李久存,仝培周
(東北大學(xué),遼寧 沈陽 110819)
混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理一般表現(xiàn)為表面碳化、裂縫孔隙的擴(kuò)展及鋼筋的腐蝕等,工程環(huán)境中混凝土碳化是引起鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素,通過表面的碳化,降低混凝土的堿度,促進(jìn)了裂縫的出現(xiàn)或擴(kuò)大,為環(huán)境中有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供便利的條件。鋼纖維混凝土的抗碳化性能也引起了廣泛的關(guān)注。曹玉新[1]研究了波浪型、啞鈴型鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律,提出等體積替代粗集料法進(jìn)行鋼纖維摻加,并結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比2 種鋼纖維的差異。延瀟等[2]分析了鋼纖維在提高混凝土力學(xué)性能過程中混凝土與鋼筋之間粘結(jié)性能機(jī)理變化,并對(duì)比分析了輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)性能,為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供部分理論參考。陳倩等[3]研究了鋼纖維、聚丙烯纖復(fù)合作用下對(duì)超高性能混凝土強(qiáng)度影響規(guī)律,提出了2 種纖維的最佳復(fù)配比例及用量,并建立了基于鋼纖維參數(shù)變化的立方體抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型?;艨》嫉萚4]分析了鋼纖維摻量及再生材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律,并提出了相應(yīng)的基本參數(shù)。張頊等[5]研究了鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)混凝土碳化性能的影響,并建立了碳化深度預(yù)測(cè)模型,主要內(nèi)容為公式的理論推導(dǎo)與參數(shù)預(yù)測(cè),為工程實(shí)際應(yīng)用提供的試驗(yàn)性結(jié)論不足。
本文通過快速碳化試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn),研究鋼纖維混凝土在水膠比、鋼纖維摻量及碳化齡期等關(guān)鍵參數(shù)變化下的碳化規(guī)律,通過Fick 定律建立水膠比-碳化速率系數(shù)、鋼纖維摻量-碳化速率系數(shù)關(guān)系模型,為進(jìn)一步研究鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提供參考。
(1)水泥P·O42.5R 水泥,阿爾博波特蘭(安慶)有限公司生產(chǎn),主要物理力學(xué)性能見表1。
表1 水泥的物理力學(xué)性能
(2)鋼纖維:波浪形,長(zhǎng)度30 mm,直徑0.5 mm,重慶宜筑公司加工生產(chǎn),基本技術(shù)性能參數(shù)見表2。
表2 鋼纖維的基本技術(shù)性能
(3)骨料:采用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈、密實(shí)的骨料,粗骨料為石灰?guī)r碎石,粒徑5~20 mm,骨料的主要技術(shù)性能見表3,符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》要求。
表3 骨料的主要技術(shù)性能
水泥混凝土結(jié)構(gòu)隨服役年限的延長(zhǎng),其表面受環(huán)境、空氣因素的腐蝕碳化作用逐漸增強(qiáng),嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)物耐久性能。鋼纖維可有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、柔韌性等,本研究結(jié)合前期研究成果,研究了水膠比、鋼纖維摻量和養(yǎng)護(hù)齡期等參數(shù)對(duì)混凝土碳化深度的影響,最終通過分析碳化后的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度確定基于碳化深度指標(biāo)的鋼纖維混凝土基本參數(shù)。具體試驗(yàn)方案如下:
(1)鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì):采用不同的水膠比和鋼纖維摻量,研究鋼纖維混凝土抗碳化性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化,水膠比分別為0.30、0.35、0.40,鋼纖維體積摻量為0~2%,其基本配合比設(shè)計(jì)見表4 和表5。
表4 不同水膠比鋼纖維混凝土的配合比
表5 不同鋼纖維摻量混凝土的配合比
(2)碳化試驗(yàn):按照GB/T 50082—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)》,試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行碳化試驗(yàn)。影響因素主要有鋼纖維混凝土碳化時(shí)間(3、7、14、28、56 d)、澆筑面與側(cè)面、鋼纖維摻量、水膠比等。采用檢測(cè)面3 個(gè)碳化深度平均值作為該條件下的碳化深度,精確到0.01 mm。
(3)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn):按照CECS13:2009《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》,采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件,尺寸換算系數(shù)采用0.8。
由圖1 可知:
(1)水膠比對(duì)碳化深度影響顯著,隨著水膠比的增大,水泥用量減少,碳化深度顯著增大。水膠比為0.30 時(shí)各齡期碳化深度最小、水膠比為0.40 時(shí)各齡期碳化深度最大,二者相差十分顯著,如養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時(shí),水膠比為0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度較水膠比為0.30 的增大了278.6%。水膠比為0.30 的鋼纖維混凝土抗碳化能力最強(qiáng),隨著水膠比的增大,呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)?,隨著水膠比增大,水泥用量減少,相對(duì)而言需水量增加,加快了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水化反應(yīng),提高內(nèi)部自由水分的蒸發(fā),造成鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)中孔隙增加,碳化速率相應(yīng)也提高。
(2)隨碳化齡期的延長(zhǎng),不同水膠比下的碳化深度也呈逐漸增大的趨勢(shì),早期碳化齡期內(nèi)的變化速率高于后期,這與普通混凝土的碳化規(guī)律接近。碳化齡期從3 d 逐漸延長(zhǎng)至14 d,水膠比為0.30、0.35、0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度分別增大了171.2%、193.4%和152.2%;而碳化齡期從14 d 逐漸延長(zhǎng)至56 d,水膠比為0.30、0.35、0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度分別增大了48.2%、43.9%和33.8%。這是因?yàn)殡S鋼纖維混凝土表面孔隙不斷碳化,形成的碳酸鈣物質(zhì)能夠進(jìn)一步填充相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)孔隙,能夠阻礙碳化箱中二氧化碳的進(jìn)入,降低了碳化速率。
根據(jù)Fick 定律描述,水泥混凝土的碳化深度L 與碳化齡期t 符合:L=K·t1/2,其中K 為碳化速度系數(shù)。根據(jù)圖1 計(jì)算出鋼纖維混凝土在不同水膠比下相同碳化齡期的碳化速度系數(shù),根據(jù)水膠比與碳化速度系數(shù)關(guān)系繪制相應(yīng)的變化曲線,結(jié)果見圖2。
由圖2 可見,水膠比對(duì)鋼纖維混凝土的碳化速度具有顯著影響,隨水膠比的增大,各齡期的碳化速度系數(shù)均急劇增大,二者服從冪函數(shù)關(guān)系。
對(duì)不同水膠比鋼纖維混凝土的澆筑面(頂面)和側(cè)面進(jìn)行了碳化深度測(cè)試,結(jié)果見圖3。
圖3 鋼纖維混凝土澆筑面與側(cè)面碳化深度隨齡期的變化
由圖3 可見:
(1)在相同齡期及水膠比條件下,鋼纖維混凝土頂面的碳化深度均大于側(cè)面。7 d 齡期時(shí),水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了47.2%和32.2%。
(2)碳化齡期對(duì)頂面與側(cè)面的碳化深度也存在顯著影響,隨碳化齡期的延長(zhǎng),頂面與側(cè)面碳化深度差距逐漸減小,56 d齡期時(shí),水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了10.8%和13.3%。
由圖4 可知:
(1)鋼纖維摻量對(duì)混凝土碳化具有顯著影響,隨鋼纖維摻量的增加,碳化深度呈先減小后增大的趨勢(shì),鋼纖維摻量為1.5%時(shí)各齡期碳化深度均最小,此時(shí)鋼纖維混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實(shí),抗碳化能力最強(qiáng),水泥硬化過程中混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力與鋼纖維的牽阻力相互抵消,改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)微孔隙的增加,降低了孔隙率。隨鋼纖維摻量進(jìn)一步增加至2.0%,鋼纖維與混凝土的接觸面積增大,造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生界面連接薄弱點(diǎn),增加了內(nèi)部微孔隙率,易于二氧化碳的擴(kuò)散,導(dǎo)致碳化深度急劇增大。碳化齡期為7、28、56 d,鋼纖維摻量為1.5%時(shí),鋼纖維混凝土的碳化深度較未摻鋼纖維的分別減小了56.4%、51.1%和39.4%;鋼纖維摻量為2.0%時(shí),碳化深度較未摻加鋼纖維的分別增大了15.7%、10.6%和15.4%。
(2)隨著碳化齡期的延長(zhǎng),不同鋼纖維摻量下混凝土碳化深度也顯著增大,前期0~7 d 的碳化深度增加顯著,而28~56 d 的碳化深度增加速率顯著下降,這前面的分析結(jié)果一致。以鋼纖維摻量為0.5%為例,7、28、56 d 時(shí)碳化深度較3 d 時(shí)分別增加了102.4%、438.6%和474.4%;鋼纖維摻量為1.5%時(shí),7、28、56 d 時(shí)碳化深度較3 d 時(shí)分別增加了93.5%、402.2%和547.8%。
引入鋼纖維摻量變化系數(shù),依據(jù)Fick 定律描述,碳化深度L 與碳化齡期t 的關(guān)系如下:L=Kx·t1/2,其中Kx為鋼纖維摻量為x 時(shí)的碳化速度系數(shù)。由此反算出不同鋼纖維摻量下的碳化速度系數(shù)(見圖5),可見,隨鋼纖維摻量的增加,碳化速度系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì),二者服從三次項(xiàng)多項(xiàng)式關(guān)系。
圖5 鋼纖維摻量對(duì)碳化速度系數(shù)的影響
鋼纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能改善主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度方面。不同水膠比和鋼纖維摻量下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的變化分別見圖6、圖7。
圖6 水膠比對(duì)鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響
由圖6、圖7 可知:
(1)隨水膠比的增大,鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著降低,且不同水膠比下鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均隨碳化齡期的延長(zhǎng)而提高。根據(jù)碳化深度分析結(jié)果可知,水膠比增大減少了水泥用量,對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度也存在劣化作用,抗碳化性能也隨之降低,其劈裂抗拉強(qiáng)度也呈降低狀態(tài)。以7、28、56 d 齡期為例,水膠比為0.40 時(shí)鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較水膠比為0.30 時(shí)分別下降了7.9%、13.4%和13.3%。
(2)隨水膠比的增大,碳化齡期的延長(zhǎng)降低了鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的提高幅度,其中水膠比為0.30 時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度最大。水膠比分別為0.30、0.35、0.40 時(shí),56 d劈裂抗拉強(qiáng)度較3 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了11.1%、9.1%和4.4%。
(3)隨鋼纖維摻量的增加,混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低,這與碳化速度系數(shù)變化規(guī)律一致。鋼纖維摻量為1.5%時(shí)各齡期劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最高,7、28、56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度較未摻加鋼纖維的混凝土分別提高了53.9%、59.2%、58.9%。隨碳化齡期的延長(zhǎng),鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也呈逐漸提高的趨勢(shì),且增幅也高于未摻鋼纖維的普通混凝土。鋼纖維摻量為0、1.5%和2.0%時(shí),碳化齡期56 d 的劈裂抗拉強(qiáng)度較3 d 時(shí)分別提高了6.4%、9.7%和10.6%。
(1)水膠比對(duì)鋼纖維混凝土的抗碳化性能存在顯著影響,隨水膠比的增加,碳化深度逐漸增大,鋼纖維混凝土的抗碳化性能下降。水膠比與碳化速度系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系,隨水膠比的增加,碳化速率系數(shù)也顯著增大。
(2)鋼纖維混凝土澆筑面的碳化深度均高于側(cè)面,且隨碳化齡期的延長(zhǎng),澆筑面與側(cè)面的碳化深度差異逐漸減小,56 d齡期時(shí),水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了10.8%和13.3%,與普通混凝土的碳化規(guī)律一致。
(3)隨鋼纖維摻量的增加,混凝土的碳化深度與碳化速率系數(shù)均先減小后增大,鋼纖維的最佳摻量為1.5%,此時(shí)鋼纖維混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實(shí),抗碳化性能最強(qiáng)。
(4)隨水膠比的增加,鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著降低;隨鋼纖維摻量的增加,混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低,與碳化速度系數(shù)變化規(guī)律一致。