弯曲荷载对单掺循环再生细骨料混凝土碳化的影响

翟小勇

（南通市建筑科学研究院有限公司，江苏 南通 226000）

0 引言

实际工程中混凝土碳化是荷载与各种环境因素交互作用的复杂过程，荷载的大小和形式必然影响混凝土碳化的深度和速率。国内外众多学者对此展开了研究，已有研究成果均定性地证实了拉应力的存在会加速混凝土的碳化，而压应力则相反。雷斌等[1]设计了弯曲受拉装置，对再生混凝土施加拉应力分别为0.6ft，0.8ft，1.0ft，1.2ft(ft为混凝土试件的抗拉强度)，测其碳化深度。发现拉应力状态下再生混凝土碳化深度会增加，尤其当应力水平为1.2ft时，试件的碳化深度较不受力状态增大近70%。这是因为在拉应力状态下再生混凝土内部产生了微裂缝，从而加速了碳化的进行。朱平华等[2]得出了同样的实验结果。刘万里[3]通过研究应力水平为0、0.2、0.4和0.6对混凝土碳化深度的影响，得出结论：弯拉应力作用下混凝土碳化深度大于无应力状态下的碳化深度，弯曲压应力作用下混凝土碳化深度小于无应力状态下的碳化深度，且混凝土碳化深度与拉应力水平符合线性关系。这可能是由于混凝土受到拉应力，混凝土内部微裂缝扩展所致。混凝土受到压应力，内部大量微裂缝闭合或宽度减小，使得碳化速度减慢。徐永明等[4]和Castel等[5]的研究成果也证明了这一点。但相对而言，对荷载作用下再生混凝土的碳化演化规律研究成果并不多见，有待进一步加强。因此，本文将对弯曲荷载对单掺循环再生细骨料混凝土碳化的影响进行探讨。

1 弯曲拉应力的碳化作用分析

4个不同应力水平下的单掺循环再生细骨料混凝土碳化数值与碳化时间平方根的比值进行均值化处理，而后绘制出图1。对图1进行纵向比较分析可知，28d内，70%破坏荷载试块的碳化速率最小，120%破坏荷载试块的碳化速度最大，对图1进行横向分析可知，40%破坏荷载试块与70%破坏荷载试块（即中等弯曲拉应力破坏荷载试块）的碳化速率从7d到28d呈线性降低发展态势，而100%破坏荷载试块与120%破坏荷载试块（即高等弯曲拉应力破坏荷载试块）的碳化速率从7d到14d呈上升发展态势，从14d到28d又呈降低发展态势。

图1 不同弯曲拉应力破坏荷载RAC试块碳化速率变化图

综上所述，高应力弯曲荷载对单掺循环再生细骨料混凝土碳化的影响程度远大于中等应力弯曲荷载的影响程度，特别是在14d内的碳化初期，高应力弯曲荷载的碳化影响是非常显著的，这意味着单掺循环再生细骨料混凝土在高应力弯曲荷载下的抗碳化能力不甚理想。这是因为在高应力弯曲荷载条件下，单掺循环再生细骨料混凝土内部极易产生裂缝并出现扩散现象，这将加快混凝土的碳化。

1.1 中等弯曲拉应力的碳化作用分析

弯曲拉应力破坏荷载值与碳化深度关系见图2，从图2可以看出，在中等应力水平作用下，70%破坏荷载28d内的试块碳化值都小于40%破坏荷载试块的碳化值，这表明在中等应力水平作用下，单掺循环再生细骨料混凝土试块的抗碳化能力与应力水平呈正相关。这是因为在中等应力的弯曲荷载作用下，会让试块内部的孔隙被压缩变小，提高了试块的密实性，不利于CO2通过微裂缝、孔隙进入试块内部使试块碳化。

1.2 高等弯曲拉应力的碳化作用分析

从图2得出，在高等应力水平为100%和120%的条件下，各取代率的单掺循环再生细骨料混凝土碳化深度值与对照组混凝土相比，其7d、14d、21d、28d的实测碳化深度的增长率分别为70.5%和70.8%、61.8%和62.5%、40.5%和44.4%、24.2%和31.3%。随着时间的增长，碳化深度的增大率都在逐渐变小。

图2 弯曲拉应力破坏荷载值与碳化深度关系图

100%破坏荷载28d内的试块碳化值都小于120%破坏荷载试块的碳化值。这表明，高等弯曲拉应力破坏荷载作用下，碳化作用和弯曲拉应力值呈正相关。之所以会这样，是因为在高等弯曲拉应力破坏荷载作用下，会破坏试块的内部结构，在试块内部形成很多微裂纹，从而给二氧化碳提供了进入试块内部的通道，导致碳化加速。

2 二次循环再生细骨料取代率的碳化作用分析

从图3可以看出，试块28d的碳化深度与二次循环再生细骨料取代率呈正相关。拟合四个应力水平下普通混凝土（控制混凝土）碳化均值公式为：X0=1.08516t-0.15327。然后代入取代率函数式f()r后得出四个应力水平下取代率和碳化深度均值的函数关系式：

图3 取代率和28d试块碳化深度关系图

尝试应用实测数据分别拟合线性关系式可得出以下取代率公式：

应力水平为40%破坏荷载：

残值：0.00157，拟合度：0.97。

应力水平为70%破坏荷载：

残值：3.37555E-4，拟合度：0.99。

应力水平100%破坏荷载：

残值：0.00134，拟合度：0.99。

应力水平120%破坏荷载：

残值：0.00175，拟合度：0.99。上述各式中：Xc——碳化深度，mm；

f(r)——二次循环再生细骨料取代率函数式；

r——取代率，%；

t——碳化龄期，d。

综上所述，40%、70%、100%、120%破坏荷载下的函数公式拟合度分别为0.97、0.99、0.99、0.99，由此验证了取代率和试块碳化深度的线性关系。p函数式拟合图见图4。

图4 p函数式拟合图

3 弯曲拉应力下的碳化系数

根据无应力基础碳化方程Xc=1.46118t-2.05025，假设Xc=f(p)·，其中p是应力水平，f(p)是p函数式，给出应力水平作用下的碳化深度和时间的函数公式，并计算出拟合结果，如图4与公式（6）所示，这进一步证实了前文关于弯曲拉应力碳化作用的结论。

由图4拟合出的结果为：

其拟合度：0.89。

4 碳化深度时间函数

根据所有弯曲荷载、取代率试块碳化深度值模拟仿真得出的综合碳化模型图见图5。

图5 碳化数值三维模拟图

拟合结果为：

式中：Xc——碳化深度，mm；

t——碳化龄期，d；

p——拉应力水平，%，p取值0～120%；

r——取代率，%。

当碳化龄期取0时，Xc=0；当r取值0时，不管p如何取值，Xc恒大于0；当p取值0时，不管r如何取值，Xc恒大于0，都和碳化的实际情况是相符的。

其实测值和模拟值的对比图如图6所示。

图6 实测值和模拟值的对比图

从图6可以发现，使用该公式对数据进行复核，预算值和实际值之间具有较好的吻合度，而且相关性高达0.83。

5 结束语

单掺循环再生细骨料时，高应力水平相较于中应力水平而言，其对单掺循环再生细骨料混凝土碳化的影响比较突出，尤其在碳化初期，高应力水平对单掺循环再生细骨料混凝土碳化的影响尤为明显，急剧加快了碳化速率。在中应力水平下碳化深度与单掺循环再生细骨料取代率之间为一元二次函数关系，高应力水平下则呈现直线关系。同时考虑取代率与应力水平的碳化经时方程为：Xc=(1.3829+1.7105r-1.5141p-0.4334r2+1.1541p2)t，用该方程反算可发现，应力水平为66%破坏荷载水平时碳化深度可达最低值，这与本文实验应力水平为70%破坏荷载水平时碳化深度达到最低值的结果也是较好吻合的。