長(zhǎng)期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)

安 賽 何小軍 張立娟

(1.河北科技師范學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北，石家莊 050041；3.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口，075000)

0 引 言

混凝土的抗碳化性能是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題，同時(shí)也是影響其耐久性能的一個(gè)重要因素[1-2].隨著混凝土制備技術(shù)的不斷優(yōu)化，水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用也日趨完善，粉煤灰及礦渣等優(yōu)質(zhì)礦物摻合料逐漸成為混凝土的重要組成部分[3].粉煤灰的摻入可有效提高混凝土的工作性能，但過量的粉煤灰摻入，會(huì)對(duì)其抗碳化性能產(chǎn)生不利的影響，直接影響其耐久性，嚴(yán)重制約其在工程中的廣泛使用.

實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)大多處于各種環(huán)境荷載約束狀態(tài)下進(jìn)行工作，在不同的環(huán)境荷載及荷載形式的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的抗碳化性能不盡相同[4-6].研究表明，長(zhǎng)期荷載作用會(huì)使混凝土密實(shí)性增強(qiáng)，降低混凝土的碳化速率，在長(zhǎng)期荷載作用后進(jìn)行卸載，則會(huì)增加混凝土的碳化速率，降低其抗碳化性能[7].疲勞動(dòng)載荷作用下，可使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，增大其損傷程度，降低混凝土的抗碳化性能[8-9].目前基于單一規(guī)格混凝土試件碳化性能的研究比較常見，關(guān)于多規(guī)格尺寸混凝土的抗碳化性能研究尚少，而混凝土的尺寸效應(yīng)亦會(huì)對(duì)其抗碳化性能產(chǎn)生一定的影響[10-12].幾何尺寸不同的試件在相近條件下其碳化深度相差較大[12]，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖進(jìn)行了相關(guān)混凝土尺寸效應(yīng)的研究工作，但主要集中于混凝土尺寸效應(yīng)對(duì)其力學(xué)性能的影響[13-15]，對(duì)于粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)研究較少.

綜合以上分析可知，對(duì)于長(zhǎng)期壓應(yīng)力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)還鮮有研究，而工程實(shí)際中混凝土結(jié)構(gòu)大多處于受壓狀態(tài)，且不同位置的混凝土由于尺寸大小不一，這將會(huì)對(duì)其抗碳化性能產(chǎn)生重要影響.目前實(shí)驗(yàn)室中研究荷載作用下混凝土的抗碳化性能多采用的試件尺寸是40 mm×40 mm×160 mm、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和100 mm×100 mm×400 mm三種[16-17].本文的試驗(yàn)研究中，采用40 mm×40 mm×160 mm(以下稱為小試件)、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm(以下稱為中試件)和100 mm×100 mm×400 mm(以下稱為大試件)三種規(guī)格的混凝土試件，水膠比采用0.45，粉煤灰礦物摻合料的摻量分別為0、30%、60%(等質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(70±5)%，CO2濃度為(20±3)%(體積分?jǐn)?shù))的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d，研究空載與加載兩類混凝土試件，放置于溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(60±5)%，3 a齡期的快速碳化規(guī)律，并基于粉煤灰混凝土的工作性能，分析了其在3 a壓應(yīng)力作用下抗碳化性的尺寸效應(yīng)，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供可靠依據(jù).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，秦皇島市淺野水泥廠；Ⅰ級(jí)粉煤灰，秦皇島市熱電廠；天然河砂(細(xì)骨料)，其表觀密度為2650 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.9；破碎石灰石(粗骨料)，粒徑為5～20 mm(其中5～10 mm與10～16 mm的碎石質(zhì)量比為7:3)，其表觀密度為2660 kg/m3；聚羧酸高性能減水劑，減水率≥30%；拌合水使用自來水.

表1 水泥和粉煤灰材料的參數(shù)

*LOI=loss on ignition

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土試件制備及快速碳化試驗(yàn)

采用不同的配合比(如表2)，混凝土試件成型尺寸為三種規(guī)格：40 mm×40 mm×160 mm、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和100 mm×100 mm×400 mm，每組配合比中三種規(guī)格的試件各成型11個(gè)，分別用于軸壓測(cè)試和抗碳化性能試驗(yàn).所有試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，用加熱的石蠟予以密封，密封時(shí)摻量為60%的粉煤灰混凝土試件預(yù)留一個(gè)側(cè)面，其余試件均預(yù)留兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面，其它面均用石蠟密封.每組中取2個(gè)密封完成的試件進(jìn)行干養(yǎng)護(hù)至3 a齡期，取6個(gè)試件分別以33%的應(yīng)力水平在加載裝置下進(jìn)行加載至3 a齡期，達(dá)到預(yù)定齡期后停止養(yǎng)護(hù).在進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)之前，由于試件已經(jīng)經(jīng)過了3 a的養(yǎng)護(hù)，因此應(yīng)先測(cè)試每組混凝土試件的初始碳化深度(加載著的大、中、小試件各卸載兩個(gè)進(jìn)行測(cè)量)，在標(biāo)準(zhǔn)碳化箱中(溫度為(20±2)℃，CO2濃度為(20±3)%(體積分?jǐn)?shù))，相對(duì)濕度為(70±5)%)放置3 a齡期空載試件以及帶有加載裝置的3 a齡期加載試件，開展快速碳化試驗(yàn).達(dá)到預(yù)定碳化時(shí)間(空載試件為3 d，7 d，14 d，28 d；加載試件為7 d、28 d)后取出試件，對(duì)于加載的試件預(yù)先進(jìn)行卸載，借助壓力試驗(yàn)機(jī)從預(yù)定位置劈裂，采用濃度為1%的酚酞試劑進(jìn)行碳化深度測(cè)試，測(cè)試時(shí)從測(cè)試面邊緣每隔10 mm測(cè)試一次，取其算術(shù)平均值作為最終的碳化深度.碳化深度測(cè)試完成后，將未加載的試件劈裂面密封后重新放回碳化箱內(nèi)繼續(xù)碳化至下一個(gè)測(cè)試時(shí)間，對(duì)于加載的試件則不再放回.

表2 混凝土配合比

1.2.2 試件加載

從各組配合比中取大、中、小三類各3個(gè)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的試件進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其強(qiáng)度記為fc(見表2，用于加載試件的應(yīng)力水平荷載控制).采用如圖1所示大、小四桿式彈簧壓縮加載實(shí)驗(yàn)裝置(其中加載大、中試件均用大加載架)，參照國(guó)標(biāo)GB/T50082-2009中描述的加載方法分別對(duì)大、中、小試件進(jìn)行加載，荷載控制水平為其軸心抗壓強(qiáng)度的33%.加載完成后將試件放入恒溫恒濕環(huán)境下(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(60±5)%)干養(yǎng)護(hù)至3 a齡期.

圖1 四桿式彈簧壓縮加載試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分析方法

不同粉煤灰摻量條件下大、中、小混凝土試件空載與加載碳化至28 d各齡期碳化深度測(cè)試結(jié)果，如圖2所示.

(a)Large specimens (b)Medium specimens

(c)Small specimens

由圖2(a-c)可知：混凝土28 d的碳化深度隨粉煤灰摻量的不斷增加而增大；不同粉煤灰摻量條件下，3 a齡期加載與空載大、中、小試件初始碳化深度均存在一定的差異，由于前期的自然碳化層對(duì)后期碳化深度的發(fā)展有抑制作用，若僅以碳化深度的絕對(duì)值表征3 a壓應(yīng)力下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)，其結(jié)果分析將不夠準(zhǔn)確[7]，因此，本文中提出采用碳化深度的增加值，表征3 a齡期壓應(yīng)力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng).雖然不同配合比混凝土之間的前期自然碳化層厚度差別較大，但對(duì)同一配合比而言，前期自然碳化層厚度差別較小，并不影響分析長(zhǎng)期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng).

2.2 長(zhǎng)期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)

由圖2分析可知：各粉煤灰摻量條件下3 a齡期空載與加載大試件各齡期碳化深度均高于3 a齡期中、小試件，且中試件的碳化深度略高于小試件，分析表明隨著混凝土尺寸的增大，混凝土各齡期碳化深度也在不斷增大，由于在小尺寸試件周圍有大的石子，外露的石子在混凝土試件的外層形成堅(jiān)硬的殼體，延緩了混凝土碳化的進(jìn)程，起到壁壘的作用[10].

通過對(duì)混凝土碳化數(shù)據(jù)的處理分析，得出3 a齡期加載與空載大、中、小試件28 d碳化深度的增加值，如圖3所示.

(a)Large specimens (b)Medium specimens

(c)Small specimens

由圖3(a-c)可知：各類試件加載碳化至28 d碳化深度增加值均要小于空載試件28 d碳化深度增加值，表明3 a齡期壓應(yīng)力作用可減緩粉煤灰混凝土的碳化進(jìn)程[18-20].對(duì)于小試件而言，3 a壓應(yīng)力作用對(duì)其抗碳化性能影響較大；而對(duì)于大試件，3 a壓應(yīng)力作用對(duì)其抗碳化性能的影響則不明顯；對(duì)于中試件，3 a壓應(yīng)力作用對(duì)其抗碳化性能影響程度介于大小試件之間.

2.3 長(zhǎng)期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能尺寸效應(yīng)的定量分析

為更準(zhǔn)確的表征長(zhǎng)期荷載作用下粉煤灰混凝土的抗碳化性能的尺寸效應(yīng)，立足定量分析的角度，特定義如式(1)、(2)所示尺寸效應(yīng)系數(shù)L1、L2(以下稱為L(zhǎng)1值、L2值)，以此對(duì)其進(jìn)行定量表征.L值越大，3 a齡期壓應(yīng)力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)越明顯.

L1=(M1-M2)/M1

(1)

L2=(M1-M3)/M1

(2)

式中：M1為3 a齡期空載與加載大試件28 d碳化深度增加值，mm；M2為3 a齡期空載與加載中試件28 d碳化深度增加值，mm；M3為3 a齡期空載與加載小試件28 d碳化深度增加值，mm.

通過對(duì)大、中、小混凝土試件碳化數(shù)據(jù)的處理分析，得到不同粉煤灰摻量條件下混凝土碳化深度的L1、L2值，如表3和表4所示.

表3 不同粉煤灰摻量條件下的L1值

表4 不同粉煤灰摻量條件下的L2值

由表3和表4分析發(fā)現(xiàn)：3 a壓應(yīng)力作用下混凝土的L1、L2值均高于3 a齡期空載試件，這表明，3 a壓應(yīng)力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)更為明顯；對(duì)于不摻粉煤灰混凝土，3 a壓應(yīng)力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)與3 a齡期空載混凝土相差不大；對(duì)于粉煤灰混凝土，3 a齡期壓應(yīng)力作用及3 a齡期空載條件下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加而降低，但兩者L值的比值基本保持不變，這表明在研究荷載作用對(duì)粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響時(shí)可以用小試件代替大試件進(jìn)行試驗(yàn)，但應(yīng)注意尺寸效應(yīng)系數(shù)的影響.當(dāng)水膠比為0.45，粉煤灰摻量為30%和60%時(shí)，3 a壓應(yīng)力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)系數(shù)分別為3 a齡期空載試件的1.32倍與1.33倍.

3 結(jié) 論

通過研究3 a齡期壓應(yīng)力作用下各尺寸規(guī)格粉煤灰混凝土試件的快速碳化規(guī)律，可以得出如下結(jié)論：

1)長(zhǎng)期荷載作用可減緩粉煤灰混凝土的碳化進(jìn)程，對(duì)于小試件，3 a壓應(yīng)力作用對(duì)其抗碳化性能影響較大，而對(duì)于大試件，3 a壓應(yīng)力作用對(duì)其抗碳化性能的影響則不明顯，中試件介于大小試件之間.

2)對(duì)于不摻粉煤灰混凝土，3 a壓應(yīng)力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)與3 a齡期空載混凝土相差不大；而當(dāng)粉煤灰摻量為30%和60%時(shí)，3 a壓應(yīng)力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應(yīng)系數(shù)分別是3 a齡期空載試件的1.32與1.33倍.

3)在研究荷載作用對(duì)粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響時(shí)，可采用小試件來模擬大試件的抗碳化性能，但應(yīng)注意尺寸效應(yīng)系數(shù)的影響.