應(yīng)力狀態(tài)對(duì)RC梁混凝土碳化損傷及承載力的影響

姚國(guó)文, 劉汶朋, 邸小勇, 蔣俊彥, 王雅倩, 鐘浩

(1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室, 重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074;3.重慶高速公路集團(tuán)有限公司, 重慶 401121; 4.重慶高速工程顧問有限公司, 重慶 401120)

鋼筋混凝土(reinforced concrete, RC)構(gòu)件的碳化是由于混凝土水化作用產(chǎn)生了大量孔隙,空氣中的二氧化碳通過孔隙進(jìn)入混凝土,并與其發(fā)生中和作用。混凝土碳化容易鋼筋銹蝕[1],導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度降低,從而引起承載力的降低,導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用期限大大縮短[2];當(dāng)混凝土碳化深度超過了保護(hù)層至鋼筋表面時(shí),空氣中的水和氧氣進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,使鋼筋銹蝕膨脹,造成保護(hù)層混凝土開裂和脫落,破壞了鋼筋混凝土之間的粘結(jié)作用,使鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力下降,影響構(gòu)件的耐久性。因此,橋梁在服役過程中,受環(huán)境的影響發(fā)生碳化反應(yīng),不僅使混凝土強(qiáng)度下降,影響構(gòu)件承載力,而且會(huì)加快構(gòu)件中鋼筋的銹蝕,對(duì)橋梁使用壽命影響巨大[3],橋梁結(jié)構(gòu)的安全將無法得到保證,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)在未達(dá)到設(shè)計(jì)服役年限便出現(xiàn)一系列耐久性問題[4]。

近年來,中外很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)混凝土碳化問題展開了研究[5]。例如,孫彬等[6]根據(jù)混凝土長(zhǎng)觀試件的碳化深度,在試驗(yàn)室進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)。其研究表明:采用28 d齡期的混凝土試件加速碳化試驗(yàn)的結(jié)果,是比較保守的方法。許崇法等[7]采用室內(nèi)模擬酸雨侵蝕、碳化對(duì)混凝土試件進(jìn)行了室內(nèi)快速劣化試驗(yàn),探討了綜合多因素作用下混凝土構(gòu)件的中性化規(guī)律及其耦合效應(yīng)。得出混凝土碳化深度與拉、壓應(yīng)力相關(guān)。李剛[8]開展了人工環(huán)境模擬侵蝕試驗(yàn),主要探討了多種因素耦合作用下混凝土抗彎、抗剪承載力的變化規(guī)律。其結(jié)果表明:隨著鋼筋銹蝕程度的增加,其抗彎承載力和抗剪承載力下降、剛度減小;抗彎、抗剪的相對(duì)極限強(qiáng)度與銹蝕率呈線性相關(guān)。唐官保等[9]在Fick第一定律的基礎(chǔ)上,提出了一種基于氣體滲透系數(shù)的混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明:此模型可應(yīng)用于混凝土在荷載作用下的碳化深度預(yù)測(cè),但對(duì)碳化環(huán)境與荷載耦合下鋼筋混凝土構(gòu)件的碳化深度研究較少。同時(shí),荷載作用是影響鋼筋混凝土構(gòu)件碳化深度的重要因素,然而多數(shù)學(xué)者單一地研究混凝土碳化的影響,對(duì)碳化環(huán)境與荷載耦合作用下鋼筋混凝土的極限承載力性能研究尤其少。

鑒于此,現(xiàn)通過開展鋼筋混凝土梁的加速碳化試驗(yàn),分析不同碳化時(shí)間下,RC梁在碳化環(huán)境和荷載共同作用條件下的破壞過程。通過對(duì)不同碳化時(shí)期的RC梁進(jìn)行加載試驗(yàn),得到不同碳化時(shí)間下的裂縫及極限承載力,并對(duì)荷載作用下受壓區(qū)、受拉區(qū)碳化深度進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)試樣制作

根據(jù)《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[10]對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求,共制作了7根100 mm×200 mm×1 850 mm的鋼筋混凝土梁,使其滿足試驗(yàn)加載的要求。箍筋為HPB400光圓鋼筋,其直徑取8 mm;縱向主筋為HRB400帶肋鋼筋,其直徑取10 mm。對(duì)RC梁進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì),使鋼筋混凝土梁布筋滿足適筋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[11]的要求。鋼筋混凝土梁構(gòu)件的具體配筋示意圖如圖1所示。

圖1 梁的鋼筋構(gòu)造圖[12]Fig.1 Reinforcement diagram of beam[12]

1.2 試驗(yàn)方案與測(cè)試內(nèi)容

1.2.1 碳化試驗(yàn)

將已經(jīng)制作完成的7根梁分組,編號(hào)為梁L0、梁L7、梁L7+、梁L14、梁L14+、梁L28、梁L28+,每根梁在碳化環(huán)境與荷載共同作用下進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)。本次加速碳化實(shí)驗(yàn)的CO2濃度為15%,在該濃度下加速碳化1 d約為自然碳化1 a,加速碳化實(shí)驗(yàn)中,溫度、濕度作用時(shí)間如表1所示。

表1 加速試驗(yàn)溫度區(qū)間作用時(shí)間[12]Table 1 Accelerated test temperature range action time[12]

通過將梁L0直接進(jìn)行承載能力試驗(yàn)確定其極限承載能力(Pu=45.6 kN),故將梁L0的極限承載強(qiáng)度Pu作為這批試驗(yàn)梁的極限破壞基準(zhǔn)值。用艙室內(nèi)的作動(dòng)器,分別對(duì)編號(hào)為梁L7+、梁L14+、梁L28+的試驗(yàn)梁施加0.5 Pu的靜力荷載,并將其與相對(duì)應(yīng)未加力梁編號(hào)為梁L7、梁L14、梁L28的作為一組對(duì)照。將除梁L0外其余6根梁置于環(huán)境箱內(nèi),進(jìn)行為期7 d、14 d、28 d的加速碳化試驗(yàn)、加速碳化與荷載耦合作用試驗(yàn)[12]。探討不同碳化時(shí)間、不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土碳化深度和RC梁極限承載力的影響規(guī)律。試驗(yàn)梁的碳化時(shí)間和持荷荷載如表2所示。

表2 試驗(yàn)梁分組[12]Table 2 Test beam grouping[12]

1.2.2 加載準(zhǔn)備工作

將碳化試驗(yàn)后的試驗(yàn)梁表面噴繪成網(wǎng)格狀,以便于觀察試驗(yàn)梁的裂縫。打磨梁底部和梁側(cè)面中心處,在每個(gè)面用AB膠粘貼放置2個(gè)應(yīng)變片,并在測(cè)試期間使用靜態(tài)應(yīng)變采集器采集混凝土應(yīng)變。將試驗(yàn)梁靜置12 h,待應(yīng)變片連接牢固無損后,進(jìn)行試驗(yàn)梁的極限承載能力試驗(yàn)。其中,用裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)量裂縫的寬度。加載試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作儀器如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備[8]Fig.2 Preparation before the test[8]

1.2.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

分批取出環(huán)境箱內(nèi)7 d、14 d、28 d加速碳化試驗(yàn)、加速碳化與荷載耦合作用試驗(yàn)后的RC梁,開展三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),加載試驗(yàn)采用電液伺服加載裝置進(jìn)行,選用50 t噸位作動(dòng)器進(jìn)行加載,如圖3所示。利用加載裝置的操作系統(tǒng),對(duì)荷載和位移進(jìn)行記錄,由操作系統(tǒng)導(dǎo)出二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并繪出荷載-位移圖進(jìn)行分析。

圖3 電液伺服加載裝置Fig.3 Electra-hydraulic servo loading device

試驗(yàn)梁的加載是由位移控制加載速度進(jìn)行加載的,具體可劃分為3個(gè)階段:第一階段為加載開始到試驗(yàn)梁出現(xiàn)裂縫,為了得到精確的開裂荷載,每級(jí)加載為0.2 mm,直至梁體出現(xiàn)肉眼可見的裂縫;第二階段每級(jí)加載0.4 mm,第三階段每級(jí)加載0.6 mm,直至試驗(yàn)梁完全失去承載能力。

2 RC梁試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件外貌特征

經(jīng)荷載與碳化環(huán)境耦合作用,可明顯看出碳化時(shí)間較長(zhǎng)的試件較早發(fā)生破壞,作動(dòng)器施加0.5 Pu靜力荷載的試件,比未持荷試驗(yàn)梁更早發(fā)生破壞。通過對(duì)本次試驗(yàn)梁觀察分析可知:①裂縫是表征試驗(yàn)梁損傷的形式;②試件出現(xiàn)第一道裂縫及試件跨中裂縫密集發(fā)生塑性破壞的現(xiàn)象,均與碳化時(shí)間、持荷狀態(tài)有關(guān),這是因?yàn)樘蓟瘯r(shí)間越長(zhǎng),二氧化碳沿孔隙越深入混凝土,碳化程度越深;而荷載的施加使得梁體產(chǎn)生微小裂縫,令CO2等不利的物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部更便捷[13],在梁體內(nèi)部發(fā)生碳化反應(yīng),引起鋼筋的銹脹和混凝土強(qiáng)度的下降;③碳化深度、極限承載力是表征試驗(yàn)梁耐久性的決定性因素。碳化深度較淺時(shí),越不易影響試驗(yàn)梁內(nèi)部混凝土強(qiáng)度,試驗(yàn)梁極限承載力越大。反之,碳化深度較深,混凝土強(qiáng)度下降,影響構(gòu)件耐久性,極限承載力越小,試驗(yàn)梁越易出現(xiàn)跨中密集裂縫,引起適筋梁的塑性破壞。

2.2 測(cè)試內(nèi)容指標(biāo)

2.2.1 破壞模式

荷載的大小必然影響混凝土碳化的深度和速率[14],對(duì)碳化不同時(shí)間的試驗(yàn)梁進(jìn)行加載破壞試驗(yàn),以位移為控制點(diǎn),由作動(dòng)器向下移動(dòng)的位移來反應(yīng)施加在試驗(yàn)梁上的力。通過對(duì)比分析持載與未持載的破壞模式,可發(fā)現(xiàn)兩種加載方式下主要呈現(xiàn)出斜壓破壞,當(dāng)試驗(yàn)中持續(xù)受載達(dá)到某一荷載值時(shí),梁體出現(xiàn)斜裂縫,梁腹部均出現(xiàn)若干條相對(duì)平行的裂縫。值得注意的是持載相比于未持載梁體的平行裂紋較為稀疏,且達(dá)到相同裂紋數(shù)所需荷載更小。隨著荷載逐漸增加,裂縫延伸至梁頂作用點(diǎn),試驗(yàn)梁跨中裂縫密集發(fā)生塑性破壞,將該荷載值作為試驗(yàn)梁的極限承載力。此時(shí)梁體加載后的裂縫如圖4所示。

圖4 典型試驗(yàn)梁加載后裂縫圖[8]Fig.4 Crack diagram of typical test beam after loading[8]

表3為試驗(yàn)梁極限承載力結(jié)果,由表3可知隨著碳化時(shí)間增加,試驗(yàn)梁加載后產(chǎn)生裂縫更集中,鋼筋銹蝕、極限承載力衰減。

表3 試驗(yàn)梁極限承載力結(jié)果[12]Table 3 Test beam ultimate bearing capacity results[12]

2.2.2 極限承載力

加載破壞試驗(yàn)后,試驗(yàn)梁跨中裂縫密集達(dá)到塑性破壞,此時(shí)所受的荷載是該試驗(yàn)梁的極限承載力。得到試驗(yàn)梁極限承載力結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)梁極限承載力結(jié)果[12]Fig.5 Test beam ultimate bearing capacity results[12]

未持荷狀態(tài)下,隨著碳化時(shí)間增加,極限承載力逐漸衰減。未持荷狀態(tài)下,碳化7 d的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了5.0%,碳化14 d的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了7.7%,碳化28 d的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了10.7%。持荷狀態(tài)下,隨著碳化時(shí)間的增加,極限承載力衰減更明顯。持荷狀態(tài)下,碳化7 d的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了7.5%,碳化14 d的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了10.7%,碳化28 d的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了14.9%。荷載與碳化環(huán)境共同作用下,處于相同碳化時(shí)間的試驗(yàn)梁,持荷狀態(tài)下的極限承載力比未持荷時(shí)衰減更明顯。碳化7 d時(shí),持荷狀態(tài)下極限承載力比未持荷狀態(tài)下衰減2.5%;碳化14 d時(shí),持荷狀態(tài)下極限承載力比未持荷狀態(tài)下衰減3.1%;碳化28 d時(shí),持荷狀態(tài)下極限承載力比未持荷狀態(tài)下衰減4.7%。

綜上所述,在加載到相同荷載時(shí),隨著碳化時(shí)間的增加,RC梁極限承載力逐漸衰減,衰減程度加劇,且極限承載力衰減的速度逐漸變慢。碳化時(shí)間保持不變時(shí),持荷狀態(tài)下的極限承載力較差,極限承載力衰減得更快。荷載耦合作用下,不同碳化時(shí)間的極限承載力之間的差值更大。荷載耦合作用對(duì)試驗(yàn)梁極限承載力之間差值的影響,會(huì)隨碳化時(shí)間的增加,逐漸增大。這是因?yàn)楹奢d耦合下,梁體產(chǎn)生細(xì)小裂縫,梁體的碳化反應(yīng)較大,且碳化程度較高,脆性增加[15],最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降和鋼筋的銹蝕,從而對(duì)極限承載力造成一定的影響。在碳化反應(yīng)的后期,梁體中形成了大量的碳化物,阻塞了梁體中的一些細(xì)小的孔隙,導(dǎo)致進(jìn)入梁體的CO2、O2、H2O減少,反應(yīng)速率逐漸降低,進(jìn)而減緩極限承載力下降的速度。

2.2.3 荷載-位移關(guān)系

通過加載試驗(yàn)中電液伺服加載裝置,記錄繪制荷載-位移如圖6所示。

圖6 荷載-位移圖[12]Fig.6 Load-displacement diagram[12]

由圖6可知,隨著位移持續(xù)增加,荷載先迅速增加再較緩增加,增加速度逐漸減緩,當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力后,位移增大時(shí),荷載開始減小。相同碳化時(shí)間,持荷狀態(tài)的荷載峰值小于未持荷狀態(tài),即極限承載力更差[16]。持荷狀態(tài)比未持荷狀態(tài)下曲線間的空白更大,差距更明顯,碳化程度對(duì)極限承載力的影響更大。隨著碳化時(shí)間增加,荷載變化幅度越小,試驗(yàn)梁荷載的峰值隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。相同荷載下,位移的跨度隨時(shí)間漸漸變大。

2.2.4 荷載-應(yīng)變關(guān)系

碳化試驗(yàn)后,粘貼應(yīng)變片進(jìn)行加載試驗(yàn)如圖2所示,記錄應(yīng)變片斷裂前數(shù)據(jù)。由于有、無荷載耦合時(shí),應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本一致,故試驗(yàn)選取碳化環(huán)境與荷載耦合下的數(shù)據(jù)進(jìn)行,截取局部荷載對(duì)應(yīng)有應(yīng)變值的位置作圖7分析。

圖7 荷載-應(yīng)變圖[12]Fig.7 Load-strain diagram[12]

側(cè)面應(yīng)變?cè)诔跗诤奢d增加時(shí),應(yīng)變保持不變,后期荷載增加,應(yīng)變?cè)黾印：奢d和應(yīng)變?cè)趹?yīng)變達(dá)1 700時(shí)不再增大。側(cè)面應(yīng)變與梁體開裂狀況密切相關(guān)。在梁體開始觀測(cè)到裂縫的情況下,應(yīng)變近似為零,在荷載達(dá)到開裂荷載后,應(yīng)變發(fā)生急劇變化,應(yīng)變隨著荷載的增加而增加,開裂裂縫接近應(yīng)變片時(shí),應(yīng)變片出現(xiàn)斷裂后破壞。

底面應(yīng)變隨著荷載的增加而增加,當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí),應(yīng)變就會(huì)停止,底面應(yīng)變與所施加荷載相關(guān)。作用在梁體上的荷載,使其向下彎曲,梁體在碳化環(huán)境與荷載耦合作用下底面應(yīng)變片產(chǎn)生拉應(yīng)力,因此應(yīng)變片開始就有數(shù)據(jù),而且還在不斷增加。在荷載達(dá)到某一值后,底部會(huì)出現(xiàn)裂縫,從而引起應(yīng)變片的斷裂,應(yīng)變過載。

2.2.5 碳化深度分析

對(duì)梁體受壓部位的定義為對(duì)試件進(jìn)行碳化和荷載耦合作用情況時(shí),作動(dòng)器對(duì)梁體直接完成加載的部位;受拉部位通常是指與其受壓部位相對(duì)應(yīng)的部位,即受壓部位的正下方區(qū)域。

分別把做完承載能力測(cè)試后的7根試驗(yàn)梁L0、梁L7、梁L7+、梁L14、梁L14+、梁L28、梁L28+的受拉部位和受壓部位全部鑿開。鑿至足夠深度后,用滴定百分之一濃度的酚酞乙醇溶液于斷面上,靜置約1 min,再利用酚酞溶液遇堿后變紫色現(xiàn)象來測(cè)量試驗(yàn)柱的碳化情況,其中紫色區(qū)域即為未碳化區(qū)域,而不變色的區(qū)域即為已碳化區(qū)域,之間有一個(gè)明確的界線,利用數(shù)顯游標(biāo)卡尺對(duì)梁體表面到界線的距離長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)量,得到的受拉、受壓區(qū)碳化深度[17],如圖8所示。

圖8 典型碳化深度實(shí)測(cè)圖[12]Fig.8 Typical measured carbonation depth measured map[12]

不同碳化時(shí)間的碳化深度及有、無持荷下碳化深度增長(zhǎng)對(duì)比如圖9和表4所示。

表4 不同碳化時(shí)間荷載作用部位碳化深度[12]Table 4 The carbonation depth of the loading position with different carbonation time

圖9 不同應(yīng)力區(qū)碳化深度對(duì)比圖[12]Fig.9 Comparison chart of carbonation depth in different stress areas[12]

綜上可知,碳化深度隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加[18],在初期碳化深度增大的速度較快,到了后期則較緩慢。荷載耦合下,試驗(yàn)梁受壓應(yīng)力區(qū)的碳化深度增加緩慢,受拉應(yīng)力區(qū)的碳化深度增長(zhǎng)速度增加[19]。在相同的碳化時(shí)間下,受壓區(qū)的碳化深度較小,受拉區(qū)的碳化深度較大,同樣的碳化時(shí)間增量,在受壓區(qū)的碳化深度增加速度較慢,而在受拉區(qū)的碳化深度增加得較快[8]。

在混凝土加速碳化試驗(yàn)中,荷載作用對(duì)混凝土碳化反應(yīng)的影響隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低。這是由于在受壓應(yīng)力區(qū),混凝土中的孔隙減小,碳化反應(yīng)速度變慢,導(dǎo)致受壓區(qū)碳化反應(yīng)的影響隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低。在受拉應(yīng)力區(qū),由于混凝土中的孔隙較大,碳化反應(yīng)速度加快,因此,隨著碳化物含量的增大,混凝土中的孔隙被堵塞,最終導(dǎo)致受拉區(qū)碳化反應(yīng)的影響隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低。

3 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土損傷的影響機(jī)制

試驗(yàn)梁在加載時(shí)受到拉壓區(qū)中應(yīng)力的影響,使其內(nèi)部的孔隙減少或增加,從而對(duì)碳化反應(yīng)產(chǎn)生影響。當(dāng)分析受壓、受拉部位的碳化深度時(shí),需考慮時(shí)間的影響。建立加速碳化環(huán)境和碳化環(huán)境與荷載耦合下碳化深度的關(guān)系式描述碳化時(shí)間對(duì)碳化深度的影響,本文研究引進(jìn)壓應(yīng)力影響系數(shù)kc,拉應(yīng)力影響系數(shù)kt建立公式為

Xc=kcX0

(1)

Xt=ktX0

(2)

式中:Xc為荷載下梁體受壓區(qū)的碳化深度;kc為受壓應(yīng)力部位的影響系數(shù);X0為無荷載下梁體的碳化深度;Xt為受荷載下梁體受拉區(qū)的碳化深度;kt為受拉應(yīng)力部位的影響系數(shù)。

若要找到時(shí)間對(duì)碳化程度的影響情況,需先確定受壓應(yīng)力部位的影響系數(shù)kc和受拉應(yīng)力部位的影響系數(shù)kt[20]。在試驗(yàn)梁體的受壓區(qū),荷載耦合作用對(duì)碳化深度增量的抑制作用,隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而減小;而在試驗(yàn)梁體的受拉區(qū),荷載耦合作用對(duì)碳化深度增量的促進(jìn)作用,隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。不同碳化時(shí)間下,荷載作用下受壓區(qū)、受拉區(qū)碳化深度改變程度,如表5所示。

表5 不同碳化時(shí)間下荷載對(duì)碳化深度的影響Table 5 Effect of load on carbonation depth under different carbonation time

由表5可知,梁體在受壓應(yīng)力區(qū)的碳化深度降低,這是因?yàn)榱后w在承受荷載時(shí),其內(nèi)部的部分孔隙充滿了碳酸鈣,另一部分孔隙則因荷載而減少,導(dǎo)致梁體在有壓應(yīng)力情況下的碳化深度變小;在受拉應(yīng)力區(qū),梁體的碳化深度增加是因?yàn)樵诹后w受到荷載時(shí),梁體在承受荷載時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的孔隙,即使在產(chǎn)生碳酸鈣的情況下,其受拉區(qū)的碳化深度仍然大于正常梁。通過對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行線性分析,得到應(yīng)力產(chǎn)生的影響系數(shù)與碳化時(shí)間的關(guān)系擬合圖如圖10所示。

圖10 影響系數(shù)直線擬合圖Fig.10 Influence coefficient straight line fitting diagram

其相關(guān)系數(shù)R2=0.99及R2=0.98說明影響系數(shù)kc、kt與碳化時(shí)間的線性相關(guān)程度高,由圖10可直接計(jì)算得碳化時(shí)間與碳化深度影響系數(shù)的關(guān)系式為

kc=0.001 62t+0.809

(3)

kt=-0.003 11t+1.249

(4)

將式(3)代入式(1),將式(4)代入式(2),得到荷載為0.5 Pu試驗(yàn)梁受壓區(qū)、受拉區(qū)的碳化深度與碳化時(shí)間的關(guān)系式為

Xc=(0.001 62t+0.809)X0

(5)

Xt=(-0.003 11t+1.249)X0

(6)

綜上可知,荷載耦合作用對(duì)碳化深度影響顯著,并隨著碳化時(shí)間的增加,對(duì)碳化深度改變程度越來越小,逐漸靠近未持荷的碳化深度的增長(zhǎng)速度。

4 碳化深度對(duì)RC梁承載力的影響機(jī)制

混凝土強(qiáng)度下降直接影響RC梁的極限承載力,而碳化深度是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素之一。根據(jù)李夢(mèng)冉等[21]給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:在相同外部條件下,隨著混凝土碳化程度的加重,兩組混凝土強(qiáng)度分別降低了22.8%和17.0%。本文研究進(jìn)行的加速碳化試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn):在加速碳化環(huán)境作用28 d后的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了10.7%;碳化環(huán)境與荷載耦合作用28 d后的極限承載力比未碳化時(shí)衰減了14.9%。

根據(jù)本文極限承載力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析碳化深度對(duì)承載力的影響。隨著碳化時(shí)間的增加,碳化深度不斷增加[22],承載力逐漸衰減。可得碳化深度與極限承載力的關(guān)系如圖11所示。

圖11 加速碳化環(huán)境作用下碳化深度-承載力圖Fig.11 Carbonation depth-bearing capacity diagram under accelerated carbonation environment

其相關(guān)系數(shù)R2=0.99,說明兩者的線性相關(guān)程度高,由圖11可直接計(jì)算得碳化深度與承載力關(guān)系式為

P0=-0.81X0+49.68

(7)

考慮荷載耦合對(duì)承載力的影響,建立一個(gè)施加0.5 Pu靜力荷載后產(chǎn)生的影響系數(shù)kp表示為

P0.5=kpP0

(8)

式(8)中:P0.5為荷載耦合作用下梁體的極限承載力;kp為荷載影響系數(shù);P0為加速碳化環(huán)境下梁體的極限承載力。

若要找到時(shí)間對(duì)極限承載力的影響情況,需先確定荷載影響系數(shù)kp。在碳化與荷載耦合作用下,極限承載力隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。不同碳化時(shí)間下,極限承載力的改變程度,如表6所示。

表6 不同碳化時(shí)間承載力抑制系數(shù)Table 6 Inhibition coefficient of bearing capacity at different carbonation time

根據(jù)影響系數(shù)可以看出,隨著碳化時(shí)間的增加,極限承載力衰減程度加劇。通過對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,得到在荷載耦合下的碳化時(shí)間對(duì)極限承載力關(guān)系如圖12所示。

圖12 影響系數(shù)直線擬合圖Fig.12 Influence coefficient straight line fitting diagram

其相關(guān)系數(shù)R2=0.99,說明兩者的線性相關(guān)程度高,所得到的促進(jìn)系數(shù)kp可靠程度越大,由圖12可計(jì)算得影響系數(shù)與承載力關(guān)系式為

kp=0.001 03t+0.98

(9)

將式(9)代入式(7)可得施加0.5 Pu靜力荷載的極限承載力與未持荷的極限承載力關(guān)系式為

P0.5=(-0.001 03t+0.98)P0

(10)

將式(7)代入式(10),可得到碳化環(huán)境與荷載耦合下試驗(yàn)梁承載力的計(jì)算公式為

P0.5=(-0.81X0+49.68)(-0.001 03t+0.98)=0.000 83X0t-0.80X0-0.05t+48.81

(11)

綜上可知,由于碳化時(shí)間增加導(dǎo)致碳化程度增加,而碳化深度會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕,嚴(yán)重影響服役壽命[23],最終導(dǎo)致極限承載力下降;試驗(yàn)梁的破壞形式主要為受拉破壞,荷載耦合下受拉區(qū)的碳化時(shí)間增加,碳化程度加劇,對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響更嚴(yán)重,因此極限承載力下降更明顯。

5 結(jié)論

通過對(duì)RC梁在荷載耦合作用下的加速碳化試驗(yàn)進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)加速碳化7、14、28 d后的RC梁開展了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),結(jié)果表明:混凝土碳化損傷會(huì)影響抗壓強(qiáng)度,加速鋼筋銹蝕,導(dǎo)致RC梁的極限承載力下降,加速碳化7、14、28 d后RC梁的極限承載力分別下降了5.0%、7.7%、10.7%。

(2)對(duì)加速碳化與荷載耦合作用7、14、28 d后的RC梁開展了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),結(jié)果表明:荷載耦合作用加速了混凝土受拉區(qū)域的碳化損傷,兩者耦合作用加劇了RC梁的極限承載力下降,加速碳化與荷載耦合作用7、14、28 d后RC梁的極限承載力分別下降了7.5%、10.7%、14.9%。

(3)對(duì)加速碳化與荷載耦合作用7、14、28 d后的RC梁受壓、受拉區(qū)混凝土碳化深度進(jìn)行檢測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)會(huì)加劇混凝土碳化損傷,壓應(yīng)力狀態(tài)會(huì)延緩混凝土碳化損傷,7、14、28 d加速碳化與荷載耦合作用后RC梁受拉區(qū)混凝土碳化深度分別為受壓區(qū)的1.5倍、1.44倍、1.36倍。進(jìn)一步建立了混凝土受壓、受拉部位的碳化深度與碳化時(shí)間、極限承載力之間的關(guān)系。