弯曲受拉状态下钢筋混凝土力学强度及抗碳化性能研究

栾红义

(珠海飞天利商品混凝土有限公司)

0 引言

在各类建筑物中，钢筋混凝土结构被广泛应用[1]，混凝土碳化是造成钢筋混凝土结构失效破坏主要原因之一[2]。目前，对混凝土碳化问题，中外学者已经获得了一定研究成果[3]。然而开展现场试验会受到试验周期影响，而实验室试验方式又会被试验方法以及场地等多种因素所影响，仅能够应用无荷载试验方式[4]。所以应当结合受荷状态对于混凝土所具备的耐久性予以深入分析。以往相关研究中所开展的碳化试验主要对素混凝土予以综合分析，而钢筋给混凝土造成的碳化影响相关研究较少。此次研究中以钢筋混凝土作为研究基础，在弯曲受拉状态下，对钢筋混凝土力学强度及抗碳化性能进行了研究。

1 钢筋混凝土快速碳化试验

1.1试验方案

试验用混凝土强度C35，分别设置四种不同比例的混凝土配合比，其中编号为A 的配合比没有添加粉煤灰，其余三种分别添加25%、35%、45%的粉煤灰，在四种配合比中，砂子、石子、砂率、水、水胶比均相同，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，调整每组混凝土配合比，混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.2原材料

1.2.1水泥

采用德州恒泰土工材料有限公司制备的强度为42.5 的普通硅酸盐水泥，其各项动力学性能指标见表2。

表2 普通硅酸盐水泥的物理力学性能指标

1.2.2掺合料

掺合料为石家庄驰霖矿产品有限公司制备的Ⅱ级粉煤灰，物理指标见表3。

表3 粉煤灰的物理指标

1.2.3骨料

细骨料为河砂，细度模数2.74，表观密度2648kg/m3，堆积密度1579㎏/m3。粗骨料为5.5～20.5mm 粒径的连续级配碎石。

1.2.4钢筋

混凝土试块为105mm×105mm×305mm 立方体试块，配筋为直径6.5mm 的光圆钢筋。在试件两侧配一定数量箍筋，预防加载时在支座处剪切破坏试块。

1.3加载方案

对钢筋混凝土试块施加极限弯曲荷载，分别为0%、25%、45%、65%，与实际混凝土建筑使用状态承受应力水平相符合。设定1.05 到1.1 倍应力的水平扭矩，达到3.5分钟后撤除荷载，并且继续施加相应的应力。

1.4强度试验

强度试验采用105mm×105mm×105mm 混凝土试块，在湿度为92%、温度为（0±2）℃的标准养护室养护28d，随后在实验室压力机上测试28d抗压强度。

1.5混凝土极限弯曲承载力测定

对于混凝土开展极限弯曲承载力测定试验，选择4种配合比的相应试块，试块规格为105mm×105mm×305mm。试验设备为RGM-4300 电子万能式试验机。测量时，在标准养护室中，将试块养护28d 后，在万能试验机上进行弯曲加载。

1.6混凝土碳化试验

此次试验结合GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》作为试验基础，在室内氢氧化钙BR-HTX12 型混凝土碳化箱里进行。在标准养护室中，对于配合比不同的钢筋混凝土以及素混凝土试块分别进行28 天的周期性养护，然后把试块放入烘干箱48 个小时进行烘干，开展周期在7 天、14 天以及28 天的快速碳化试验，测定混凝土碳化深度过程中，沿横向取跨中截面，在界面上滴入浓度为1%酒精酚酞溶液，利用钢尺来测定各个试块的受拉面以及受压面，在其两侧中段取60mm碳化深度予以测量。

2 试验结果与分析

2.1弯曲受拉状态下钢筋混凝土力学强度

2.1.1不同养护龄期下混凝土抗压强度

测试四种配合比下混凝土14d、28d、56d、84d 的抗压强度，不同养护龄期下混凝土的抗压强度见表4。

表4 不同养护龄期下混凝土抗压强度

从表4 可知，同一养护龄期条件下，当粉煤灰掺量不断提升时，所对应的混凝土的抗压强度会随之减少。在混凝土试块养护28d时，与粉煤灰掺量为0%的混凝土相比，粉煤灰掺量为25%、35%、45%时，混凝土抗压强度各自降低1.4%、3.7%、4.5%。在碳化前56d内，混凝土试块强度增长速度随粉煤灰掺量增加逐渐减小，其中，试块增长速度最小的是45%粉煤灰掺量，25%、35%粉煤灰掺量试块增长速度基本一致；加入粉煤灰的混凝土处于碳化56d～84d 期间时，所对应的抗压强度会随之大幅度提升。

2.1.2极限弯曲承载力试验测定结果

表5 为钢筋混凝土构件极限弯曲承载力，不同的极限弯曲荷载所需要的扭矩各不相同，而T 代表不同极限弯曲荷载需要的扭矩值。

表5 钢筋混凝土构件极限弯曲承载力

由表5 可知，随着极限弯曲荷载的增加，扭矩值随之增加；随着粉煤灰掺量的增加，扭矩值先减小后增加再减小，呈波浪式波动。

2.2弯曲受拉状态下钢筋混凝土抗碳化性能

2.2.1粉煤灰掺量对钢筋混凝土构件碳化性能影响

由表6 可知，若处于相同弯曲应力水平状态，在粉煤灰掺量不断提升时所对应的混凝土碳化深度随之提高。在弯曲应力水平处于0、25%、粉煤灰掺量不断提升时，混凝土在不同养护龄期之间的碳化深度差异会随之减少；在弯曲应力水平处于45%以及65%水平，随着粉煤灰掺量的提升，碳化深度差异也相对较小。原因是当拉应力相对较低时，在受弯构件之中存在一定小裂隙，施加外部荷载后裂缝会随之增加，通过粉煤灰反应产生的凝胶物质充斥于裂缝中，使其随之减小，同时二氧化碳通过荷载裂缝到达构件中后，抑制效应难以形成[6]。

表6 不同弯曲应力水平下混凝土试块碳化深度（mm）

2.2.2弯曲应力对钢筋混凝土构件碳化性能影响

当粉煤灰掺量为35%时，对弯曲应力给钢筋混凝土造成的碳化深度影响予以综合分析。图1 为混凝土构件碳化深度随应力水平变化图。

图1 混凝土构件碳化深度随应力水平变化图

由图1 知，弯拉应力会促进构件碳化，弯压应力会抑制构件碳化。当碳化龄期达到28d 时，对两种不同构件予以分析可知，当构件的弯拉应力水平达到25%、45%、65%时，其碳化深度分别提高3.9%、2.4%、0.4%。在构件进行浇筑过程中，由于温度、水泥硬度等多种因素影响导致混凝土内部会有微裂缝产生，在弯拉应力施加时，裂缝深度、宽度会加大，二氧化碳迅速侵入构件内部，从而产生碳化损伤。与无应力构件相比，碳化深度在弯压应力水平为25%、45%、65%时，降低程度可达到0.4%、1.2%、2.3%，这和弯压应力使混凝土之中的收缩裂缝宽度降低有直接关系，二氧化碳无法达到内部其他区域，碳化损伤程度降低。

2.2.3钢筋混凝土与素混凝土碳化性能差异分析

混凝土碳化与其内部裂缝发展密切关联，浇筑混凝土构件时，因凝结硬化，内部会产生微小收缩裂缝，增大弯拉应力，裂缝逐渐变大，二氧化碳侵入加快，碳化损伤加剧。钢筋混凝土碳化深度在无荷载时比素混凝土的要小。在拉应力状态下，对素混凝土、钢筋混凝土裂缝碳化深度进行对比，选取粉煤灰掺量为35%、碳化龄期为14d、28d的构件试块进行碳化数据作对比，见图2。

图2 拉应力下钢筋混凝土和素混凝土试块碳化深度比较

由图2 知，在14d 碳化龄期时，除25%的荷载应力水平下的钢筋混凝土的碳化深度高于素混凝土外，其余荷载应力水平下的钢筋混凝土碳化深度等于或低于素混凝土。原因是随裂缝的扩展，混凝土碳化深度随之增大，荷载应力在拉应力较小时还未到达素混凝土开裂荷载，不足以使素混凝土微观裂缝迅速扩展，此时构件承受应力已超过开裂荷载，弯拉区混凝土开裂，钢筋开始承受荷载，二氧化碳沿其裂缝渗入构件内部，从而造成碳化损伤，该阶段钢筋混凝土构件碳化速率比素混凝土碳化速率要大。

在28d 碳化龄期时，在荷载应力水平为0%、25%时，钢筋混凝土碳化深度低于素混凝土；在荷载应力水平为45%、65%时，钢筋混凝土碳化深度高于素混凝土。原因素混凝土试块在应力水平增大时，所承受荷载已上升到开裂荷载，混凝土有裂缝产生，随着裂缝急剧发展，宽度变大，造成素混凝土试块破坏，该阶段试块裂缝发展迅速，二氧化碳渗入速率增大。钢筋混凝土弯拉区开裂后，因钢筋存在和其自身阻裂能力，裂缝不会发展迅速，可继续承受荷载，直至破坏，此阶段裂缝发展平缓，二氧化碳渗入速率未有很大提高，碳化速率较慢。

3 结论

⑴在养护龄期一定时，钢筋混凝土抗压强度随粉煤灰掺量增加逐渐降低，在钢筋混凝土试块养护28d 时，与粉煤灰掺量为0%的混凝土相比，粉煤灰掺量为25%、35%、45%的混凝土的抗压强度分别降低1.4%、3.7%、4.5%。随着极限弯曲荷载的增加，钢筋混凝土抗压强度扭矩值随之增加。

⑵钢筋抑制混凝土碳化，随着碳化时间增加，钢筋对碳化影响减小；当粉煤灰掺量不断提升，钢筋混凝土试块的碳化深度随之大幅提升，当粉煤灰掺量在35%～45%范围内，影响最大；当弯曲应力较大时，粉煤灰掺量造成的影响会随之减少。

⑶弯曲应力往往会给钢筋混凝土试块的碳化深度造成直接且显著影响，碳化深度会随着弯拉应力的提升而变大，在45%～65%极限弯曲荷载时更明显。