完全碳化混凝土單軸受壓力學性能試驗研究

徐善華，孔德亮，李安邦，朱文治

（西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055）

一般大氣環(huán)境下混凝土碳化是既有混凝土結(jié)構劣化的主要因素，碳化改變了混凝土內(nèi)部化學組分及孔隙結(jié)構，造成碳化混凝土力學性能與未碳化混凝土存在明顯差異[1-3]．文獻[4-7]通過部分碳化試件研究發(fā)現(xiàn)，隨著試件碳化深度增加，試件抗壓強度明顯提高，延性明顯降低．文獻[8-9]通過對碳化混凝土受壓本構關系研究發(fā)現(xiàn)，混凝土峰值應力隨著碳化深度增加而提高，增幅達15%；峰值壓應變隨碳化深度增加而減小，降幅可達50%．上述結(jié)論是通過部分碳化混凝土加載試驗得到的，碳化混凝土強度、延性變化規(guī)律與混凝土碳化深度有很強的相關性．本文通過 C20、C30、C40三種混凝土強度等級完全碳化混凝土試件，研究單調(diào)荷載作用下碳化混凝土峰值應力、峰值應變、極限應變等特征參數(shù)變化規(guī)律，分析碳化對混凝土力學性能的影響，為既有混凝土結(jié)構安全評估及其抗震性能分析提供技術依據(jù)．

1 試驗方案

1.1 試件設計

試驗采用秦嶺牌普通硅酸鹽水泥(42.5R)，粗骨料為連續(xù)粒級碎石，最大粒徑12 mm，細骨料采用連續(xù)級配中砂，其含泥量不大于2%，拌和水為自來水．試件混凝土強度設計等級為C20、C30、C40，每立方米混凝土材料用量見表1，試件制作和養(yǎng)護按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)執(zhí)行．試驗共制作了 48個試件，其中39個為直徑100 mm、高度為200 mm的圓柱體試件(中間留有50 mm直徑的圓孔)，9個用于測定28 d混凝土立方體抗壓強度的100 mm立方體伴隨試塊．

表1 混凝土試件配合比Tab.1 The mix proportion of concrete

1.2 快速碳化試驗方案

試件養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，放入溫度為60℃的烘箱干燥48 h，然后用石蠟對試塊端面進行密封．按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)規(guī)定的方法，將試件放入碳化箱進行快速碳化，快速碳化環(huán)境參數(shù)為：溫度20℃±3℃、相對濕度70%±5%、CO2濃度20%±3%，碳化過程各試件間保持50 mm以上間距．快速碳化期間，間隔一定時間用切割機切開碳化測試試件，并用酚酞試劑測定其碳化深度．當 1%酚酞酒精試劑噴灑切開表面不再呈現(xiàn)紅色，表明試件混凝土已完全碳化（如圖1所示）．

1.3 加載試驗方案

采用改進的WAW系列微機控制電液伺服萬能試驗機（100 t）進行單調(diào)加載與重復加載試驗；采用位移計和應變計并借助于 TDS-602動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀測試試件應變，試驗裝置如圖2所示．加載制度如下：首先對試件進行預加載，預加載至荷載為5 kN時，觀察四個位移計讀數(shù)差值是否超過5%；若其讀數(shù)差值超過 5%，則停止加載，并對試件重新進行物理對中；然后再次進行預加載，直至四個位移計讀數(shù)差值達到 5%以下．預加載完成對中后采用0.1 mm/min加載速率的等位移單調(diào)加載，直至試件最大承受荷載降低至峰值荷載的 30%以下或荷載-位移曲線趨于穩(wěn)定時，停止試驗．

圖1 試件碳化程度測試Fig.1 Test of carbonation depth

圖2 試驗裝置Fig.2 The equipment set-up for the loading test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞現(xiàn)象

對于未碳化的圓柱體混凝土試件，加載初期（σ＜0.4 fc），應力–應變曲線近似成比例增長，試件處于線彈性階段．繼續(xù)加大荷載，應變增長速度加快，應力–應變曲線斜率減少，曲線成上凸狀，試件逐漸進入彈塑性階段，此時試件內(nèi)部薄弱部位會有微裂縫出現(xiàn)，但試件表面仍未出現(xiàn)可見的裂縫．隨著荷載的增加，應力–應變曲線的斜率逐漸趨于零，試件達到了其極限抗壓強度，應力–應變曲線也相繼進入下降段．此時在試件側(cè)面上下部位出現(xiàn)大致平行受力方向細而短的微裂縫，繼續(xù)加大荷載，這些上下不連續(xù)的短裂縫也同時慢慢形成一條或多條貫通整個試件的主裂縫，沿著這條主裂縫形成多個擴展裂縫．試驗得到貫通主裂縫與荷載作用線的夾角 θ =0°～ 3 0°．隨著應變繼續(xù)增加，裂縫開展趨于穩(wěn)定，應力下降變緩，最后出現(xiàn)平緩段，破壞現(xiàn)象如圖3（a）所示．

對于完全碳化混凝土試件，加載初期試件表面形態(tài)與未碳化混凝土并無太大區(qū)別，只是應力–應變曲線形狀比未碳化混凝土試件更陡些．當進入加載后期，試件應力接近其峰值應力時，試件上下部位開始出現(xiàn)較多的豎向或斜向裂縫，并伴隨著混凝土開裂的響聲．荷載越過峰值后迅速下降，比未碳化混凝土下降更快．試件側(cè)面裂縫開展并互相貫通，并伴有混凝土塊脫落現(xiàn)象，破壞現(xiàn)象比未碳化試件更嚴重，這是碳化后混凝土脆性增加的原因．試件的貫通主裂縫夾角與未碳化試件基本一致．圖3（b）給出了完全碳化混凝土圓柱體試件在單調(diào)壓荷載作用下的破壞現(xiàn)象．

圖3 碳化混凝土試件在單調(diào)壓荷載作用下的破壞現(xiàn)象Fig.3 Failure mode of the carbonated concrete under compression loading

2.2 應力-應變?nèi)€

圖 4給出了 C20、C30、C40各組混凝土完全碳化前后的應力-應變曲線對比情況．由圖4可以發(fā)現(xiàn)，碳化前后混凝土受壓應力-應變曲線的基本形式?jīng)]有發(fā)生變化，但碳化后混凝土峰值應變減小、峰值應力提高，應力-應變曲線上升段曲線變凸、下降段曲線變陡趨勢明顯．

圖4 碳化前后混凝土應力-應變曲線對比Fig.4 Before and after carbonation concrete stress - strain curve comparison

2.3 試驗結(jié)果特征值分析

表3給出了碳化前后各試件峰值應變、峰值應力以及極限應變值，其中極限應變應力降低至峰值應力85%時所對應應變值．

由表3可以看出同組三個試件的峰值應力、峰值應變及極限應變均有波動，但波動幅度不大，說明混凝土材料本身具有一定的離散性，因澆筑良好其離散程度不大，滿足試驗要求．通過比較同種強度等級未碳化混凝土試件與碳化混凝土試件的峰值應變、峰值應力及極限應變可以發(fā)現(xiàn)：1）混凝土碳化后延性降低，脆性增加尤其下降段，表現(xiàn)于峰值應變、極限應變普遍減小；2）混凝土碳化后變得更密實，表現(xiàn)于峰值應力增加；3）每種強度試件混凝土碳化后峰值應變、峰值應力、極限應變的變化幅度各不相同．

將每種強度等級混凝土試件應力–應變?nèi)€特征值及其碳化后變化幅度列于表4．

2.3 .1 峰值應變

從表4可發(fā)現(xiàn)，C20、C30、C40三種強度等級混凝土試件碳化后其峰值應變較未碳化混凝土試件減小均為10%左右，其減小量不隨混凝土強度的增加而變化．這與劉小薇[10]得出兩種強度等級混凝土試件碳化后（75%左右截面積碳化）峰值應變減小量均在20%～30%的結(jié)論有出入，但都得到混凝土試件碳化后峰值應變減小，且其減小量與混凝土強度無關的結(jié)論．考慮到兩批試件的材料選用，配合比，試件形狀及其澆筑方法的差異，這種混凝土碳化后峰值應變減小量的差別是可接受的．所以本試驗得出：混凝土試件在單調(diào)壓荷載作用下，碳化后試件峰值應變較未碳化試件減小，減小幅度均在10%左右，且減小幅度與混凝土強度大小無關．

表3 主要試驗結(jié)果特征值Tab.3 The characteristic parameters of concrete under compression loading

表4 混凝土試件單調(diào)壓荷載作用下平均特征值及其碳化后變化幅度Tab.4 The average value of characteristic parameters and the degree of variability after carbonation

2.3.2 峰值應力

通過比較表 4中三種強度等級混凝土試件的峰值應力可以看出：每種強度等級混凝土試件碳化后其峰值應力較未碳化試件都有相應的增加，但不同強度等級試件增加的幅度不一樣．這與劉小薇[10]從第二批試件中得出的混凝土隨碳化深度增加其峰值應力增加的結(jié)論相符，且增加的幅度也大致相同：劉小薇的第二批試件強度為C30，未碳化混凝土試件平均峰值應力為34.153 MPa，當平均碳化深度達到24.13 mm時（即碳化面積達到73.23%）試件平均峰值應力為42.88 MPa，較未碳化試件增加25.55%．但劉小薇并沒有得出混凝土試件碳化后峰值應力增加的幅度與混凝土強度的關系．從表4中可以看出，本試驗C20強度混凝土試件碳化后峰值應力增加36.28%，C30強度混凝土試件增加25.01%，而 C40強度混凝土試件僅僅增加 11.66%，可見碳化后峰值應力增加的幅度隨著混凝土強度的增加而減小．圖5給出了由試驗得出的在單調(diào)壓荷載作用下混凝土碳化后峰值應力增加的幅度與混凝土強度的關系．

由于本試驗只做了三種強度等級混凝土試件在單調(diào)壓荷載作用下的應力–應變關系試驗，缺少足夠的試驗數(shù)據(jù)，以致無法準確地擬合出混凝土碳化后峰值應力增加的幅度與混凝土強度的數(shù)學表達式，從圖5可發(fā)現(xiàn)這種減小對于C20到C40強度之間的混凝土大致呈直線下降規(guī)律．然而強度高于C40且強度低于C20的混凝土試件，由于缺少試驗數(shù)據(jù)無法得到其變化規(guī)律，但可以推測出強度高于C40混凝土試件不可能繼續(xù)按直線下降．若繼續(xù)按直線下降則C60或更高強度混凝土試件碳化后峰值應力增加幅度將為負值，這不符合實際結(jié)果．再高強度混凝土試件在水化過程中其內(nèi)部也會出現(xiàn)孔隙，即混凝土碳化后產(chǎn)生的固體碳酸鈣也會填充其內(nèi)部孔隙使得混凝土更致密，從而增加混凝土的抗壓強度，只是強度越高增加的幅度越小而已．

2.3.3 極限應變

由表4中極限應變可以看出，混凝土碳化后極限應變均減小，且減小的幅度隨混凝土強度增加而增加，從C20強度的11%增加到C40強度的30%．將其增加幅度與混凝土強度的關系繪于圖 6，可看出這種增加模式是以曲線的形式增加的，且曲線的斜率逐漸減小，即當混凝土強度達到一定值時，混凝土碳化后極限應變降低的幅度將保持在一個特定的值而不再隨混凝土強度的增加而繼續(xù)增加．

圖5 碳化后混凝土峰值應力增幅與混凝土強度的關系Fig.5 The relationship between variation of peak stress andconcrete strength after carbonation

3 結(jié)論

通過開展碳化及未碳化混凝土圓柱體試件在單調(diào)壓荷載作用下的力學性能試驗，分別得出了碳化及未碳化混凝土圓柱體試件在單調(diào)壓荷載作用下的破壞形態(tài)、應力–應變曲線，通過研究分析得出以下主要結(jié)論：

(1) 混凝土碳化后脆性增加，裂縫較未碳化試件發(fā)展的迅速，加載后期試件表面有混凝土塊脫落現(xiàn)象，破壞現(xiàn)象較未碳化的嚴重；無論是碳化或未碳化，混凝土試件在單調(diào)壓荷載作用下的最后破壞主裂縫與荷載作用線的夾角為 θ = 0°～ 30°．

圖6 碳化后混凝土極限應變降幅與混凝土強度的關系Fig.6 The relationship between variation of ultimate strainand concrete strength after carbonation

(2) 混凝土碳化后峰值應力增加，增幅隨著混凝土強度的增加而減小，從C20強度混凝土的40%左右降到C40的15%左右．

(3) 混凝土碳化后峰值應變減小，減小幅度在10%左右，且其不隨混凝土強度的增減而變化．

(4) 混凝土試件碳化后極限應變減小，減小幅度隨混凝土強度增加而增加，從C20強度到C40強度混凝土試件極限應變減小幅度為10%～30%不等．

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