弯曲应力作用下喷射混凝土受拉区碳化试验研究

王家滨，牛荻涛，张永利

(西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055)



弯曲应力作用下喷射混凝土受拉区碳化试验研究

王家滨，牛荻涛，张永利

(西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055)

为了研究隧道喷射混凝土单层衬砌碳化规律，采用快速碳化实验方法，研究了不同弯曲应力(0，0.25，0.5及0.75)作用下喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土受拉区碳化深度变化规律。结果表明，喷射混凝土碳化深度经时变化规律服从Fick第一定律，碳化深度随着碳化龄期和弯曲应力的增加而增大。同实验条件下，喷射混凝土碳化深度小于普通混凝土，而钢纤维的加入进一步减小喷射混凝土同龄期碳化深度。在考虑弯曲应力影响系数、钢纤维影响系数及施工方式影响系数基础上对普通混凝土碳化深度预测模型进行修正，使其能够较好预测喷射混凝土碳化深度。

隧道工程；耐久性；喷射混凝土；碳化；弯曲应力

0　引　言

喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气将混凝土或一定比例的水泥、砂、石拌合料，通过软管以高速喷射到受喷面上并快速凝结硬化的一种混凝土[1]。与普通混凝土相比，喷射混凝土因速凝剂的掺入而具有极短的终凝时间和高早龄期强度[2]，故其广泛应用于隧道初期及永久支护、矿山巷道支护、道路边坡以及结构加固及维修等领域[3-5]。在现代隧道衬砌结构设计过程中，以喷射混凝土为主体的单层衬砌成为未来发展趋势。而在隧道运营过程中，尤其是海底隧道，因其内部环境相对封闭，空气中二氧化碳浓度及温湿度较高，衬砌结构碳化速度加快，最终导致钢筋的锈蚀及结构承载力及可靠度下降，威胁隧道衬砌结构耐久性、使用寿命及安全运营[6]。

混凝土碳化是一个物理化学反应过程，其主要表现为混凝土中维持其碱度的氢氧化钙含量降低，混凝土呈现中性化，最终钢筋表面脱钝引发衬砌混凝土锈胀开裂[7-10]。而拉应力的存在加速并加剧了衬砌混凝土碳化及耐久性劣化[6,11]，为此，国内外学者对应力作用下混凝土碳化过程及碳化深度预测模型进行了一系列研究[12-19]。而针对喷射混凝土、特别是钢纤维喷射混凝土的研究尚未见报道。本文通过快速碳化实验方法，开展不同弯曲应力状态下喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土碳化实验；通过对现有实验数据进行分析，对碳化深度预测模型中扩散系数进行修正，最后对碳化后喷射混凝土微观结构进行分析，为进一步研究喷射混凝土耐久性提供参考。

1　实　验

1.1原材料与配合比

水泥为宝鸡海螺PO42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为陕西宝源Ⅱ粉煤灰，速凝剂为山西桑穆斯建材化工有限公司生产的低碱速凝剂，掺量4%。水泥化学、矿物组成及性能示于表1及2；粉煤灰及速凝剂化学组成示于表1。

表1　实验材料化学组成

细骨料为细度模数为3.4的粗砂，粗骨料为连续级配瓜米石，骨料均来自天水麦积格崖石料厂；钢纤维为上海青浦商榻金属纤维厂生产冷压剪切波浪型钢纤维，抗拉强度300 MPa，长30 mm，宽2 mm，等效长径比为34；减水剂为山西凯迪建材KDPCA-1型聚羧酸系高效减水剂，掺量1%，减水率27%；速凝剂为山西桑穆斯建材有限公司生产的粉状速凝剂，其主要成分为偏铝酸钠及硅酸二钙。实验喷射混凝土水胶比为0.43，砂率50%，其配合比及抗压强度示于表3及4。

表2　水泥矿物组成及性能

表3　喷射混凝土配合比

表4　喷射混凝土试件力学性能

1.2试件制作

喷射混凝土试件取自宝鸡至兰州客运专线甘肃天水段麦积山隧道1#斜井施工现场，采用干喷大板法进行制作，大板尺寸为1 000 mm×500 mm×150 mm。大板成型3 h后拆模，喷水养护；1 d后放入隧道中同环境养护7 d(洞内环境温度15 ℃，湿度70%)，而后使用岩石切割机将大板切割成实验用棱柱体试件(方法为首先沿短边两侧各切去50 mm，沿长边一侧切去50 mm，而后沿长边依次切取9个棱柱体，而后再将棱柱体上下两面分别切去10 mm)，其尺寸为400 mm×100 mm×100 mm，并将其置于标准养护室内养护至28 d，最后将试件置于室外自然养护至90 d。试件制作示于图1；切割方式示于图2。

图1　试件制作方式

1.3实验方法

1.3.1应力加载方案

本文中弯曲应力采用弹簧加载方式[20]，在加载之前采用上海华龙生产液压伺服实验机(量程100 kN，加载速率为1 mm/min，加载至10 mm时停止，以免将弹簧加载至塑性变形)测试并计算每个弹簧的弹性模量，以保证加载应力的准确。为了防止长期加载而造成的应力松弛，在加载装置中安装SH-30K型数显推拉力计(量程3 kN，精度0.01 N，上海思为仪器制造有限公司产)对荷载F进行实时监控，随时调节弹簧压缩量。试件加载装置及试件受力方式示于图3。实验开始前，测定试件抗折强度ff；实验试件受力方式采用三分点加载法，即四点弯曲加载法，加载弯曲应力分别为0.25，0.5及0.75ff。

1.3.2碳化实验

碳化实验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中快速碳化法进行。首先将试件至于鼓风干燥箱中60 ℃烘干48 h，待试件降至室温后对其按照不同应力比进行加载。然后，在加载后试件4个侧面采用石蜡进行密封，只保留1组100×400对面作为碳化面，而后在重庆五环产ZHT/W2300型大气气候环境模拟实验室中进行快速碳化实验，实验箱内部尺寸为长3.5 m、宽2.5 m、高2.0 m，实验环境为CO2浓度为(20±3)%，湿度(70±5)%，温度(20±2) ℃。快速碳化实验共进行5个龄期，分别为7，14，28，42和56 d。待到达龄期后测试试件抗折强度，并在干净的断口处均匀喷涂1%酒精酚酞溶液，测试试件碳化深度。

图2　喷射混凝土大板切割方式示意图

图3　实验加载装置及方式

2　结果与讨论

2.1应力状态对试件碳化深度影响

应力作用下试件受拉区碳化深度经时变化示于图4-6。从图4-6可看出，随着碳化龄期增长，试件碳化深度增大，且随着弯曲应力增大，试件碳化深度出现不同程度的增大。

图4　应力状态下普通混凝土受拉区碳化深度

Fig 4 Tensile area carbonation depth of specimen C43F10

图5　应力状态下普通喷射混凝土受拉区碳化深度

Fig 5 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10

图6　应力状态下钢纤维喷射混凝土受拉区碳化深度

Fig 6 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10SF50

(1) 同碳化龄期及同应力水平下，普通混凝土受拉区碳化深度显著大于喷射混凝土，且钢纤维喷射混凝土碳化深度明显低于普通喷射混凝土。其原因为：首先，喷射混凝土是在空气压力作用下从喷嘴处高速喷出，胶凝材料及骨料相互冲击压实而形成的，其密实度高于普通混凝土；其次，喷射混凝土终凝时间极短，胶凝材料水化速度极快，使得试件内部致密度迅速增加；再次，喷射混凝土中添加4%碱性速凝剂，使试件中总碱量增加，可碳化碱性水化产物含量增多[21]。综上所述，喷射混凝土抗碳化性能优于普通混凝土；(2) 同碳化龄期下，钢纤维喷射混凝土碳化深度显著小于普通喷射混凝土，且碳化龄期越长，二者碳化深度差值愈大。其原因为：钢纤维的掺入一方面可显著减少喷射混凝土早期因快速水化产生的化学收缩裂缝的数量且限制其进一步扩展，从而使试件内部微裂缝及连通气孔显著减少，阻断二氧化碳的进入及扩散[22]；另一方面，钢纤维可增大试件的抗折强度，提高试件的断裂能。在同样的弯曲应力比作用下，试件受拉区边缘抗拉强度增大，减缓受拉区边缘裂缝的出现和进一步扩展，同时亦可减小因受拉区受拉裂缝纵向深度，试件抗碳化性能进一步提高。(3) 同碳化龄期下，同种试件受拉区碳化深度随着弯曲应力增大而增大。在弯曲应力作用下，试件受拉区边缘拉应力大于此部分混凝土抗拉强度，从而开裂产生受拉裂缝；随着弯曲应力增大，试件受拉区裂缝的纵向深度不断扩展，为二氧化碳的侵入提供通道，加速试件碳化反应，故随着弯曲应力的增大，试件受拉区碳化深度增加。

2.2与相关实验结果比较

为了进一步研究弯曲应力对混凝土碳化深度的影响，将本文结果与其它学者[12-17]实验结果进行对比，图7所示为弯曲应力对混凝土相对碳化深度影响统计图。从图7可以看出，各组实验数据相差很大且较为离散，其原因为各文献采用的混凝土配合比等不同而造成其本身具有较大差异性且实验环境各不相同，另外加载方式也不尽相同造成的。但从结果均可以看出，碳化深度随着拉应力比的增大而增大。

图7　文献中相对碳化深度与拉应力水平关系

2.3碳化后试件力学性能

图8(a)为无应力状态下碳化后试件抗压强度及劈裂抗拉强度。从图8(a)可看出，随着碳化深度增大，试件抗压强度和劈拉强度增大，且强度与碳化深度呈线性关系。另外，普通混凝土虽然初始力学性能高，但强度增长率低。普通喷射混凝土抗压强度增长率最快，钢纤维喷射混凝土劈裂抗拉强度增长率最快。这是因为与同配合比普通混凝土相比，喷射混凝土本身密实度较高，毛细连通孔数量少。少量碳化产物即可将试件内部微孔填充，使试件密实度进一步增大，喷射混凝土抗压强度快速提高。而对于钢纤维喷射混凝土，钢纤维对试件抗压强度增大所起到的作用较小，而对劈裂抗拉强度贡献较大。经碳化过后的试件，碳化产物填充于混凝土基体内部微裂缝、微气孔及基体-钢纤维界面中，使钢纤维喷射混凝土基体密实度增高，孔隙率减小。同时，基体-纤维界面强度增大，纤维拉拔应力提高，试件断裂能提高，劈裂抗拉强度增大。

图8(b)为无应力状态下碳化后试件抗折强度。从图8(b)可看出，随着碳化龄期增大，即随着碳化深度增大，试件抗折强度先快速降低，而后趋于稳定。同龄期下，普通喷射混凝土抗折强度明显低于普通混凝土，而钢纤维喷射混凝土抗折强度明显增大。随着碳化龄期增大，试件碳化深度增大，因碳化反应产生的化学收缩量增大，收缩微裂缝增多。在断裂应力作用下，收缩裂缝快速开展并相互连通，合并成为主裂缝，试件断裂，故试件抗折强度随着碳化龄期增大而降低；对于普通喷射混凝土，因胶凝材料水化硬化反应极快，水化产物快速形成并异常长大[23]，形成初始缺陷，试件初始抗折强度比普通混凝土低。在碳化作用下，碳化收缩裂缝增多，抗折强度下降；而对于钢纤维喷射混凝土，碳化产物将试件混凝土基体-钢纤维界面填充，钢纤维粘结应力增大，断裂能提高。同时，钢纤维可抑制化学收缩裂缝的产生和开展，故钢纤维喷射混凝土抗折强度下降较为缓慢。

图8　无应力状态碳化后试件力学性能

3　弯曲应力作用下碳化深度模型修正

近年来，国内外学者提出了多种混凝土碳化深度预测模型[24]，这些模型考察的主要影响因素各不相同且表达形式不一，但都以Fick第一定律为基本形式，其表达式为

(1)

综合考虑实验条件及相关配合比参数，本文采用张誉碳化深度预测模型为基础，同时考虑施工工艺系数、钢纤维影响系数及弯曲拉应力加速影响系数，将其应用范围扩展至弯曲应力下喷射混凝土碳化深度预测。通过对实验数据进行拟合，其较好吻合Fick第一定律(示于图9)，故基于式(1)，得出弯曲应力作用下喷射混凝土碳化深度预测模型一般形式为

(2)

其中

(3)

；T为碳化时间，d；kη为模型调整系数；kf为喷射施工影响因素；kσt为弯曲应力水平影响系数；ks为钢纤维影响系数；RH为环境相对湿度，%；W/C为水灰比；n0为二氧化碳体积浓度，%；γHD为水泥水化程度修正系数，养护龄期>90 d取1；28 d取0.85，中间线性内插；γc为水泥品种修正系数，硅酸盐水泥取1，其它品种的水泥取γc=1-水泥中掺和料含量。

图9　不同弯曲应力下试件深度变化规律

为了定量分析弯曲应力水平对喷射混凝土碳化加速作用，采用弯曲应力水平影响系数kσt进行表征。弯曲应力水平影响系数kσt定义为弯曲应力水平为σ时喷射混凝土受拉区碳化深度与无应力时碳化深度比值，其关系示于图10。

图10　碳化深度比值与弯曲应力比关系

从图10可以看出，kσt不仅与应力水平相关，而且与碳化时间相关。对实验数据进行拟合得到kσt与应力水平σ之间的关系

(4)

式中，σ为弯曲应力水平。

钢纤维影响系数定义为钢纤维喷射混凝土的碳化深度与普通喷射混凝土碳化深度的比值。由于本文仅研究了钢纤维掺量为0及50 kg/m3时对喷射混凝土碳化深度的影响，因此假定钢纤维掺量对碳化深度的影响关系为线性ks=1-0.006w

(5)

式中，w为钢纤维掺量，kg/m3。

施工工艺影响系数定义为喷射混凝土碳化深度与普通混凝土的碳化深度比值，通过对实验数据进行拟合，得出

(6)

模型调节系数主要考虑实验过程中所用材料、试件制作过程、碳化环境等的不一致性所造成的碳化深度的差异，通过试算，模型调节系数取

(7)

将上述系数代入式(2)及(3)，得出弯曲应力作用下喷射混凝土碳化深度预测模型为

(8)

将相应系数带入式(8)，得出喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土不同弯曲应力作用下碳化深度预测值，同时与实验实测值进行对比分析，其关系示于图11。

图11　试件碳化深度实测值与计算值对比

从图11可以看出，计算值与实测值相差处于10%以内，其平均值为1.002，标准差为0.066，通过此模型可较好的进行弯曲应力作用下喷射混凝土碳化深度预测。

4　结　论

(1)弯曲应力作用下混凝土碳化深度经时变化符合Fick第一定律，且随着弯曲应力比增大，试件碳化深度增大。同条件作用下，喷射混凝土碳化深度小于普通混凝土，这由喷射混凝土配合比、水化过程及施工方式的特殊性所决定；钢纤维的加入可改善喷射混凝土内部孔结构并减少试件受拉区微裂缝数量和开裂深度，使喷射混凝土碳化深度进一步减小。

(2)喷射混凝土拉应力影响系数不仅与弯曲应力比和是否添加钢纤维有关，且随着碳化龄期的增大而增大；同时，与相关文献对比分析可以看出，弯曲应力作用下混凝土相对碳化深度同样受水灰比、掺和料及埋设钢筋等因素影响，这为后期实验的开展提供方向。

(3)在引入弯曲应力影响系数、施工工艺影响系数及钢纤维影响系数基础上，对普通混凝土碳化深度预测模型进行修正，使之适用于喷射混凝土，同时与实测值进行对比，其吻合程度较高。

致谢：感谢西安建筑科技大学博士创新基金项目的大力支持！

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Influence of accelerated carbonation on shotcrete at tensile area under bending stress

WANG Jiabin，NIU Ditao，ZHANG Yongli

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055，China)

In order to research the carbonation of shotcrete single-layer lining in tunnel, the accelerator carbonation of shotcrete with and without steel fiber under bending stress which the ratios of flexural strength were 0, 0.25, 0.5 and 0.75, respectively were studied. The carbonation depth of shotcrete obeys Fick’s first law and increased with the carbonation age and bending stress improved. In the similar experiment conditions, the carbonation depth of shotcrete was small than ordinary concrete. Meanwhile, the carbonation depth of steel fiber reinforced shotcrete was much less than ordinary shotcrete at the same age. Based on the influence coefficients of bending stress, steel fiber and construction mode, the carbonation depth prediction model of ordinary concrete was modified.

tunnel engineering; durability; shotcrete; carbonation; bending stress

1001-9731(2016)08-08232-07

国家自然科学基金资助项目(51278403)；教育部创新团队发展计划资助项目(IRT13089)

2015-05-12

2016-03-16 通讯作者：牛荻涛，E-mail: niuditao@163.com

王家滨(1986-)，男，河南新乡人，在读博士，师承牛荻涛教授，从事混凝土结构耐久性研究。

TU528

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.042