彎曲受拉狀態(tài)下鋼筋混凝土力學(xué)強(qiáng)度及抗碳化性能研究

欒紅義

(珠海飛天利商品混凝土有限公司)

0 引言

在各類建筑物中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用[1]，混凝土碳化是造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效破壞主要原因之一[2]。目前，對(duì)混凝土碳化問題，中外學(xué)者已經(jīng)獲得了一定研究成果[3]。然而開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)會(huì)受到試驗(yàn)周期影響，而實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方式又會(huì)被試驗(yàn)方法以及場(chǎng)地等多種因素所影響，僅能夠應(yīng)用無荷載試驗(yàn)方式[4]。所以應(yīng)當(dāng)結(jié)合受荷狀態(tài)對(duì)于混凝土所具備的耐久性予以深入分析。以往相關(guān)研究中所開展的碳化試驗(yàn)主要對(duì)素混凝土予以綜合分析，而鋼筋給混凝土造成的碳化影響相關(guān)研究較少。此次研究中以鋼筋混凝土作為研究基礎(chǔ)，在彎曲受拉狀態(tài)下，對(duì)鋼筋混凝土力學(xué)強(qiáng)度及抗碳化性能進(jìn)行了研究。

1 鋼筋混凝土快速碳化試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用混凝土強(qiáng)度C35，分別設(shè)置四種不同比例的混凝土配合比，其中編號(hào)為A 的配合比沒有添加粉煤灰，其余三種分別添加25%、35%、45%的粉煤灰，在四種配合比中，砂子、石子、砂率、水、水膠比均相同，按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，調(diào)整每組混凝土配合比，混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.2原材料

1.2.1水泥

采用德州恒泰土工材料有限公司制備的強(qiáng)度為42.5 的普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2.2摻合料

摻合料為石家莊馳霖礦產(chǎn)品有限公司制備的Ⅱ級(jí)粉煤灰，物理指標(biāo)見表3。

表3 粉煤灰的物理指標(biāo)

1.2.3骨料

細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.74，表觀密度2648kg/m3，堆積密度1579㎏/m3。粗骨料為5.5～20.5mm 粒徑的連續(xù)級(jí)配碎石。

1.2.4鋼筋

混凝土試塊為105mm×105mm×305mm 立方體試塊，配筋為直徑6.5mm 的光圓鋼筋。在試件兩側(cè)配一定數(shù)量箍筋，預(yù)防加載時(shí)在支座處剪切破壞試塊。

1.3加載方案

對(duì)鋼筋混凝土試塊施加極限彎曲荷載，分別為0%、25%、45%、65%，與實(shí)際混凝土建筑使用狀態(tài)承受應(yīng)力水平相符合。設(shè)定1.05 到1.1 倍應(yīng)力的水平扭矩，達(dá)到3.5分鐘后撤除荷載，并且繼續(xù)施加相應(yīng)的應(yīng)力。

1.4強(qiáng)度試驗(yàn)

強(qiáng)度試驗(yàn)采用105mm×105mm×105mm 混凝土試塊，在濕度為92%、溫度為（0±2）℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，隨后在實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)上測(cè)試28d抗壓強(qiáng)度。

1.5混凝土極限彎曲承載力測(cè)定

對(duì)于混凝土開展極限彎曲承載力測(cè)定試驗(yàn)，選擇4種配合比的相應(yīng)試塊，試塊規(guī)格為105mm×105mm×305mm。試驗(yàn)設(shè)備為RGM-4300 電子萬能式試驗(yàn)機(jī)。測(cè)量時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，將試塊養(yǎng)護(hù)28d 后，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲加載。

1.6混凝土碳化試驗(yàn)

此次試驗(yàn)結(jié)合GB50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》作為試驗(yàn)基礎(chǔ)，在室內(nèi)氫氧化鈣BR-HTX12 型混凝土碳化箱里進(jìn)行。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，對(duì)于配合比不同的鋼筋混凝土以及素混凝土試塊分別進(jìn)行28 天的周期性養(yǎng)護(hù)，然后把試塊放入烘干箱48 個(gè)小時(shí)進(jìn)行烘干，開展周期在7 天、14 天以及28 天的快速碳化試驗(yàn)，測(cè)定混凝土碳化深度過程中，沿橫向取跨中截面，在界面上滴入濃度為1%酒精酚酞溶液，利用鋼尺來測(cè)定各個(gè)試塊的受拉面以及受壓面，在其兩側(cè)中段取60mm碳化深度予以測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1彎曲受拉狀態(tài)下鋼筋混凝土力學(xué)強(qiáng)度

2.1.1不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度

測(cè)試四種配合比下混凝土14d、28d、56d、84d 的抗壓強(qiáng)度，不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度見表4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度

從表4 可知，同一養(yǎng)護(hù)齡期條件下，當(dāng)粉煤灰摻量不斷提升時(shí)，所對(duì)應(yīng)的混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之減少。在混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，與粉煤灰摻量為0%的混凝土相比，粉煤灰摻量為25%、35%、45%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度各自降低1.4%、3.7%、4.5%。在碳化前56d內(nèi)，混凝土試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)速度隨粉煤灰摻量增加逐漸減小，其中，試塊增長(zhǎng)速度最小的是45%粉煤灰摻量，25%、35%粉煤灰摻量試塊增長(zhǎng)速度基本一致；加入粉煤灰的混凝土處于碳化56d～84d 期間時(shí)，所對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之大幅度提升。

2.1.2極限彎曲承載力試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

表5 為鋼筋混凝土構(gòu)件極限彎曲承載力，不同的極限彎曲荷載所需要的扭矩各不相同，而T 代表不同極限彎曲荷載需要的扭矩值。

表5 鋼筋混凝土構(gòu)件極限彎曲承載力

由表5 可知，隨著極限彎曲荷載的增加，扭矩值隨之增加；隨著粉煤灰摻量的增加，扭矩值先減小后增加再減小，呈波浪式波動(dòng)。

2.2彎曲受拉狀態(tài)下鋼筋混凝土抗碳化性能

2.2.1粉煤灰摻量對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件碳化性能影響

由表6 可知，若處于相同彎曲應(yīng)力水平狀態(tài)，在粉煤灰摻量不斷提升時(shí)所對(duì)應(yīng)的混凝土碳化深度隨之提高。在彎曲應(yīng)力水平處于0、25%、粉煤灰摻量不斷提升時(shí)，混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期之間的碳化深度差異會(huì)隨之減少；在彎曲應(yīng)力水平處于45%以及65%水平，隨著粉煤灰摻量的提升，碳化深度差異也相對(duì)較小。原因是當(dāng)拉應(yīng)力相對(duì)較低時(shí)，在受彎構(gòu)件之中存在一定小裂隙，施加外部荷載后裂縫會(huì)隨之增加，通過粉煤灰反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)充斥于裂縫中，使其隨之減小，同時(shí)二氧化碳通過荷載裂縫到達(dá)構(gòu)件中后，抑制效應(yīng)難以形成[6]。

表6 不同彎曲應(yīng)力水平下混凝土試塊碳化深度（mm）

2.2.2彎曲應(yīng)力對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件碳化性能影響

當(dāng)粉煤灰摻量為35%時(shí)，對(duì)彎曲應(yīng)力給鋼筋混凝土造成的碳化深度影響予以綜合分析。圖1 為混凝土構(gòu)件碳化深度隨應(yīng)力水平變化圖。

圖1 混凝土構(gòu)件碳化深度隨應(yīng)力水平變化圖

由圖1 知，彎拉應(yīng)力會(huì)促進(jìn)構(gòu)件碳化，彎壓應(yīng)力會(huì)抑制構(gòu)件碳化。當(dāng)碳化齡期達(dá)到28d 時(shí)，對(duì)兩種不同構(gòu)件予以分析可知，當(dāng)構(gòu)件的彎拉應(yīng)力水平達(dá)到25%、45%、65%時(shí)，其碳化深度分別提高3.9%、2.4%、0.4%。在構(gòu)件進(jìn)行澆筑過程中，由于溫度、水泥硬度等多種因素影響導(dǎo)致混凝土內(nèi)部會(huì)有微裂縫產(chǎn)生，在彎拉應(yīng)力施加時(shí)，裂縫深度、寬度會(huì)加大，二氧化碳迅速侵入構(gòu)件內(nèi)部，從而產(chǎn)生碳化損傷。與無應(yīng)力構(gòu)件相比，碳化深度在彎壓應(yīng)力水平為25%、45%、65%時(shí)，降低程度可達(dá)到0.4%、1.2%、2.3%，這和彎壓應(yīng)力使混凝土之中的收縮裂縫寬度降低有直接關(guān)系，二氧化碳無法達(dá)到內(nèi)部其他區(qū)域，碳化損傷程度降低。

2.2.3鋼筋混凝土與素混凝土碳化性能差異分析

混凝土碳化與其內(nèi)部裂縫發(fā)展密切關(guān)聯(lián)，澆筑混凝土構(gòu)件時(shí)，因凝結(jié)硬化，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微小收縮裂縫，增大彎拉應(yīng)力，裂縫逐漸變大，二氧化碳侵入加快，碳化損傷加劇。鋼筋混凝土碳化深度在無荷載時(shí)比素混凝土的要小。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，對(duì)素混凝土、鋼筋混凝土裂縫碳化深度進(jìn)行對(duì)比，選取粉煤灰摻量為35%、碳化齡期為14d、28d的構(gòu)件試塊進(jìn)行碳化數(shù)據(jù)作對(duì)比，見圖2。

圖2 拉應(yīng)力下鋼筋混凝土和素混凝土試塊碳化深度比較

由圖2 知，在14d 碳化齡期時(shí)，除25%的荷載應(yīng)力水平下的鋼筋混凝土的碳化深度高于素混凝土外，其余荷載應(yīng)力水平下的鋼筋混凝土碳化深度等于或低于素混凝土。原因是隨裂縫的擴(kuò)展，混凝土碳化深度隨之增大，荷載應(yīng)力在拉應(yīng)力較小時(shí)還未到達(dá)素混凝土開裂荷載，不足以使素混凝土微觀裂縫迅速擴(kuò)展，此時(shí)構(gòu)件承受應(yīng)力已超過開裂荷載，彎拉區(qū)混凝土開裂，鋼筋開始承受荷載，二氧化碳沿其裂縫滲入構(gòu)件內(nèi)部，從而造成碳化損傷，該階段鋼筋混凝土構(gòu)件碳化速率比素混凝土碳化速率要大。

在28d 碳化齡期時(shí)，在荷載應(yīng)力水平為0%、25%時(shí)，鋼筋混凝土碳化深度低于素混凝土；在荷載應(yīng)力水平為45%、65%時(shí)，鋼筋混凝土碳化深度高于素混凝土。原因素混凝土試塊在應(yīng)力水平增大時(shí)，所承受荷載已上升到開裂荷載，混凝土有裂縫產(chǎn)生，隨著裂縫急劇發(fā)展，寬度變大，造成素混凝土試塊破壞，該階段試塊裂縫發(fā)展迅速，二氧化碳滲入速率增大。鋼筋混凝土彎拉區(qū)開裂后，因鋼筋存在和其自身阻裂能力，裂縫不會(huì)發(fā)展迅速，可繼續(xù)承受荷載，直至破壞，此階段裂縫發(fā)展平緩，二氧化碳滲入速率未有很大提高，碳化速率較慢。

3 結(jié)論

⑴在養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加逐漸降低，在鋼筋混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28d 時(shí)，與粉煤灰摻量為0%的混凝土相比，粉煤灰摻量為25%、35%、45%的混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低1.4%、3.7%、4.5%。隨著極限彎曲荷載的增加，鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度扭矩值隨之增加。

⑵鋼筋抑制混凝土碳化，隨著碳化時(shí)間增加，鋼筋對(duì)碳化影響減?。划?dāng)粉煤灰摻量不斷提升，鋼筋混凝土試塊的碳化深度隨之大幅提升，當(dāng)粉煤灰摻量在35%～45%范圍內(nèi)，影響最大；當(dāng)彎曲應(yīng)力較大時(shí)，粉煤灰摻量造成的影響會(huì)隨之減少。

⑶彎曲應(yīng)力往往會(huì)給鋼筋混凝土試塊的碳化深度造成直接且顯著影響，碳化深度會(huì)隨著彎拉應(yīng)力的提升而變大，在45%～65%極限彎曲荷載時(shí)更明顯。