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 徐善華，  李安邦，  崔煥平，  劉小微

 （西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

[摘要]  通過快速碳化混凝土單調(diào)加載試驗，研究了碳化對混凝土強度、剛度以及變形能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)：碳化對于混凝土強度的提高作用有限，碳化后混凝土峰值壓應變明顯降低，彈性模量提高，試件破壞時脆性更加明顯；不同碳化深度混凝土的應力-應變曲線上升段十分接近，下降段則隨碳化加深變得越來越陡。通過對試驗結(jié)果分析，建立了單調(diào)荷載作用下碳化混凝土應力-應變曲線方程，并給出了方程參數(shù)與碳化深度之間的關(guān)系，研究成果可為既有混凝土結(jié)構(gòu)性能評定提供技術(shù)依據(jù)。

 [關(guān)鍵詞]  混凝土；碳化；單調(diào)加載；應力-應變關(guān)系

 中圖分類號：TU502+．6文章編號：1002-848X( 2016) 06-0081-05

0  引言

 碳化在造成混凝土內(nèi)部化學成分、微觀組織結(jié)構(gòu)改變的同時，勢必引起混凝土強度、變形及延性等力學性能指標發(fā)生變化。目前國內(nèi)外學者針對碳化混凝土化學組分、微觀結(jié)構(gòu)及電化學性質(zhì)變化開展了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果，然而針對碳化后混凝土力學性能變化規(guī)律開展的研究工作還相對較少。通過人工快速碳化試驗與單調(diào)加載試驗研究發(fā)現(xiàn)碳化使得混凝土抗壓強度明顯提高，同時其極限變形能力降低，C30混凝土碳化后抗壓強度增大近60%，而碳化對混凝土峰值應變影響較小，C30混凝土碳化后峰值應變減小5%左右。通過對實驗室快速碳化得到的完全碳化混凝土試驗研究發(fā)現(xiàn)碳化使各種強度等級混凝土的立方體抗壓強度有顯著提高，可提高1.2~1.3倍；碳化混凝土棱柱體峰值應變比碳化前沒有明顯提高。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)碳化后混凝土峰值應變隨碳化深度增加而減小，幅度可達50%；峰值應力也隨著碳化深度增加而提高，幅度達15%。通過試驗研究認為混凝土碳化后峰值應變基本保持不變；峰值應力提高16%~26%，并且提高數(shù)值與原混凝土強度等級有關(guān)，原混凝土強度等級越高，提高幅度越大。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)碳化深度較小時，混凝土的破壞形態(tài)與未碳化混凝土基本沒有區(qū)別，而當碳化深度較大時，試件受荷過程中出現(xiàn)大面積剝離現(xiàn)象。

 本文通過開展實驗室快速碳化試驗與單調(diào)加載試驗，考慮碳化深度影響，研究不同碳化深度對混凝土強度、剛度以及變形能力的影響，探討單調(diào)荷載作用下不同碳化深度的混凝土應力．應變關(guān)系的變化規(guī)律，為既有混凝土結(jié)構(gòu)性能評定提供技術(shù)依據(jù)。

1  試驗方案

1.1試件設(shè)計與制作

 試驗采用普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)粒級碎石，最大粒徑20mm，砂采用連續(xù)級配中砂，其含泥量不大于2%，拌和水為自來水。按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》( GB/T 50081-2002)制作和養(yǎng)護試件，試驗每立方米混凝土材料用量及混凝土立方體28d抗壓強度指標見表1。需要指出的是本文的主要目的是為既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此在試驗設(shè)計之初就考慮到建造年代較早的既有混凝土結(jié)構(gòu)混凝土強度普遍偏低、水灰比較大，在一般大氣環(huán)境下更易于發(fā)生碳化反應的情況，因此試驗設(shè)計的兩組試件強度等級均不超過C30，水灰比不小于0.6。試驗共制作了兩批次48個試件，其中24個100mm×100mm×100mm立方體試件（分為8組，其中C20批次4組，C30批次4組，且每組各3個試件）用于研究混凝土碳化深度和抗壓強度變化規(guī)律；另外24個100mm×100mm×300mm棱柱體試件（分為8組，其中C20批次4組，C30批次4組，且每組各3個試件）用于研究單調(diào)荷載作用下碳化混凝土應力一應變關(guān)系變化規(guī)律。

1.2快速碳化以及單調(diào)加載試驗

 試件養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，放人溫度為60℃的烘箱干燥48h，然后用石蠟對試件端面進行密封，再放入CCB-70W混凝土碳化試驗箱對試件進行快速碳化，見圖1(a)。碳化過程按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》( CB/T 50082-2009)執(zhí)行，碳化環(huán)境為：溫度20 ±3℃、相對濕度(70±5)%、CO2濃度(20 ±3)%。每個批次試件的碳化試驗均分為4組，試驗過程中定期用切割機劈裂混凝土試件，并使用1%的酒精酚酞試劑檢測試件碳化深度，當碳化到所需碳化深度后，取出相應組試件。

 全部試件完成預定程度的快速碳化試驗后，同期采用改進的WAW系列微機控制電液伺服萬能試驗機( 100t)進行單調(diào)加載試驗，采用位移計和應變計并借助于TDS-602動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀測試試件應變，試驗裝置見圖1(b)。

2  試驗結(jié)果

2.1破壞形態(tài)

 混凝土棱柱體試件受壓破壞，實質(zhì)上是試件內(nèi)部微裂縫形成、不斷擴展直致貫通崩裂的過程。加載初期，試件基本都處于彈性階段，應變近似按比例增長；隨著荷載不斷增大，試件逐漸進入彈塑性階段，應力-應變曲線由陡變緩，呈上凸趨勢，試件內(nèi)部將會有微裂縫的形成，但直到試件應力水平達到峰值前，未碳化試件表面均無肉眼可見裂縫，而部分碳化后試件則在側(cè)面角部已經(jīng)開始出現(xiàn)可見的細而短的豎向裂縫，有的甚至出現(xiàn)表面脫落現(xiàn)象；荷載繼續(xù)增加，試件應力達到并越過峰值點后，試件承載力減小，應力-應變曲線在峰值點處會形成很短的平緩區(qū)，碳化后試件的平緩區(qū)比未碳化試件明顯縮短甚至消失；荷載再繼續(xù)增加，試件表面相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向短裂縫，隨著裂縫開展延伸，逐漸形成一條主斜裂縫，并逐漸貫通全界面，最后試件破壞。兩批次不同碳化深度試件的破壞形態(tài)如圖2所示，其中d為碳化深度。

 比較碳化試件與未碳化試件可以發(fā)現(xiàn)：1）隨著混凝土碳化深度增加，碳化試件峰值應力對應的峰值應變明顯減小；2）碳化試件在達到峰值應力前在角部就出現(xiàn)了肉眼可見裂縫，而未碳化試件往往越過峰值應力才產(chǎn)生肉眼可見裂縫；3）混凝土強度等級相同的試件，試件碳化深度越大，試件破壞時裂縫數(shù)量越少，其位置也越集中，且碳化深度較大試件破

壞前表面往往會出現(xiàn)大塊崩裂脫落現(xiàn)象，其脆性更為明顯（圖2）；4）碳化深度相近的試件，混凝土強度等級越高，試件破壞時脆性越明顯。

2.2主要試驗特征值及應力一應變曲線

 表2給出了單調(diào)荷載作用下各組混凝土試件試驗結(jié)果平均值。由表2可以發(fā)現(xiàn)：隨著碳化深度加大，峰值應變明顯降低；C20批次峰值應力變化不明顯，C30批次后峰值應力增長一定幅度后趨于穩(wěn)定；兩批次混凝土初始彈性模量均不同程度增長。

 圖3為兩組具有代表性的不同碳化深度混凝土單軸受壓實測應力-應變曲線。由圖3可以發(fā)現(xiàn)：從形狀上看，混凝土碳化前后的應力，應變曲線沒有本質(zhì)區(qū)別，隨著碳化深度增加，應力．應變曲線上升段變化幅度不大，但下降段變化較大；隨著碳化深度增加，混凝土應力-應變曲線下降段明顯變陡，與橫軸所包圍面積（即試件累積耗散能量）隨碳化深度加大而明顯降低。說明混凝土脆性變大，塑性變形能力降低，破壞過程更為迅速。

3  單調(diào)荷載作用下碳化混凝土應力-應變關(guān)系模型

 圖4(a)給出了單調(diào)荷載作用下碳化混凝土相對峰值應力系數(shù)妒（碳化后試件與未碳化試件峰值應力的比值）隨碳化深度的變化。由圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)：C20碳化混凝土相對峰值應力系數(shù)變化不明顯；C30碳化混凝土相對峰值應力系數(shù)提高幅度約為20%，提高幅度較C20混凝土相對峰值應力系數(shù)提高幅度更為明顯，“原混凝土強度越高，提高幅度越大”相一致；隨著碳化深度繼續(xù)加大，兩組試件峰值應力趨于穩(wěn)定，這說明碳化對于提高混凝土強度作用有限。

 圖4(b)給出了單調(diào)荷載作用下碳化混凝土相對峰值應變系數(shù)φ（碳化后試件與未碳化試件峰值壓應變的比值）隨碳化深度的變化。由圖4(b)及表2可以發(fā)現(xiàn)：隨著碳化深度加深，兩批次混凝土相對峰值應變系數(shù)均明顯降低，對于C20混凝土，當碳化深度為27. 27mm時，其峰值應變較未碳化混凝土降低了14.7%；對于C30混凝土，當其碳化深度為23. 48 mm時，其峰值應變較未碳化混凝土降低了12. 7%。通過對試驗數(shù)據(jù)回歸分析，得到相對峰值應變系數(shù)λ與碳化深度d之間的關(guān)系：

 λ= -0.005 32d +1 (1)

將兩批次不同碳化深度混凝土在單調(diào)荷載作用下的應力-應變曲線作無量綱處理，如圖5所示，圖中ε0,σ0分別為各試件的峰值應變、峰值應力。由圖5可以發(fā)現(xiàn)：不同碳化深度對應的無量綱曲線在形式上并沒有發(fā)生實質(zhì)性改變，其上升段非常接近，而下降段則隨碳化深度加大變得越來越陡。為準確擬合碳化后混凝土受壓應力-應變曲線，同時方便工程應用，將碳化混凝土與未碳化混凝土受壓應力-應變曲線統(tǒng)一起來考慮。參考已有的普通未碳化混凝土應力-應變關(guān)系數(shù)學函數(shù)模型，經(jīng)比較分析后采用過鎮(zhèn)海等建議的分段式曲線方程對碳化混凝土應力．應變曲線進行擬合，得到：

 利用最小二乘法對表3中參數(shù)ac，b c進行擬合（圖6），可以得到其隨碳化深度變化的規(guī)律，圖6中a0，b0分別為未碳化混凝土上升段與下降度方程參數(shù)。

 式(1)~(7)給出的碳化混凝土應力-應變關(guān)系模型對于既有混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬有一定的應用價值。圖7給出了部分碳化混凝土試件的應力一應變無量綱試驗曲線與擬合曲線的對比，可以看出，二者吻合較好。

4  結(jié)論

 (1)對比未碳化混凝土，碳化混凝土裂縫出現(xiàn)較早，對于相同強度等級混凝土試件，碳化深度越大，試件破壞時裂縫數(shù)量越少，位置越集中，其脆性更為明顯。對碳化深度相近的試件，混凝土強度等級越高，試件破壞時脆性越明顯。

 (2)隨著碳化深度加大，混凝土峰值應變明顯降低，初始彈性模量提高，但碳化對于提高混凝土強度作用有限。

 (3)碳化混凝土應力．應變曲線上升段與未碳化混凝土相似，下降段則隨碳化深度加大而明顯變陡，碳化后混凝土的塑性變形能力、累計耗能能力均顯著降低。

 (4)本文通過對試驗數(shù)據(jù)回歸分析，給出的單調(diào)荷載作用下碳化混凝土應力-應變關(guān)系模型與試驗結(jié)果吻合良好。