混凝土裂縫處碳化深度計(jì)算模型

田穩(wěn)苓+常翔宇+王浩宇+余建福

摘 要：普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般都是帶裂縫工作，裂縫的存在會(huì)使CO2更易侵入混凝土內(nèi)部，加速混凝土的碳化，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性不利。結(jié)合已有研究成果，定義了裂縫對(duì)混凝土碳化的影響系數(shù)γc，通過對(duì)預(yù)制裂縫的砂漿及混凝土試件進(jìn)行碳化試驗(yàn)，分析了水灰比、碳化時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度、裂縫寬度、裂縫深度對(duì)γc的影響，得出裂縫處混凝土碳化深度計(jì)算模型，并通過實(shí)際工程進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm時(shí)，模型均適用，且橋梁運(yùn)營時(shí)間對(duì)γc影響不顯著。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；裂縫；碳化；計(jì)算模型

中圖分類號(hào)：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2017）05-0071-08

Abstract：Reinforced concrete structures generally work with cracks. Base on the studies at home and abroad， a crack influence coefficient about concrete carbonation γc， is defined. Mortar and concrete specimens with prefabricated cracks have been made for carbonation test. And the effect of water cement ratio， carbonation time， environment relative humidity， crack width， crack depth on γc is analyzed. A calculation model about carbonation depth in concrete cracks is obtained. Actual projects have been implemented to validate the model. It is shown that the model is applicable when the width of cracks in the range of 0.06～0.7 mm， and the bridge operation time have no significant effect on γc.

Keywords：reinforced concrete structures； crack； carbonation； calculation model

普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般都是帶裂縫工作，裂縫的存在，使CO2更易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致裂縫處混凝土碳化深度加大，從而過早誘發(fā)鋼筋的銹蝕，造成結(jié)構(gòu)耐久性下降。對(duì)混凝土的碳化研究已較為成熟[1-5]，但對(duì)帶裂縫混凝土的碳化研究較少，雷濤[6]通過研究不同裂縫寬度混凝土試件在干燥環(huán)境（環(huán)境相對(duì)濕度20%）下碳化后裂縫處的碳化深度發(fā)現(xiàn)，在干燥環(huán)境下，開裂混凝土沿著裂縫壁發(fā)生碳化反應(yīng)，碳化深度會(huì)直達(dá)裂縫前端，碳化深度與裂縫寬度關(guān)系不大。劉欣等[7]結(jié)合試驗(yàn)，分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)細(xì)微裂縫（0.10～0.20 mm）對(duì)碳化深度和鋼筋銹蝕的影響，得出微裂縫處的碳化深度是非裂縫處碳化深度的1.4～1.8倍。Ann等[8]對(duì)橋梁墩柱上不同損傷程度的混凝土進(jìn)行碳化深度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土裂縫寬度為0.10～0.20 mm時(shí)，裂縫處混凝土碳化深度大約是非裂縫處碳化深度的2.12倍。金祖權(quán)等[9]通過三點(diǎn)彎曲使混凝土試件產(chǎn)生裂縫，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂縫寬度小于0.07 mm時(shí)，裂縫寬度對(duì)混凝土裂縫處碳化深度影響不大；當(dāng)裂縫寬度大于0.07 mm時(shí)，碳化深度隨裂縫寬度增加而呈二次函數(shù)增加。Zhang等[10]通過凍融循環(huán)使混凝土產(chǎn)生裂縫，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂縫寬度在0～0.10 mm時(shí)，碳化深度隨裂縫寬度增加而快速增加，當(dāng)裂縫寬度超過0.10 mm時(shí)，碳化深度隨裂縫寬度的變化量很小。學(xué)者們采用不同的實(shí)驗(yàn)方法，研究了相對(duì)濕度和裂縫寬度對(duì)碳化深度的影響，朱元祥等[11]對(duì)帶裂縫混凝土碳化深度進(jìn)行了理論分析，建立了裂縫處混凝土碳化深度的隨機(jī)過程模型，但該模型僅考慮了基于概率的碳化速度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)及裂縫寬度，且其中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是由特定條件下的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)所得，不適用于條件變化的實(shí)際工程。筆者借鑒Jiang等[12]建立的疲勞損傷混凝土碳化模型，提出了裂縫對(duì)混凝土碳化的影響系數(shù)γc，在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了水灰比、碳化時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度、裂縫寬度、裂縫深度對(duì)γc的影響，建立了綜合考慮環(huán)境相對(duì)濕度、裂縫寬度、裂縫深度的裂縫處混凝土碳化深度計(jì)算模型，并通過實(shí)際工程進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際吻合良好，模型可用于帶裂縫混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)。

1 裂縫處碳化模型形式的確定

Jiang等[12]認(rèn)為疲勞損傷混凝土的碳化深度取決于CO2在未損傷混凝土和裂縫中的擴(kuò)散系數(shù)，并在Papadakis碳化模型基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土梁疲勞損傷后的碳化試驗(yàn)結(jié)果，建立了疲勞損傷混凝土的碳化模型

通過預(yù)置薄片法在砂漿和混凝土試件中預(yù)制裂縫。首先，將薄鋼片固定在模板中，再拌制砂漿或混凝土，拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，借助電子萬能試驗(yàn)機(jī)將薄片緩緩拔出。通過改變薄鋼片的厚度、寬度來控制預(yù)制裂縫的寬度、深度。砂漿試件裂縫寬0.2 mm，裂縫深40 mm，水灰比為0.4、0.5、0.6，碳化時(shí)間為3、7、14 d，共9組，每組3個(gè)試件，合計(jì)27個(gè)試件（見表3）?；炷猎嚰芽p寬0.1、0.2、0.3mm，裂縫深10、20、30、40、50、60 mm，碳化時(shí)間為3 d，共18組，每組3個(gè)試件，合計(jì)54個(gè)試件（見表4）。

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），對(duì)各試件進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，在碳化箱內(nèi)（濕度為70±5%）碳化至3、7、14 d時(shí)，取出試件，垂直于裂縫面切開，在切開面上噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%酚酞酒精溶液，經(jīng)30 s后，測(cè)量碳化深度。水灰比為0.6，碳化至14 d的單縫砂漿試件碳化圖如圖1（a）所示，裂縫寬度0.3 mm，深度60 mm，碳化至14 d的混凝土試件碳化圖如圖1（b）所示。endprint

3 各因素與γc之間的關(guān)系研究

3.1 W/C、T與γc之間的關(guān)系

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)其他因素一定的條件下，W/C、T對(duì)γc影響顯著性水平α分別為0.831、0.571，即置信水平僅為0.169、0.429，裂縫處碳化深度未大于裂縫深度時(shí)，計(jì)算模型中可不考慮水灰比和碳化時(shí)間的影響。

3.2 w與γc之間的關(guān)系

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，繪制不同dc時(shí)w與γc關(guān)系曲線和不同w時(shí)dc與γc關(guān)系曲線，如圖2、圖3所示。

3.3 dc與γc之間的關(guān)系

因裂縫內(nèi)部幾乎無空氣流動(dòng)，且由于裂縫壁的吸附作用，水分子較難擴(kuò)散到外界空氣中，裂縫內(nèi)的水分汽化比混凝土表面的水分汽化慢[12]。在混凝土中孔隙水不斷蒸發(fā)情況下，裂縫內(nèi)保持較高相對(duì)濕度，甚至達(dá)到100%，在裂縫開口位置，因與外界環(huán)境的蒸氣壓差會(huì)形成濕度梯度。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度在50%～70%時(shí)，混凝土碳化速度最大，在當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度接近100%時(shí)，混凝土碳化幾乎停止[13-14]。因此，存在一個(gè)臨界裂縫深度d0，當(dāng)dc

雷濤[6]在濕度為20%的條件下，對(duì)帶裂縫混凝土進(jìn)行了碳化試驗(yàn)。當(dāng)裂縫寬度大于0.13 mm、裂縫深度約66 mm時(shí)，裂縫尖端存在碳化痕跡，即當(dāng)RH=20%時(shí)，d0≥66 mm。試驗(yàn)濕度為70%，即當(dāng)RH=70%時(shí)，d0=30 mm。因此，可以認(rèn)為RH影響d0的值，簡(jiǎn)化考慮兩者關(guān)系為

由表5可得γc計(jì)/γc試的平均值為1.001 1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.025 1；γc朱/γc試的平均值為3.603 8，標(biāo)準(zhǔn)差為0.400 9。由圖4可明顯看出，通過朱元祥模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)室預(yù)制裂縫碳化試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，是因?yàn)槠淇紤]的因素較少，在此基礎(chǔ)上建立的概率模型很難適用于大多數(shù)情況；而本文模型綜合考慮多個(gè)因素，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高。

5 計(jì)算模型的工程驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可應(yīng)用性，在不同地區(qū)、不同年份的混凝土橋梁主梁上選取了43條裂縫，裂縫分為正常受彎裂縫及預(yù)應(yīng)力梁縱向裂縫2種類型。正常受彎裂縫為鋼筋混凝土梁在荷載作用下，跨中附近產(chǎn)生的正常受力裂縫，橋梁運(yùn)營時(shí)即會(huì)出現(xiàn)；預(yù)應(yīng)力梁縱向裂縫主要由于泊松效應(yīng)等原因，在混凝土較薄弱位置產(chǎn)生，如后張預(yù)應(yīng)力空心板梁空心位置、預(yù)應(yīng)力箱梁波紋管位置，此類裂縫一般在橋梁運(yùn)營前即會(huì)出現(xiàn)。因此，裂縫產(chǎn)生的時(shí)間與橋梁混凝土開始碳化的時(shí)間比較接近，不考慮其時(shí)間差的影響。

在裂縫位置及相同環(huán)境條件下同一片梁非裂縫位置借助內(nèi)徑為5 cm的鉆芯機(jī)鉆取芯樣，裂縫位置芯樣鉆取的長度大于超聲波法測(cè)出的裂縫深度值，非裂縫位置芯樣鉆取5～10 cm。將芯樣上下各墊一根鋼筋，在壓力試驗(yàn)機(jī)上劈裂，其中帶裂縫芯樣垂直于裂縫劈裂，如圖5（a）所示。劈裂前，可在兩側(cè)粘貼膠帶，防止出現(xiàn)所取芯樣強(qiáng)度低、骨料過多導(dǎo)致芯樣碎裂、難以拼裝等問題。將芯樣劈裂后，進(jìn)行碳化深度測(cè)量，方法同第2節(jié)。芯樣測(cè)試情況如圖5（b）所示。根據(jù)本文模型及朱元祥模型，對(duì)各條裂縫的γc值進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見表6。

由表6可知，43組試驗(yàn)的γc計(jì)/γc測(cè)平均值為1.076 6，標(biāo)準(zhǔn)差為0.054 8，略大于表5中γc計(jì)/γc試的平均值1.001 1，可能是因?yàn)楣こ讨辛芽p為“V”形，且表面裂縫寬度與裂縫深度之間存在一定的相關(guān)性所致；γc朱/γc測(cè)平均值為1.746 9，標(biāo)準(zhǔn)差為0.640 0。通過SPSS軟件分析，橋梁運(yùn)營時(shí)間（2016減去橋梁建成年份）對(duì)γc測(cè)影響顯著性水平α為0.665，即置信水平僅為0.335，故當(dāng)Xc≤dc時(shí)，橋梁運(yùn)營時(shí)間對(duì)γc影響不顯著。由圖6可見，工程實(shí)例裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm，本模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm。

6 結(jié)論

通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，定義并研究了與裂縫寬度、深度及環(huán)境相對(duì)濕度有關(guān)的裂縫對(duì)混凝土碳化的影響系數(shù)γc，得出了裂縫處碳化深度不大于裂縫深度，且裂縫寬度在0.1～0.3 mm范圍的裂縫處混凝土碳化深度計(jì)算模型。通過工程實(shí)例驗(yàn)證，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合程度較高。并得出以下結(jié)論：

1）水灰比、碳化時(shí)間對(duì)γc影響不顯著。

2）橋梁運(yùn)營時(shí)間對(duì)γc影響不顯著。

3）試驗(yàn)裂縫寬度范圍為0.1～0.3 mm，工程實(shí)例裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm，但提出的計(jì)算模型γc計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和工程實(shí)例實(shí)測(cè)值均吻合較好，模型裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 胡英奎）endprint