彎曲荷載對單摻循環再生細骨料混凝土碳化的影響

翟小勇

（南通市建筑科學研究院有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

實際工程中混凝土碳化是荷載與各種環境因素交互作用的復雜過程，荷載的大小和形式必然影響混凝土碳化的深度和速率。國內外眾多學者對此展開了研究，已有研究成果均定性地證實了拉應力的存在會加速混凝土的碳化，而壓應力則相反。雷斌等[1]設計了彎曲受拉裝置，對再生混凝土施加拉應力分別為0.6ft，0.8ft，1.0ft，1.2ft(ft為混凝土試件的抗拉強度)，測其碳化深度。發現拉應力狀態下再生混凝土碳化深度會增加，尤其當應力水平為1.2ft時，試件的碳化深度較不受力狀態增大近70%。這是因為在拉應力狀態下再生混凝土內部產生了微裂縫，從而加速了碳化的進行。朱平華等[2]得出了同樣的實驗結果。劉萬里[3]通過研究應力水平為0、0.2、0.4和0.6對混凝土碳化深度的影響，得出結論：彎拉應力作用下混凝土碳化深度大于無應力狀態下的碳化深度，彎曲壓應力作用下混凝土碳化深度小于無應力狀態下的碳化深度，且混凝土碳化深度與拉應力水平符合線性關系。這可能是由于混凝土受到拉應力，混凝土內部微裂縫擴展所致。混凝土受到壓應力，內部大量微裂縫閉合或寬度減小，使得碳化速度減慢。徐永明等[4]和Castel等[5]的研究成果也證明了這一點。但相對而言，對荷載作用下再生混凝土的碳化演化規律研究成果并不多見，有待進一步加強。因此，本文將對彎曲荷載對單摻循環再生細骨料混凝土碳化的影響進行探討。

1 彎曲拉應力的碳化作用分析

4個不同應力水平下的單摻循環再生細骨料混凝土碳化數值與碳化時間平方根的比值進行均值化處理，而后繪制出圖1。對圖1進行縱向比較分析可知，28d內，70%破壞荷載試塊的碳化速率最小，120%破壞荷載試塊的碳化速度最大，對圖1進行橫向分析可知，40%破壞荷載試塊與70%破壞荷載試塊（即中等彎曲拉應力破壞荷載試塊）的碳化速率從7d到28d呈線性降低發展態勢，而100%破壞荷載試塊與120%破壞荷載試塊（即高等彎曲拉應力破壞荷載試塊）的碳化速率從7d到14d呈上升發展態勢，從14d到28d又呈降低發展態勢。

圖1 不同彎曲拉應力破壞荷載RAC試塊碳化速率變化圖

綜上所述，高應力彎曲荷載對單摻循環再生細骨料混凝土碳化的影響程度遠大于中等應力彎曲荷載的影響程度，特別是在14d內的碳化初期，高應力彎曲荷載的碳化影響是非常顯著的，這意味著單摻循環再生細骨料混凝土在高應力彎曲荷載下的抗碳化能力不甚理想。這是因為在高應力彎曲荷載條件下，單摻循環再生細骨料混凝土內部極易產生裂縫并出現擴散現象，這將加快混凝土的碳化。

1.1 中等彎曲拉應力的碳化作用分析

彎曲拉應力破壞荷載值與碳化深度關系見圖2，從圖2可以看出，在中等應力水平作用下，70%破壞荷載28d內的試塊碳化值都小于40%破壞荷載試塊的碳化值，這表明在中等應力水平作用下，單摻循環再生細骨料混凝土試塊的抗碳化能力與應力水平呈正相關。這是因為在中等應力的彎曲荷載作用下，會讓試塊內部的孔隙被壓縮變小，提高了試塊的密實性，不利于CO2通過微裂縫、孔隙進入試塊內部使試塊碳化。

1.2 高等彎曲拉應力的碳化作用分析

從圖2得出，在高等應力水平為100%和120%的條件下，各取代率的單摻循環再生細骨料混凝土碳化深度值與對照組混凝土相比，其7d、14d、21d、28d的實測碳化深度的增長率分別為70.5%和70.8%、61.8%和62.5%、40.5%和44.4%、24.2%和31.3%。隨著時間的增長，碳化深度的增大率都在逐漸變小。

圖2 彎曲拉應力破壞荷載值與碳化深度關系圖

100%破壞荷載28d內的試塊碳化值都小于120%破壞荷載試塊的碳化值。這表明，高等彎曲拉應力破壞荷載作用下，碳化作用和彎曲拉應力值呈正相關。之所以會這樣，是因為在高等彎曲拉應力破壞荷載作用下，會破壞試塊的內部結構，在試塊內部形成很多微裂紋，從而給二氧化碳提供了進入試塊內部的通道，導致碳化加速。

2 二次循環再生細骨料取代率的碳化作用分析

從圖3可以看出，試塊28d的碳化深度與二次循環再生細骨料取代率呈正相關。擬合四個應力水平下普通混凝土（控制混凝土）碳化均值公式為：X0=1.08516t-0.15327。然后代入取代率函數式f()r后得出四個應力水平下取代率和碳化深度均值的函數關系式：

圖3 取代率和28d試塊碳化深度關系圖

嘗試應用實測數據分別擬合線性關系式可得出以下取代率公式：

應力水平為40%破壞荷載：

殘值：0.00157，擬合度：0.97。

應力水平為70%破壞荷載：

殘值：3.37555E-4，擬合度：0.99。

應力水平100%破壞荷載：

殘值：0.00134，擬合度：0.99。

應力水平120%破壞荷載：

殘值：0.00175，擬合度：0.99。上述各式中：Xc——碳化深度，mm；

f(r)——二次循環再生細骨料取代率函數式；

r——取代率，%；

t——碳化齡期，d。

綜上所述，40%、70%、100%、120%破壞荷載下的函數公式擬合度分別為0.97、0.99、0.99、0.99，由此驗證了取代率和試塊碳化深度的線性關系。p函數式擬合圖見圖4。

圖4 p函數式擬合圖

3 彎曲拉應力下的碳化系數

根據無應力基礎碳化方程Xc=1.46118t-2.05025，假設Xc=f(p)·，其中p是應力水平，f(p)是p函數式，給出應力水平作用下的碳化深度和時間的函數公式，并計算出擬合結果，如圖4與公式（6）所示，這進一步證實了前文關于彎曲拉應力碳化作用的結論。

由圖4擬合出的結果為：

其擬合度：0.89。

4 碳化深度時間函數

根據所有彎曲荷載、取代率試塊碳化深度值模擬仿真得出的綜合碳化模型圖見圖5。

圖5 碳化數值三維模擬圖

擬合結果為：

式中：Xc——碳化深度，mm；

t——碳化齡期，d；

p——拉應力水平，%，p取值0～120%；

r——取代率，%。

當碳化齡期取0時，Xc=0；當r取值0時，不管p如何取值，Xc恒大于0；當p取值0時，不管r如何取值，Xc恒大于0，都和碳化的實際情況是相符的。

其實測值和模擬值的對比圖如圖6所示。

圖6 實測值和模擬值的對比圖

從圖6可以發現，使用該公式對數據進行復核，預算值和實際值之間具有較好的吻合度，而且相關性高達0.83。

5 結束語

單摻循環再生細骨料時，高應力水平相較于中應力水平而言，其對單摻循環再生細骨料混凝土碳化的影響比較突出，尤其在碳化初期，高應力水平對單摻循環再生細骨料混凝土碳化的影響尤為明顯，急劇加快了碳化速率。在中應力水平下碳化深度與單摻循環再生細骨料取代率之間為一元二次函數關系，高應力水平下則呈現直線關系。同時考慮取代率與應力水平的碳化經時方程為：Xc=(1.3829+1.7105r-1.5141p-0.4334r2+1.1541p2)t，用該方程反算可發現，應力水平為66%破壞荷載水平時碳化深度可達最低值，這與本文實驗應力水平為70%破壞荷載水平時碳化深度達到最低值的結果也是較好吻合的。