文結(jié)果與其它學(xué)者[12-17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖7所示為彎曲應(yīng)力對(duì)混凝土相對(duì)碳化深度影響統(tǒng)計(jì)圖。從圖7可以看出，各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差很大且較為離散，其原因?yàn)楦魑墨I(xiàn)采用的混凝土配合比等不同而造成其本身具有較大差異性且實(shí)驗(yàn)環(huán)境各不相同，另外加載方式也不盡相同造成的。但從結(jié)果均可以看出，碳化深度隨著拉應(yīng)力比的增大而增大。

圖7　文獻(xiàn)中相對(duì)碳化深度與拉應(yīng)力水平關(guān)系

2.3碳化后試件力學(xué)性能

圖8(a)為無應(yīng)力狀態(tài)下碳化后試件抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。從圖8(a)可看出，隨著碳化深度增大，試件抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度增大，且強(qiáng)度與碳化深度呈線性關(guān)系。另外，普通混凝土雖然初始力學(xué)性能高，但強(qiáng)度增長(zhǎng)率低。普通噴射混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最快，鋼纖維噴射混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率最快。這是因?yàn)榕c同配合比普通混凝土相比，噴射混凝土本身密實(shí)度較高，毛細(xì)連通孔數(shù)量少。少量碳化產(chǎn)物即可將試件內(nèi)部微孔填充，使試件密實(shí)度進(jìn)一步增大，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度快速提高。而對(duì)于鋼纖維噴射混凝土，鋼纖維對(duì)試件抗壓強(qiáng)度增大所起到的作用較小，而對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大。經(jīng)碳化過后的試件，碳化產(chǎn)物填充于混凝土基體內(nèi)部微裂縫、微氣孔及基體-鋼纖維界面中，使鋼纖維噴射混凝土基體密實(shí)度增高，孔隙率減小。同時(shí)，基體-纖維界面強(qiáng)度增大，纖維拉拔應(yīng)力提高，試件斷裂能提高，劈裂抗拉強(qiáng)度增大。

圖8(b)為無應(yīng)力狀態(tài)下碳化后試件抗折強(qiáng)度。從圖8(b)可看出，隨著碳化齡期增大，即隨著碳化深度增大，試件抗折強(qiáng)度先快速降低，而后趨于穩(wěn)定。同齡期下，普通噴射混凝土抗折強(qiáng)度明顯低于普通混凝土，而鋼纖維噴射混凝土抗折強(qiáng)度明顯增大。隨著碳化齡期增大，試件碳化深度增大，因碳化反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)收縮量增大，收縮微裂縫增多。在斷裂應(yīng)力作用下，收縮裂縫快速開展并相互連通，合并成為主裂縫，試件斷裂，故試件抗折強(qiáng)度隨著碳化齡期增大而降低；對(duì)于普通噴射混凝土，因膠凝材料水化硬化反應(yīng)極快，水化產(chǎn)物快速形成并異常長(zhǎng)大[23]，形成初始缺陷，試件初始抗折強(qiáng)度比普通混凝土低。在碳化作用下，碳化收縮裂縫增多，抗折強(qiáng)度下降；而對(duì)于鋼纖維噴射混凝土，碳化產(chǎn)物將試件混凝土基體-鋼纖維界面填充，鋼纖維粘結(jié)應(yīng)力增大，斷裂能提高。同時(shí)，鋼纖維可抑制化學(xué)收縮裂縫的產(chǎn)生和開展，故鋼纖維噴射混凝土抗折強(qiáng)度下降較為緩慢。

圖8　無應(yīng)力狀態(tài)碳化后試件力學(xué)性能

3　彎曲應(yīng)力作用下碳化深度模型修正

近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型[24]，這些模型考察的主要影響因素各不相同且表達(dá)形式不一，但都以Fick第一定律為基本形式，其表達(dá)式為

(1)

綜合考慮實(shí)驗(yàn)條件及相關(guān)配合比參數(shù)，本文采用張譽(yù)碳化深度預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮施工工藝系數(shù)、鋼纖維影響系數(shù)及彎曲拉應(yīng)力加速影響系數(shù)，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展至彎曲應(yīng)力下噴射混凝土碳化深度預(yù)測(cè)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其較好吻合Fick第一定律(示于圖9)，故基于式(1)，得出彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型一般形式為

(2)

其中

(3)

；T為碳化時(shí)間，d；kη為模型調(diào)整系數(shù)；kf為噴射施工影響因素；kσt為彎曲應(yīng)力水平影響系數(shù)；ks為鋼纖維影響系數(shù)；RH為環(huán)境相對(duì)濕度，%；W/C為水灰比；n0為二氧化碳體積濃度，%；γHD為水泥水化程度修正系數(shù)，養(yǎng)護(hù)齡期>90 d取1；28 d取0.85，中間線性內(nèi)插；γc為水泥品種修正系數(shù)，硅酸鹽水泥取1，其它品種的水泥取γc=1-水泥中摻和料含量。

圖9　不同彎曲應(yīng)力下試件深度變化規(guī)律

為了定量分析彎曲應(yīng)力水平對(duì)噴射混凝土碳化加速作用，采用彎曲應(yīng)力水平影響系數(shù)kσt進(jìn)行表征。彎曲應(yīng)力水平影響系數(shù)kσt定義為彎曲應(yīng)力水平為σ時(shí)噴射混凝土受拉區(qū)碳化深度與無應(yīng)力時(shí)碳化深度比值，其關(guān)系示于圖10。

圖10　碳化深度比值與彎曲應(yīng)力比關(guān)系

從圖10可以看出，kσt不僅與應(yīng)力水平相關(guān)，而且與碳化時(shí)間相關(guān)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到kσt與應(yīng)力水平σ之間的關(guān)系

(4)

式中，σ為彎曲應(yīng)力水平。

鋼纖維影響系數(shù)定義為鋼纖維噴射混凝土的碳化深度與普通噴射混凝土碳化深度的比值。由于本文僅研究了鋼纖維摻量為0及50 kg/m3時(shí)對(duì)噴射混凝土碳化深度的影響，因此假定鋼纖維摻量對(duì)碳化深度的影響關(guān)系為線性ks=1-0.006w

(5)

式中，w為鋼纖維摻量，kg/m3。

施工工藝影響系數(shù)定義為噴射混凝土碳化深度與普通混凝土的碳化深度比值，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出

(6)

模型調(diào)節(jié)系數(shù)主要考慮實(shí)驗(yàn)過程中所用材料、試件制作過程、碳化環(huán)境等的不一致性所造成的碳化深度的差異，通過試算，模型調(diào)節(jié)系數(shù)取

(7)

將上述系數(shù)代入式(2)及(3)，得出彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型為

(8)

將相應(yīng)系數(shù)帶入式(8)，得出噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土不同彎曲應(yīng)力作用下碳化深度預(yù)測(cè)值，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，其關(guān)系示于圖11。

圖11　試件碳化深度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

從圖11可以看出，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差處于10%以內(nèi)，其平均值為1.002，標(biāo)準(zhǔn)差為0.066，通過此模型可較好的進(jìn)行彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土碳化深度預(yù)測(cè)。

4　結(jié)　論

(1)彎曲應(yīng)力作用下混凝土碳化深度經(jīng)時(shí)變化符合Fick第一定律，且隨著彎曲應(yīng)力比增大，試件碳化深度增大。同條件作用下，噴射混凝土碳化深度小于普通混凝土，這由噴射混凝土配合比、水化過程及施工方式的特殊性所決定；鋼纖維的加入可改善噴射混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)并減少試件受拉區(qū)微裂縫數(shù)量和開裂深度，使噴射混凝土碳化深度進(jìn)一步減小。

(2)噴射混凝土拉應(yīng)力影響系數(shù)不僅與彎曲應(yīng)力比和是否添加鋼纖維有關(guān)，且隨著碳化齡期的增大而增大；同時(shí)，與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比分析可以看出，彎曲應(yīng)力作用下混凝土相對(duì)碳化深度同樣受水灰比、摻和料及埋設(shè)鋼筋等因素影響，這為后期實(shí)驗(yàn)的開展提供方向。

(3)在引入彎曲應(yīng)力影響系數(shù)、施工工藝影響系數(shù)及鋼纖維影響系數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)普通混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，使之適用于噴射混凝土，同時(shí)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，其吻合程度較高。

致謝：感謝西安建筑科技大學(xué)博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目的大力支持！

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Influence of accelerated carbonation on shotcrete at tensile area under bending stress

WANG Jiabin，NIU Ditao，ZHANG Yongli

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055，China)

In order to research the carbonation of shotcrete single-layer lining in tunnel, the accelerator carbonation of shotcrete with and without steel fiber under bending stress which the ratios of flexural strength were 0, 0.25, 0.5 and 0.75, respectively were studied. The carbonation depth of shotcrete obeys Fick’s first law and increased with the carbonation age and bending stress improved. In the similar experiment conditions, the carbonation depth of shotcrete was small than ordinary concrete. Meanwhile, the carbonation depth of steel fiber reinforced shotcrete was much less than ordinary shotcrete at the same age. Based on the influence coefficients of bending stress, steel fiber and construction mode, the carbonation depth prediction model of ordinary concrete was modified.

tunnel engineering; durability; shotcrete; carbonation; bending stress

1001-9731(2016)08-08232-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278403)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT13089)

2015-05-12

2016-03-16 通訊作者：牛荻濤，E-mail: niuditao@163.com

王家濱(1986-)，男，河南新鄉(xiāng)人，在讀博士，師承牛荻濤教授，從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究。

TU528

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.042