壓應(yīng)力下混凝土結(jié)構(gòu)碳化試驗(yàn)研究

梁俊勇， 黃琪英， 王東， 毛亮

(四川理工學(xué)院土木工程學(xué)院， 四川自貢643000)

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壓應(yīng)力下混凝土結(jié)構(gòu)碳化試驗(yàn)研究

梁俊勇， 黃琪英， 王東， 毛亮

(四川理工學(xué)院土木工程學(xué)院， 四川自貢643000)

進(jìn)行了在碳化箱中加速腐蝕碳化環(huán)境狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)碳化試驗(yàn)，試件為直接受壓的應(yīng)力狀態(tài)，闡述了試驗(yàn)中采用休哈特控制圖對(duì)碳化深度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)控制原理，建立了壓應(yīng)力狀態(tài)下碳化深度動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)控制模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效的對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在壓應(yīng)力工作狀態(tài)下的碳化深度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)價(jià)和控制，避免對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性及穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，造成安全隱患，從而確保在承載環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。

壓應(yīng)力；鋼筋混凝土；碳化；耐久性

引言

隨著建筑工程項(xiàng)目規(guī)模的日益增大，鋼筋混凝土的碳化腐蝕研究成為鋼混結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)[1]。而碳化腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因及重要前提條件，目前，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)碳化腐蝕的研究主要集中在三個(gè)方面[2]：首先是對(duì)碳化腐蝕機(jī)理的研究，對(duì)于此項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)、研究方法較多，機(jī)理成因分析也比較成熟；陳立亭[3]、黃濤[4]等對(duì)混凝土碳化模型及其碳化機(jī)理參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了以混凝土抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)，考慮氣體擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型；其次是對(duì)鋼筋混凝土碳化腐蝕深度預(yù)測(cè)模型的研究，如牛荻濤[5]運(yùn)用隨機(jī)模型對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行預(yù)測(cè)；第三是對(duì)碳化腐蝕病害防治方法的研究，趙衛(wèi)國(guó)[6]等對(duì)公路鋼筋混凝土梁橋的碳化病害防止分析，提出橋梁應(yīng)對(duì)碳化病害的維護(hù)管理模型。迄今為止對(duì)其碳化腐蝕深度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)較少，尤其是橋梁、隧道等鋼筋混凝土承載壓應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)下，鑒于此，本文首先通過(guò)加速碳化試驗(yàn)，對(duì)壓應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度腐蝕測(cè)量試驗(yàn)，獲得相關(guān)碳化數(shù)據(jù)，其次根據(jù)休哈特控制圖原理設(shè)計(jì)碳化深度統(tǒng)計(jì)控制模型，最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析和控制的有效性。

1混凝土結(jié)構(gòu)碳化研究意義

建筑施工生產(chǎn)不同于其他工業(yè)生產(chǎn)，混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前全球最為廣泛應(yīng)用的土木結(jié)構(gòu)形式之一，尤其是進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著我國(guó)城市化建設(shè)、新農(nóng)村保障性安居工程、社會(huì)公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等項(xiàng)目的高速發(fā)展，我國(guó)每年消耗在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的費(fèi)用達(dá)2000多億元，根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示[7]，2014年全年我國(guó)生產(chǎn)商品混凝土1.56E9立方米，同比增長(zhǎng)11.39%。特別是2000年之后，建筑業(yè)井噴式發(fā)展，使得建筑行業(yè)增加產(chǎn)值占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比重保持在6.65%左右，總產(chǎn)值約95 206億元，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

混凝土結(jié)構(gòu)被普遍認(rèn)為是一種抗壓及抗拉強(qiáng)度極好的建筑應(yīng)用材料，從而在一定程度上忽視了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，而全球溫室效應(yīng)日益顯著，尤其是我國(guó)目前大氣中CO2的平均濃度接近400 ppm，這一濃度水平比工業(yè)革命前約增加了40%，預(yù)計(jì)到2100年將上升到650 ppm[8]，由此將對(duì)混凝土碳化腐蝕產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)CO2進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，與混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)發(fā)生中性化反應(yīng)，當(dāng)超過(guò)鋼筋混凝土的保護(hù)層時(shí)，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的鈍化保護(hù)，使鋼筋脫鈍銹蝕，體積膨脹，引起保護(hù)層開(kāi)裂或脫落，且鋼筋與混凝土之間粘接力破壞、鋼筋受力截面減小、結(jié)構(gòu)耐久性降低，后果將是結(jié)構(gòu)垮塌等安全事故。因此，進(jìn)行混凝土碳化的深度在線監(jiān)測(cè)和分析具有重要意義。

2壓應(yīng)力下混凝土碳化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

建筑施工混凝土碳化腐蝕是隨著CO2氣體向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴(kuò)散，與孔隙水及各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)的復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。由此可知[9]，影響碳化深度的因素主要包括水泥品種、水泥量、水灰比、摻合料、外加劑、養(yǎng)護(hù)方式、攪拌方式、振搗方式、CO2濃度、有害氣體(包括成分和濃度等)、暴露溫度、濕度、應(yīng)力類型、應(yīng)力大小、粉煤灰等級(jí)、配筋位置、澆注面等，本文僅針對(duì)壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行碳化深度的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)[10]。

水泥試驗(yàn)材料選用天瑞水泥廠生產(chǎn)的P.O 52.5型普通硅酸鹽水泥，砂子的細(xì)度模數(shù)為2.3，級(jí)配為II區(qū)，含泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%(按質(zhì)量計(jì))，泥塊含量0%，石子材質(zhì)為石灰?guī)r，小碎石，一級(jí)配5～15 mm，容重為1500 kg/m3。鋼筋混凝土試件的配合比及混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)見(jiàn)表1，其中fc為混凝土抗壓強(qiáng)度，壓應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)采用后張法，試件尺寸150*150*450 mm，混凝土所配鋼筋統(tǒng)一為φ10。

表1混凝土試件配合比

試驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室加速碳化，即試件置于碳化箱加速腐蝕[11]，碳化箱采用DHS-010型低溫恒定濕熱試驗(yàn)箱(試驗(yàn)溫度調(diào)節(jié)范圍0～100 ℃，濕度調(diào)節(jié)范圍為30%～98%)。國(guó)際上加速碳化試驗(yàn)的條件并不統(tǒng)一[12]，本碳化試驗(yàn)環(huán)境按照《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)規(guī)定執(zhí)行[13]。加速碳化箱環(huán)境詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2碳化箱環(huán)境參數(shù)

3碳化深度測(cè)量方法和模型

3.1碳化深度測(cè)量方法

目前，混凝土碳化深度測(cè)定使用頻率比較高的方法有[14]：酚酞指示劑法、熱分析法、X射線物相分析法和紅外光譜法等。本文采取實(shí)驗(yàn)室常用的酚酞指示劑法，即加速碳化時(shí)間第30 d時(shí)，取出試件破型，除去試件斷面上殘存的粉末，立即噴上酒精酚酞試劑。待斷面上試劑干后，按每15 mm一個(gè)測(cè)點(diǎn)用游標(biāo)卡尺分別測(cè)定自混凝土受壓表面至深處不變色(未碳化部分呈紫紅色)處垂直距離1～2次，該距離即為混凝土的碳化深度值。試件30 d時(shí)的碳化腐蝕深度值見(jiàn)表3。為避免隨機(jī)誤差，試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為9個(gè)組別，每個(gè)組別測(cè)9個(gè)樣本點(diǎn)，其中Zi代表組別，Yi表示樣本，R表示極差。

3.2構(gòu)建碳化深度控制模型

如果混凝土的碳化深度處于穩(wěn)定的可控狀態(tài)，即碳化深度在某一穩(wěn)定值附近上下波動(dòng)，由統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)可知，這時(shí)的碳化深度值X指標(biāo)應(yīng)該服從正態(tài)分布[15]，此時(shí)可通過(guò)構(gòu)造適當(dāng)?shù)臉颖窘y(tǒng)計(jì)量利用顯著性水平假設(shè)檢驗(yàn)及休哈特控制圖等對(duì)其進(jìn)行碳化深度監(jiān)測(cè)。

表330 d時(shí)混凝土試件受壓面的碳化深度(單位/mm)

顯著性假設(shè)檢驗(yàn)，樣本均值公式：

修正樣本標(biāo)準(zhǔn)差：

根據(jù)正態(tài)總體隨機(jī)抽樣樣本均值正態(tài)分布性質(zhì)知

R控制圖中心線：

R控制圖控制上限：

R控制圖控制下限：

圖130 d碳化深度Xbar-R控制圖

3.3碳化深度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)控制應(yīng)用

按照試驗(yàn)單一變量原則，以上述相同試驗(yàn)方案、試件及試驗(yàn)環(huán)境條件下，繼續(xù)在碳化箱中進(jìn)行碳化腐蝕，采用三段封閉，并相繼分別測(cè)得T1時(shí)刻60 d、T2時(shí)刻120 d時(shí)的碳化深度(表4)。

表4混凝土試件的碳化深度(單位/mm)

標(biāo)準(zhǔn)壓應(yīng)力下混凝土碳化深度數(shù)據(jù)得到碳化深度時(shí)間序列圖如圖4所示。若混凝土碳化深度不影響承載應(yīng)力要求，則控制圖處于穩(wěn)定的標(biāo)志應(yīng)能滿足基本條件[17]：控制測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值不超過(guò)控制界上限；控制測(cè)量點(diǎn)隨機(jī)排列，無(wú)缺陷。

圖260 d碳化深度Xbar-R 控制圖

若在標(biāo)準(zhǔn)壓應(yīng)力下混凝土碳化深度Xbar-R控制圖出現(xiàn)以下四種情形之一：(1)控制測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值在中心線的一側(cè)連續(xù)出現(xiàn)9次以上，形成鏈；(2)連續(xù)9個(gè)以上的點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)同向趨勢(shì)方向現(xiàn)象；(3)所有測(cè)量點(diǎn)都集中在中心線附近；(4)點(diǎn)子的排列呈周期性變動(dòng)，即認(rèn)為碳化深度過(guò)程發(fā)生異常。

圖3120 d碳化深度Xbar-R 控制圖

圖4碳化深度時(shí)間序列圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)壓應(yīng)力下，60 d碳化深度Xbar-R控制圖中有2測(cè)量點(diǎn)失敗但仍處于控制限內(nèi)，屬于二類問(wèn)題，屬于測(cè)量系統(tǒng)誤差導(dǎo)致，碳化過(guò)程依然穩(wěn)定；120 d碳化深度控制圖中有6個(gè)測(cè)量點(diǎn)失效，其測(cè)量值雖都處于正常的碳化深度控制限之內(nèi)，但是已經(jīng)超過(guò)預(yù)定安全的承載應(yīng)力范圍(表5)。

表5應(yīng)力狀態(tài)下混凝土碳化深度對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)單一壓應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土碳化腐蝕深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，利用碳化深度控制圖進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)分析，可以針對(duì)特定環(huán)境因素下的碳化腐蝕進(jìn)行有效的預(yù)防控制，根據(jù)試驗(yàn)的單一變量原則，同樣可以對(duì)影響碳化深度的其他因素，諸如水灰比、養(yǎng)護(hù)方式、攪拌方式、CO2濃度、應(yīng)力大小等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并可提前采用呋喃環(huán)氧樹(shù)脂涂料、不飽和聚酯涂料等進(jìn)行覆蓋防護(hù)處理或混凝土再堿化等多種手段進(jìn)行有效控制，進(jìn)而保證混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的可靠性，對(duì)建筑物、構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全分析和安全防護(hù)具有非常重要的意義。

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Monitoring the Carbonation Depth of Concrete Structure Under Stress

LIANGJunyong,HUANGQiying,MAOLiang,WANGDong

(School of Architecture Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

The concrete carbonization tests under the environment of accelerated corrosion in carbonation tank were carried out. The specimens were in the state of direct compression stress. Hugh-hart control charts were used in test of carbonation depth data acquisition and statistical control principle, and the carbonation depth dynamic statistical control model under dynamic compressive stress state is established. Experimental results show that this method is effective in dynamically monitoring, analysing, evaluating and controlling the carbonation depth of reinforced concrete structure under the working condition of compressive stress, then the adverse effect on the durability and stability of the structure and the potential safety hazard is avoided to ensure the quality of the reinforced concrete structure in the hosting environment and security.

compressive stress; concrete structure; carbonization; durability

2016-04-10

四川省教育廳自然科學(xué)基金(10ZB124) ;四川理工學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(B11605039)

梁俊勇(1986-)，男，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要從事土木工程建造與管理方面的研究，(E-mail)meihaodaziran@126.com

1673-1549(2016)04-0064-05

10.11863/j.suse.2016.04.14

TU375

A