钢纤维混凝土碳化深度影响因素及预测模型研究

王占海，杨德健

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

钢纤维混凝土碳化深度影响因素及预测模型研究

王占海，杨德健

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

以钢纤维混凝土碳化试验为研究对象，基于普通混凝土碳化理论，研究钢纤维混凝土碳化深度与立方体抗压强度、碳化龄期、钢纤维掺量等因素的关系，建立了钢纤维混凝土碳化深度预测模型，并对预测模型进行检验，结果表明：预测值与试验值符合程度较好，为钢纤维混凝土碳化研究提供了重要依据.

钢纤维混凝土；碳化深度；立方体抗压强度；钢纤维掺量；碳化龄期

目前，众多学者基于Fick第一定律建立了普通混凝土碳化深度数学模型，模型中碳化深度与龄期平方根成正比得到了学者的认可[1]．Smolczyk[2]研究结果表明，混凝土碳化深度与抗压强度的平方根成反比．此外，王艳[3]进行的钢纤维混凝土碳化研究成果也证明钢纤维掺量是影响混凝土碳化的重要因素．本文基于Fick第一定律，以钢纤维混凝土碳化试验为依据，研究混凝土立方体抗压强度、碳化龄期、钢纤维掺量对混凝土碳化深度的影响，并在综合分析的基础上，建立了钢纤维混凝土碳化深度预测数学模型．

1 钢纤维混凝土碳化深度影响因素分析

1.1 钢纤维混凝土碳化深度与碳化龄期的关系

综合不同种类混凝土碳化试验数据(见图1)，以普通混凝土碳化深度与龄期平方根成正比为依据，研究了钢纤维混凝土碳化深度(X)与碳化龄期平方根的关系．

对图1普通混凝土[4]、钢纤维混凝土[5-6]碳化试验数据进行回归，得到碳化深度数学模型(见表1)．由表1可知，钢纤维混凝土与普通混凝土具有相似的规律，并且碳化深度的增长速率小于普通混凝土的．

图1 混凝土碳化深度与碳化龄期平方根的关系

表1 混凝土碳化深度与碳化龄期平方根的数学模型

1.2 钢纤维混凝土碳化深度与抗压强度的关系

混凝土立方体的抗压强度综合反映了水泥的品种、用量、强度、骨料种类、施工和养护效果，总体来说，混凝土的抗压强度越大，越难碳化．根据文献[5-6]钢纤维混凝土碳化数据，分析钢纤维混凝土碳化深度与立方体抗压强度平方根的关系，如图2所示．

将图2钢纤维混凝土碳化深度数据进行回归，得到了碳化龄期为28,d、钢纤维掺量1%,的钢纤维混凝土碳化深度数学模型(见式(1))；碳化龄期为14,d、钢纤维掺量1%,的钢纤维混凝土碳化深度数学模型

(见式2)．从两个数学碳化深度模型可知：在相同的碳化龄期、钢纤维掺量下，钢纤维混凝土的碳化深度与立方体抗压强度的平方根成反比．

图2 钢纤维混凝土碳化深度与立方体抗压强度平方根的关系

1.3 钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的关系

钢纤维混凝土内部的复合作用体现在孔隙结构的改善[7]．掺入一定量的钢纤维能够实现更好的水化作用，使钢纤维在混凝土内部形成网状结构，减缓了混凝土碳化的发展．依据文献[5-6]钢纤维混凝土碳化试验数据(见图3)，可以得到钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的关系．

图3 钢纤维混凝土碳化深度与龄期平方根的关系

由图3得到在不同钢纤维掺量条件下，混凝土碳化深度与碳化龄期平方根的相应规律(见表2)．

表2 钢纤维混凝土碳化深度与碳化龄期平方根的关系

以钢纤维掺量为0%,的数学模型为基础，用不同钢纤维掺量下的碳化系数分别除以钢纤维掺量为0%,的碳化系数．从文献[6]钢纤维混凝土碳化深度回归方程可知，当钢纤维掺量分别为0.0%、1.0%、2.0%时，对应的碳化深度掺量影响系数分别为1、0.769,1、0.781,0；从文献[5]钢纤维混凝土碳化深度回归方程可以得出结论，当钢纤维掺量分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时，对应的碳化深度掺量影响系数为1、0.843,7、0.770,8、0.533,0、1.204,0．将两组数据回归，得到钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的关系，如图4所示．

图4 钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的关系

建立钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的模型．根据文献[5]，当钢纤维掺量≤1.5%时,，得到碳化深度数学模型(见式(3))，钢纤维掺量＞1.5%,时，得到碳化深度数学模型(见式4)；根据文献[6]得到碳化深度数学模型式(5)，式(5)表明，当ρf=-b/2a≈1.5时，多项式取最小值．两组试验得出相同结论：当钢纤维掺量为1.5%,时，钢纤维影响混

凝土抗碳化效果最好．

2 钢纤维混凝土碳化深度数学模型分析

目前，有关钢纤维混凝土碳化深度的数学模型主要见郑州大学谢晓鹏[6](见式(6))和西安交通大学郭艳华等[8](见式(7))．第一个数学模型在考虑水灰比的情况下得到了很好的试验效果，但水灰比与混凝土立方体抗压强度指标相比，实际中很难确切得到；第二个数学模型主要适用于不掺加钢纤维的普通混凝土．所以，对钢纤维混凝土碳化深度的数学模型还需要进一步深入研究．

以文献[5]钢纤维混凝土碳化试验以及Fick第一扩散定律为基础，以钢纤维混凝土碳化龄期平方根、立方体抗压强度平方根为出发点，得到碳化深度与碳化龄期平方根、立方体抗压强度平方根的关系，如图5所示．

图5 碳化深度与碳化龄期平方根、立方体抗压强度平方根的关系

由图5钢纤维混凝土碳化试验数据，得到不同钢纤维掺量0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 条件下钢纤维混凝土碳化深度与碳化龄期平方根、立方体抗压强度平方根的相应规律(见表3)．

表3 钢纤维混凝土碳化深度与碳化龄期平方根、立方体抗压强度平方根的数学模型

以钢纤维掺量0%,的碳化深度数学模型为基础，分别得到钢纤维掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时所对应的混凝土碳化深度掺量影响系数为1、0.932,5、0.861,4、0.566,3、1.160,7，得到钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的关系，如图6所示．

图6 钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数与钢纤维掺量的关系

由图6可以得到：当钢纤维掺量ρf≤1.5%,时，钢纤维混凝土碳化深度的数学模型为

当钢纤维掺量ρf＞1.5%,时，钢纤维混凝土碳化

深度数学模型为

式中：X 为混凝土碳化深度；ρf为钢纤维掺量；fc为立方体抗压强度；t为碳化龄期；β 为钢纤维混凝土碳化深度掺量影响系数．

3 钢纤维混凝土碳化深度预测模型的检验

由钢纤维混凝土碳化深度数学模型式(8)和式(9)可以得到其碳化深度的预测值，将预测值与文献[5]中相应的试验值进行对比，具体见表4．

由表4对比结果可知：当钢纤维掺量≤1.5%,时，钢纤维混凝土不同碳化龄期、不同钢纤维掺量下的碳化深度的实际值与预测值的比值的平均值μ＝1.045，均方差σ＝0.169，变异系数δ＝0.161,7；当钢纤维掺量＞1.5%,时，钢纤维混凝土碳化深度实际值与预测值的比值的平均值 μ＝1.15，均方差σ＝0.217，变异系数δ＝0.189，故钢纤维混凝土碳化深度试验值与预测值符合程度较好．

4 结 论

(1)钢纤维混凝土的碳化深度与碳化龄期平方根成正比，与立方体抗压强度平方根成反比，并且钢纤维混凝土的碳化速率小于普通混凝土的．

(2)钢纤维掺量由0.0%,→1.5%,递增时，钢纤维混凝土抗碳化性能增强；当钢纤维掺量从1.5%,→2.0%,递增时，钢纤维混凝土抗碳化性能降低；当钢纤维掺量为1.5%,时，钢纤维混凝土抗碳化性能最好．

(3)建立了钢纤维混凝土碳化深度预测数学模型式(8)和式(9)；对预测模型进行检验，结果表明，预测值与试验值符合程度较好．

［1］ 陈树亮. 混凝土碳化机理、影响因素及预测模型[J].水利电力科技，2010，2(2)：13-23.

［2］ SMOLCZYK H G. Proceedings of 5thinternational symposium on chemistry of cement[J]. Tokyo，1968，3：343-368.

［3］ 王 艳. 一般大气环境多因素下钢纤维混凝土耐久性研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2011.

［4］ 张海燕，把多铎，王正中. 混凝土碳化深度预测模型[J]. 武汉大学学报，2006，39(5)：42-45.

［5］ 苗元耀. 钢纤维混凝土碳化性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2011.

［6］ 谢晓鹏，高丹盈. 碳化作用下钢纤维混凝土力学性能的试验研究[J]. 混凝土，2006，3(3)：19-24.

［7］ 邓宗才，方 操. 碳纤维布约束下钢纤维混凝土与腐蚀钢筋黏结性能的试验研究[J]. 土木工程学报，2012，8(8)：41-47.

［8］ 郭艳华，潘慧敏，李志业. 钢纤维混凝土碳化性能研究[J]. 混凝土，2007，2(2)：45-47.

Study on Influencing Factors and Prediction Model of Carbonation Depth of Steel Fiber Concrete

WANG Zhan-hai，YANG De-jian
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Taking steel fiber reinforced concrete carbonization test as the research object,this research,based on the theory of normal concrete carbonation,explores the relationship among the depth of steel fiber concrete carbonation,the cube compressive strength,carbonation age,and steel fiber content. As a result,a prediction model of carbonation depth of steel fiber concrete is established and tested. The results show that the predicted values and experimental values are better,which provided a reference for steel fiber reinforced concrete carbonization study.

steel fiber concrete；carbonation depth；cube compressive strength；steel fiber content；the age of carbonation

TU528.572

A

2095-719X(2015)04-0262-05

2014-11-12；

2015-04-15

王占海（1988—），男，天津人，天津城建大学硕士生．