长期荷载作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应

2021-08-10何小军张立娟

河北建筑工程学院学报 2021年1期

安赛何小军张立娟

(1.河北科技师范学院，河北秦皇岛 066004；2.石家庄铁路职业技术学院，河北，石家庄 050041；3.河北建筑工程学院，河北张家口，075000)

0 引言

混凝土的抗碳化性能是当今国内外研究的热点问题，同时也是影响其耐久性能的一个重要因素[1-2].随着混凝土制备技术的不断优化，水泥基复合材料的应用也日趋完善，粉煤灰及矿渣等优质矿物掺合料逐渐成为混凝土的重要组成部分[3].粉煤灰的掺入可有效提高混凝土的工作性能，但过量的粉煤灰掺入，会对其抗碳化性能产生不利的影响，直接影响其耐久性，严重制约其在工程中的广泛使用.

实际工程中混凝土结构大多处于各种环境荷载约束状态下进行工作，在不同的环境荷载及荷载形式的作用下，混凝土结构的抗碳化性能不尽相同[4-6].研究表明，长期荷载作用会使混凝土密实性增强，降低混凝土的碳化速率，在长期荷载作用后进行卸载，则会增加混凝土的碳化速率，降低其抗碳化性能[7].疲劳动载荷作用下，可使混凝土结构内部产生裂纹甚至断裂，增大其损伤程度，降低混凝土的抗碳化性能[8-9].目前基于单一规格混凝土试件碳化性能的研究比较常见，关于多规格尺寸混凝土的抗碳化性能研究尚少，而混凝土的尺寸效应亦会对其抗碳化性能产生一定的影响[10-12].几何尺寸不同的试件在相近条件下其碳化深度相差较大[12]，目前国内外学者虽进行了相关混凝土尺寸效应的研究工作，但主要集中于混凝土尺寸效应对其力学性能的影响[13-15]，对于粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应研究较少.

综合以上分析可知，对于长期压应力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效应还鲜有研究，而工程实际中混凝土结构大多处于受压状态，且不同位置的混凝土由于尺寸大小不一，这将会对其抗碳化性能产生重要影响.目前实验室中研究荷载作用下混凝土的抗碳化性能多采用的试件尺寸是40 mm×40 mm×160 mm、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和100 mm×100 mm×400 mm三种[16-17].本文的试验研究中，采用40 mm×40 mm×160 mm(以下称为小试件)、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm(以下称为中试件)和100 mm×100 mm×400 mm(以下称为大试件)三种规格的混凝土试件，水胶比采用0.45，粉煤灰矿物掺合料的掺量分别为0、30%、60%(等质量分数)，在养护温度为(20±2)℃，相对湿度为(70±5)%，CO2浓度为(20±3)%(体积分数)的环境下养护28d，研究空载与加载两类混凝土试件，放置于温度(20±2)℃，相对湿度(60±5)%，3 a龄期的快速碳化规律，并基于粉煤灰混凝土的工作性能，分析了其在3 a压应力作用下抗碳化性的尺寸效应，以期为实际工程应用提供可靠依据.

1 实验

1.1 原材料

P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，秦皇岛市浅野水泥厂；Ⅰ级粉煤灰，秦皇岛市热电厂；天然河砂(细骨料)，其表观密度为2650 kg/m3，细度模数2.9；破碎石灰石(粗骨料)，粒径为5～20 mm(其中5～10 mm与10～16 mm的碎石质量比为7:3)，其表观密度为2660 kg/m3；聚羧酸高性能减水剂，减水率≥30%；拌合水使用自来水.

表1 水泥和粉煤灰材料的参数

*LOI=loss on ignition

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土试件制备及快速碳化试验

采用不同的配合比(如表2)，混凝土试件成型尺寸为三种规格：40 mm×40 mm×160 mm、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和100 mm×100 mm×400 mm，每组配合比中三种规格的试件各成型11个，分别用于轴压测试和抗碳化性能试验.所有试件经标准养护28 d后，用加热的石蜡予以密封，密封时掺量为60%的粉煤灰混凝土试件预留一个侧面，其余试件均预留两个相对的侧面，其它面均用石蜡密封.每组中取2个密封完成的试件进行干养护至3 a龄期，取6个试件分别以33%的应力水平在加载装置下进行加载至3 a龄期，达到预定龄期后停止养护.在进行快速碳化试验之前，由于试件已经经过了3 a的养护，因此应先测试每组混凝土试件的初始碳化深度(加载着的大、中、小试件各卸载两个进行测量)，在标准碳化箱中(温度为(20±2)℃，CO2浓度为(20±3)%(体积分数)，相对湿度为(70±5)%)放置3 a龄期空载试件以及带有加载装置的3 a龄期加载试件，开展快速碳化试验.达到预定碳化时间(空载试件为3 d，7 d，14 d，28 d；加载试件为7 d、28 d)后取出试件，对于加载的试件预先进行卸载，借助压力试验机从预定位置劈裂，采用浓度为1%的酚酞试剂进行碳化深度测试，测试时从测试面边缘每隔10 mm测试一次，取其算术平均值作为最终的碳化深度.碳化深度测试完成后，将未加载的试件劈裂面密封后重新放回碳化箱内继续碳化至下一个测试时间，对于加载的试件则不再放回.

表2 混凝土配合比

1.2.2 试件加载

从各组配合比中取大、中、小三类各3个经标准养护28 d后的试件进行轴心抗压强度测试，其强度记为fc(见表2，用于加载试件的应力水平荷载控制).采用如图1所示大、小四杆式弹簧压缩加载实验装置(其中加载大、中试件均用大加载架)，参照国标GB/T50082-2009中描述的加载方法分别对大、中、小试件进行加载，荷载控制水平为其轴心抗压强度的33%.加载完成后将试件放入恒温恒湿环境下(温度(20±2)℃，相对湿度(60±5)%)干养护至3 a龄期.

图1 四杆式弹簧压缩加载试验装置

2 试验结果与分析

2.1 分析方法

不同粉煤灰掺量条件下大、中、小混凝土试件空载与加载碳化至28 d各龄期碳化深度测试结果，如图2所示.

(a)Large specimens (b)Medium specimens

(c)Small specimens

由图2(a-c)可知：混凝土28 d的碳化深度随粉煤灰掺量的不断增加而增大；不同粉煤灰掺量条件下，3 a龄期加载与空载大、中、小试件初始碳化深度均存在一定的差异，由于前期的自然碳化层对后期碳化深度的发展有抑制作用，若仅以碳化深度的绝对值表征3 a压应力下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应，其结果分析将不够准确[7]，因此，本文中提出采用碳化深度的增加值，表征3 a龄期压应力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应.虽然不同配合比混凝土之间的前期自然碳化层厚度差别较大，但对同一配合比而言，前期自然碳化层厚度差别较小，并不影响分析长期荷载作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应.

2.2 长期荷载作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应

由图2分析可知：各粉煤灰掺量条件下3 a龄期空载与加载大试件各龄期碳化深度均高于3 a龄期中、小试件，且中试件的碳化深度略高于小试件，分析表明随着混凝土尺寸的增大，混凝土各龄期碳化深度也在不断增大，由于在小尺寸试件周围有大的石子，外露的石子在混凝土试件的外层形成坚硬的壳体，延缓了混凝土碳化的进程，起到壁垒的作用[10].

通过对混凝土碳化数据的处理分析，得出3 a龄期加载与空载大、中、小试件28 d碳化深度的增加值，如图3所示.

(a)Large specimens (b)Medium specimens

(c)Small specimens

由图3(a-c)可知：各类试件加载碳化至28 d碳化深度增加值均要小于空载试件28 d碳化深度增加值，表明3 a龄期压应力作用可减缓粉煤灰混凝土的碳化进程[18-20].对于小试件而言，3 a压应力作用对其抗碳化性能影响较大；而对于大试件，3 a压应力作用对其抗碳化性能的影响则不明显；对于中试件，3 a压应力作用对其抗碳化性能影响程度介于大小试件之间.

2.3 长期荷载作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能尺寸效应的定量分析

为更准确的表征长期荷载作用下粉煤灰混凝土的抗碳化性能的尺寸效应，立足定量分析的角度，特定义如式(1)、(2)所示尺寸效应系数L1、L2(以下称为L1值、L2值)，以此对其进行定量表征.L值越大，3 a龄期压应力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应越明显.

L1=(M1-M2)/M1

(1)

L2=(M1-M3)/M1

(2)

式中：M1为3 a龄期空载与加载大试件28 d碳化深度增加值，mm；M2为3 a龄期空载与加载中试件28 d碳化深度增加值，mm；M3为3 a龄期空载与加载小试件28 d碳化深度增加值，mm.

通过对大、中、小混凝土试件碳化数据的处理分析，得到不同粉煤灰掺量条件下混凝土碳化深度的L1、L2值，如表3和表4所示.

表3 不同粉煤灰掺量条件下的L1值

表4 不同粉煤灰掺量条件下的L2值

由表3和表4分析发现：3 a压应力作用下混凝土的L1、L2值均高于3 a龄期空载试件，这表明，3 a压应力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应更为明显；对于不掺粉煤灰混凝土，3 a压应力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效应与3 a龄期空载混凝土相差不大；对于粉煤灰混凝土，3 a龄期压应力作用及3 a龄期空载条件下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应系数随着粉煤灰掺量的增加而降低，但两者L值的比值基本保持不变，这表明在研究荷载作用对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响时可以用小试件代替大试件进行试验，但应注意尺寸效应系数的影响.当水胶比为0.45，粉煤灰掺量为30%和60%时，3 a压应力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效应系数分别为3 a龄期空载试件的1.32倍与1.33倍.