应力损伤对混凝土抗碳化性能的影响

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发布时间：2021-09-03

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应力损伤对混凝土抗碳化性能的影响
赵庆新，许宏景，闰国亮
(燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室，河北秦皇岛066004)
摘要：应用超声波波速来定义混凝土的损伤度，采用混凝土快速碳化试验方法研究了基准混凝土
及损伤度为0．05，0．12，0．19，0．27的应力损伤混凝土的抗碳化性能．结果表明：应力损伤混凝土的
碳化规律与基准混凝土相似，其碳化深度随时间的变化亦符合指数形式；混凝土的碳化深度随损
伤度的增加而增大．为定量分析应力损伤的影响程度，定义损伤影响因子K。来描述应力损伤对混
凝土抗碳化性能的影响，KD与损伤度D 呈线性关系．通过对混凝土碳化耐久性的分析发现，应力
损伤对混凝土碳化寿命影响较大，当损伤度D达到0．27时，其碳化寿命仅为基准混凝土的0．39．
关键词：混凝土；碳化；应力损伤；损伤影响因子
中图分类号：TU528 文献标志码：A doi：10．3969／i．issn．1007-9629．2013．03．022
Influence of Stress Damage on Carbonation of Concrete
ZHAO Qing—xin， XU Hong-jing， YAN Guo—liang
(Key Laboratory of M echanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province，
Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China)
Abstract：Damage degree of concrete was defined by the ultrasonic wave velocity．The carbonation resist—
ance of control concrete and the concrete with different stress damage degrees of 0．05，0．12，0．19，0．27，
was studied by the accelerated carbonation test method．The results show that the basic carbonation regu—
larity of stress damaged concrete is similar to that of control concrete．The carbonation depth also obeys
the exponential function of time and increases with stress damage degree．The damage impact factor KD
was put forward to quantify the effect of initial stress damage on the carbonation characteristic of concrete．
A linear relationship exists between the impact factor KD and damage degree D ．Also，with the analysis of
carbonation durability of damaged concrete，the stress damage has a significant effect on it，and the rela—
tive carbonation service life is 0．39 times that of control concrete when the damage degree is 0．27．
Key words：concrete；carbonation；stress damage；damage impact factor
唐明述Ⅲ】]指出，提高基建工程寿命是最大的节
能减排．寿命是基建工程一个重要指标，混凝土耐久
性是其使用寿命的决定因素，已成为全世界普遍关
注的问题．Mehta_2 认为混凝土碳化是影响混凝土
结构耐久性的重要因素之一．近年来，随着资源的不
断消耗，大气中CO 急剧增加，因碳化导致钢筋锈
蚀，造成建筑结构耐久性不足而破坏的实例不胜枚
举l】j，解决混凝土碳化问题迫在眉睫．基于此，国内
外专家开展了混凝土抗碳化性能的研究L3 ]，并依据
Fick第一定律建立了多种混凝土碳化理论模型，对
更准确地预测建筑物的寿命意义重大．Khan等研
究了掺粉煤灰、双掺矿渣和粉煤灰混凝土以及高性
能混凝土抗碳化问题；Sisomphon[6]研究了水泥种
类，粉煤灰掺量及水灰比(文中涉及的掺量、水灰比
等除特别说明外均为质量分数或质量比)等多因素
作用对混凝土抗碳化性能的影响．实际工程中，结构
收稿日期：2O11-12-25；修订日期：2012-05—07
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078322)；河北省自然科学基金资助项目(E2011203218)
第一作者：赵庆新(1973一)，男，河北玉田人，燕山大学教授，博士生导师，博士．E—mail：zhaoqx2002@163．corn
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5O4 建筑材料学报第16卷
混凝土多是在承载状态下工作的．为了更真实地反
映客观实际，Castel等¨7 用15 cm×28 cm×300 cm
的钢筋混凝土构件，研究了荷载作用下混凝土的抗
碳化性能，结果发现，荷载作用下梁的碳化深度增
大，并建立了应力大小与碳化深度的关系；孙伟等[8]
研究了载荷率为25 ，50 9／6时混凝土的碳化深度，
建立了施加荷载和未施加荷载情况下混凝土的碳化
深度模型，结果显示，施加载荷后混凝土的抗碳化能
力明显降低．以往研究均是基于混凝土未受初始损
伤状态下，对混凝土抗碳化性能进行的研究．然而，
在实际工程中，结构可能遭遇撞击，甚至地震、爆炸
等偶然荷载作用而受到应力损伤，受应力损伤的混
凝土能否继续服役是工程界必须回答的问题．因此，
本文结合损伤力学理论，应用超声波波速定义混凝
土的损伤程度，采用混凝土快速碳化试验方法研究
了基准混凝土及损伤度为0．05，0．12，0．19，0．27的
应力损伤混凝土的抗碳化性能，并对应力损伤混凝
土的碳化耐久性能进行了分析．试验结果对受应力
损伤的钢筋混凝土结构耐久性评估具有一定的指导
意义．
1 原材料和试验方法
1．1 原材料
试验采用秦皇岛浅野水泥厂生产的P·O 42．5R
普通硅酸盐水泥；细骨料为细度模数2．7，堆积密度
1 410 kg／m。的天然河砂；粗骨料采用粒径为5．0～
31．5 mm连续级配破碎石灰石；减水剂为秦皇岛独
楼外加剂厂生产的萘系高效减水剂，减水率
为21 ．
1．2 配合比
混凝土试件配合比为：m(水泥)：m(水)：
(砂)：m(石子)：m(减水剂)一1．000：0．500：
1．750：3．420：0．006(调整减水剂用量使混凝土的
坍落度控制在9O～ 110 mm)，成型100 mm ×
100 mm×400 mm 的棱柱体试件(用于碳化试验)45
块，成型150 mm×150 mm×150 mm 的试件(用于
测定立方体抗压强度)6块，24 h后拆模，将试块置
于标准条件下养护28 d待用．
1．3 预制损伤
试件标准养护28 d后，测定混凝土的立方体
抗压强度，为42．1 MPa．用细砂纸稍稍打磨棱柱体
试件的所有棱角，以防止试件加载时产生应力集
中现象，打磨完毕，取3块作为基准组试件，记作
DO；另取3块试件测轴心抗压强度(用于计算其他
试件加载时的荷载控制指标)，其值为33．7 MPa
(未修正尺寸效应系数)．预制损伤的试件在加载
前，采用非金属超声波检测仪对测法测定混凝土
初始波速，测量距离为400 mm，每块混凝土试件
采样3次，以其算术平均值作为该混凝土试件的
初始超声波波速．
加载过程中，对试件连续、均匀加载，荷载控制
水平为其轴心抗压强度的3O ～6O ，通过多个加
载过程(先将试件进行1次纵向加载后卸载，再对试
件进行1次横向加载后卸载，记为1个加载过程．其
中，纵向加载时承压面为100 mm×100 mm 的试件
侧面，横向加载时承压面为100 mm×400 mm的试
件侧面)对试件进行预制损伤．每隔3～5个加载过
程，卸载后静停1 h，再次应用超声检测仪测试应力
损伤混凝土试件的波速，并根据式(1)[g]计算混凝土
试件的损伤度：
D 一1一( ) (1)
VO
式中：D为试件损伤度；为试件受应力损伤后超
声波波速，km／s；。为试件未受应力损伤时超声波
波速，km／s．
通过控制加载应力水平和加载过程数使试件
损伤度大体均匀分布在0～0．30，静停1 d，待试件
稳定后，再次测试试件的超声波波速并计算损伤
度，并以此作为该试件的最终损伤度．预制损伤完
毕后，选出损伤度为0．05，0．12，0．19和0．27的
试件依次记为D1，D2，D3和D4，选取各组损伤度
试件时，损伤度的容许误差为-Z- _