1、砼碳化试验研究略谈摘要：碳化环境下使用状态砼的耐久性试验结果表明：拉、压应力分别加快和减缓了砼碳化的速率，且应力变化越大，碳化速率的改变就越大； 关键词：砼；碳化；工作应力，裂缝 中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号： 20 世纪下半叶开始，砼的碳化研究已成为结构耐久性研究的重点，应用广泛预应力砼桥梁受力特点的碳化试验研究很少，而裂缝对砼碳化影响的相关试验研究也很少。本文利用加速碳化方法，开展多种受力状态下桥梁常用强度砼的碳化试验，并对现有碳化试验所得的数据进行比较分析，最后修正了砼碳化深度预测模型中的工作应力影响系数。 1 受力状态下砼碳化试验 1.1 试验方案 包括两个部分： 是在
2、碳化环境作用下，应力状态对砼碳化的影响； 是在碳化环境作用下，开裂状态对砼碳化的影响。 前一部分试件分为无应力状态、拉应力状态及压应力状态三类，每一类试件根据应力水平的不同又分为若干情形，详见表 1。 其中，ftk 为砼抗拉强度，fck 为砼抗压强度。 后一部分试件工况设置为：裂缝宽度 0.1、0.15、0.2 及 0.4mm 四种，另外还有一种工况是先使试件产生弯曲裂缝，然后再施加预应力使裂缝闭合，试件工况详见表 1。 表 1： 砼碳化试验记录 试验材料：水泥采用山水牌 42.5 普硅水泥；普通河砂，细度模数2.5，级配区，含泥量 0.15%；石玄武岩碎石，级配 525mm。 表 2 砼试件
3、配合比 1.2 试验方法 使用 CCB70 型碳化箱。碳化环境：CO2 质量浓度 20%3%，湿度705%，温度 205。 (1) 拉应力状态的实现 通过对试件施加弯矩使其弯曲受拉实现拉应力状态。 此外，砼徐变收缩会引起其应力改变从而导致碳化速率变化，故应计入其影响。考虑到砼试件拉应力较小（12MPa） ，故在试件一端套上预先设计好的弹簧，通过量测弹簧在试件加载后和 28d 碳化后的长度并利用加载后测定的砼拉应力计算出 28d 后砼的拉应力，最后计算碳化期间砼平均拉应力作为试件最终有效拉应力。试件施加的弯曲拉应力见表 3。 表 3 砼试件的拉应力 (2) 压应力状态实现 通过施加预应力可以使试
4、件处于压应力状态。对于压应力为 0.10fck的试件，预应力钢筋采用了 15mm 钢筋，两端采用螺纹锚。对于压应力为 0.40fck，0.70fck 的试件，预应力钢筋采用 S15.2 钢绞线，抗拉强度标准值 fpk=1860MPa，采用后张法，试件先预留孔道。为减少预应力损失，采用特制的挤压头加螺纹锚。 表 4 砼试件的压应力 (3) 开裂状态的实现 待砼试件养护到龄期后，采用图 5a 中的加载装置施加外力使其开裂，用刻度放大镜观察，当裂缝宽度达到设计要求时停止加载，然后保持试件的裂缝宽度不变。 加载试件如图 5 所示。 a 拉应力状态试件 b 压应力状态试件 图 5 砼试件加载实况 2 试
5、验结果分析 2.1 应力状态对砼碳化的影响 2.1.1 无应力状态 图 6 无应力状态下碳化深度和时间的关系 由图中曲线可以看出，碳化深度与时间平方根基本成正比，这与理论分析中提到的碳化规律是吻合的。预应力砼桥梁常用的 C50 砼 28d 碳化深度仅为 6.22mm，而在文献中查得的 C30 砼碳化深度均大于 13mm，由此可以看出在其他条件相同的情况下 C50 砼的抗碳化能力远大于低强度砼。 2.1.2 拉、压应力状态 不同受力状态下的试件碳化深度见表 5。 由表 5 知，当拉应力较小，相对碳化深度变化并不明显；而当拉应力较大时，碳化深度增大近 30%，据碳化深度与时间平方根成正比的关系，经
6、过换算后发现：在拉应力较大状态下达到同样的碳化深度时，碳化时间比无应力状态下要缩短将近 40%；同样，当压应力较小时，相对碳化深度变化并不明显，而当压应力较大时，碳化深度减小了近 60%，这对砼抗碳化是很有利的。 表 7 受力状态下试件碳化深度 2.1.3 与相关试验结果的比较 为了进一步确定应力状态对砼碳化深度的影响，与其他学者所做碳化试验结果比较。 图 8 拉应力试验结果统计 图 9 压应力试验结果统计 由图 8、图 9 可以看出，各组数据离散性很大，压应力状态对桥梁常用 C50 强度砼碳化深度的影响是明显的，特别是高压应力状态下，不论是绝对碳化深度或相对碳化深度明显小于低强度砼。 2.2
7、 开裂状态对砼碳化的影响 图 10、图 11、图 12 碳化情况 图 10 wc=0mm 时的碳化情况图 11 wc=0.2mm 时的碳化情况图 12 wc=0.4mm 时的碳化情况 由图 10 知，在裂缝处的碳化深度和其他地方的碳化深度几乎相同，说明砼开裂缝闭合后其对碳化深度基本没有影响。由图 11 知，当裂缝宽度为 0.2mm 时，裂缝处并没有出现明显的碳化加深情况，裂缝处的碳化情况和无裂缝的碳化情况几乎没有差别。 公路桥规JTG D622004 中规定，钢筋砼构件和部分砼构件，其计算的最大裂缝宽度不应超过0.2mm。因此，可以认为如果砼桥梁满足规范要求，保证砼构件裂缝小于0.2mm，则其
8、抗碳化能力和无裂缝砼构件相差无几。由图 12 知，当裂缝宽度为 0.4mm 时，裂缝处出现了碳化深度加大的情况，但是碳化区域也只是局限于裂缝表面的一小部分，其他区域并没有发生碳化。这说明如果砼构件的裂缝宽度超过 0.4mm 时，裂缝处的碳化深度将会有明显加大。3 应力状态修正的砼碳化深度预测模型 比较符合本试验结果的砼碳化深度预测模型是砼结构耐久性评定标准 （CECS 220:2007）中数学模型： (1) 式中：为 CO2 浓度影响系数， ， C0 为 CO2 浓度，%； Kkl 为位置影响系数，构件角区取 1.4，非角区取 1.0； Kkt 为养护浇筑影响系数，取 1.2； Kks 为工作
9、应力影响系数，受压时取 1.0，受拉时取 1.1； KF 为粉煤灰取代系数，对掺有级粉煤灰、低水胶比的高密实砼，可取 KF=1.0； T 为环境温度，； RH 为环境相对湿度； fcu,k 为砼强度标准值或评定值。 碳化公式（1）是一个综合性碳化系数公式，虽然包含了工作应力影响系数 Kks，但是该系数取值过于简单，对于压应力状态一律取Kks=1.0，偏于保守；对于拉应力状态一律取 Kks=1.1，在拉应力较大的情况下偏于不安全。因此，本文在以上碳化深度预测模型的基础上，根据试验数据对应力影响系数 Kks 进行拟合，提出不同应力水平下的建议值。 实际砼构件的拉应力水平是较低的，特别是预应力砼构件
10、，变化幅度为 1 到 2MPa。结合图 8，将其拟合成一次多项式，得到拉应力对砼碳化深度修正的影响系数： (2) 式中：为砼应力，MPa； 图 13 拉应力与相对碳化深度的关系 根据拟合的工作应力影响系数，可求得砼碳化深度的计算值，见表6。 表 14 拉应力状态下试件碳化深度计算值 当试件在压应力作用下，碳化应力影响系数拟合成二次多项式，结合图 9，可得到压应力对砼碳化深度修正的影响系数： (3) 图 15 压应力与相对碳化深度的关系 同样，利用拟合的工作应力影响系数，可求得砼碳化深度的计算值，见图 12。 图 16 压应力状态下试件碳化深度计算值 4 结论 (1)结果表明：拉应力加快了砼碳化
11、的速度，拉应力越大，碳化速度增加越多；反之亦然。 (2) C50 预应力砼桥梁 28d 碳化深度 C30 砼。 (3) 裂缝宽度小于 0.2mm 时，裂缝对于碳化深度几乎无影响，和无裂缝状态下砼构件的碳化深度相差无几。当裂缝宽度大于 0.4mm 时，裂缝处的碳化深度会有所增加，但是这种情况只是发生在靠近构件表面的一部分，其他部分砼并未发生变化。 (4)修正后的碳化深度预测模型可用于大气环境砼碳化作用下拟建砼桥梁的耐久性设计或已建砼桥梁的耐久性评估。 (5)本试验只是进行了砼在简单受力状态下的碳化深度研究，然而砼桥梁构件的实际工作状态十分复杂，对于这方面的研究应当进一步开展。参考文献 1涂永明, 吕志涛. 预应力砼试件碳化试验及碳化深度预测模型研究J. 工业建筑, 2006, 36(1): 47 2刘亚芹. 砼碳化引起的钢筋锈蚀实用计算模式D. 上海：同济大学建筑工程系, 1997. 3潘洪科. 基于碳化作用的地下工程结构的耐久性与可靠度D. 上海：同济大学地下建筑与工程系，2005. 4吴用贤. 预应力砼构件碳化及氯离子侵蚀试验D. 上海：同济大学桥梁工程系，2009.
