彎曲應力作用下噴射混凝土受拉區碳化試驗研究

王家濱，牛荻濤，張永利

(西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055)

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彎曲應力作用下噴射混凝土受拉區碳化試驗研究

王家濱，牛荻濤，張永利

(西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055)

為了研究隧道噴射混凝土單層襯砌碳化規律，采用快速碳化實驗方法，研究了不同彎曲應力(0，0.25，0.5及0.75)作用下噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土受拉區碳化深度變化規律。結果表明，噴射混凝土碳化深度經時變化規律服從Fick第一定律，碳化深度隨著碳化齡期和彎曲應力的增加而增大。同實驗條件下，噴射混凝土碳化深度小于普通混凝土，而鋼纖維的加入進一步減小噴射混凝土同齡期碳化深度。在考慮彎曲應力影響系數、鋼纖維影響系數及施工方式影響系數基礎上對普通混凝土碳化深度預測模型進行修正，使其能夠較好預測噴射混凝土碳化深度。

隧道工程；耐久性；噴射混凝土；碳化；彎曲應力

0　引　言

噴射混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣將混凝土或一定比例的水泥、砂、石拌合料，通過軟管以高速噴射到受噴面上并快速凝結硬化的一種混凝土[1]。與普通混凝土相比，噴射混凝土因速凝劑的摻入而具有極短的終凝時間和高早齡期強度[2]，故其廣泛應用于隧道初期及永久支護、礦山巷道支護、道路邊坡以及結構加固及維修等領域[3-5]。在現代隧道襯砌結構設計過程中，以噴射混凝土為主體的單層襯砌成為未來發展趨勢。而在隧道運營過程中，尤其是海底隧道，因其內部環境相對封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度較高，襯砌結構碳化速度加快，最終導致鋼筋的銹蝕及結構承載力及可靠度下降，威脅隧道襯砌結構耐久性、使用壽命及安全運營[6]。

混凝土碳化是一個物理化學反應過程，其主要表現為混凝土中維持其堿度的氫氧化鈣含量降低，混凝土呈現中性化，最終鋼筋表面脫鈍引發襯砌混凝土銹脹開裂[7-10]。而拉應力的存在加速并加劇了襯砌混凝土碳化及耐久性劣化[6,11]，為此，國內外學者對應力作用下混凝土碳化過程及碳化深度預測模型進行了一系列研究[12-19]。而針對噴射混凝土、特別是鋼纖維噴射混凝土的研究尚未見報道。本文通過快速碳化實驗方法，開展不同彎曲應力狀態下噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土碳化實驗；通過對現有實驗數據進行分析，對碳化深度預測模型中擴散系數進行修正，最后對碳化后噴射混凝土微觀結構進行分析，為進一步研究噴射混凝土耐久性提供參考。

1　實　驗

1.1原材料與配合比

水泥為寶雞海螺PO42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為陜西寶源Ⅱ粉煤灰，速凝劑為山西桑穆斯建材化工有限公司生產的低堿速凝劑，摻量4%。水泥化學、礦物組成及性能示于表1及2；粉煤灰及速凝劑化學組成示于表1。

表1　實驗材料化學組成

細骨料為細度模數為3.4的粗砂，粗骨料為連續級配瓜米石，骨料均來自天水麥積格崖石料廠；鋼纖維為上海青浦商榻金屬纖維廠生產冷壓剪切波浪型鋼纖維，抗拉強度300 MPa，長30 mm，寬2 mm，等效長徑比為34；減水劑為山西凱迪建材KDPCA-1型聚羧酸系高效減水劑，摻量1%，減水率27%；速凝劑為山西桑穆斯建材有限公司生產的粉狀速凝劑，其主要成分為偏鋁酸鈉及硅酸二鈣。實驗噴射混凝土水膠比為0.43，砂率50%，其配合比及抗壓強度示于表3及4。

表2　水泥礦物組成及性能

表3　噴射混凝土配合比

表4　噴射混凝土試件力學性能

1.2試件制作

噴射混凝土試件取自寶雞至蘭州客運專線甘肅天水段麥積山隧道1#斜井施工現場，采用干噴大板法進行制作，大板尺寸為1 000 mm×500 mm×150 mm。大板成型3 h后拆模，噴水養護；1 d后放入隧道中同環境養護7 d(洞內環境溫度15 ℃，濕度70%)，而后使用巖石切割機將大板切割成實驗用棱柱體試件(方法為首先沿短邊兩側各切去50 mm，沿長邊一側切去50 mm，而后沿長邊依次切取9個棱柱體，而后再將棱柱體上下兩面分別切去10 mm)，其尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，并將其置于標準養護室內養護至28 d，最后將試件置于室外自然養護至90 d。試件制作示于圖1；切割方式示于圖2。

圖1　試件制作方式

1.3實驗方法

1.3.1應力加載方案

本文中彎曲應力采用彈簧加載方式[20]，在加載之前采用上海華龍生產液壓伺服實驗機(量程100 kN，加載速率為1 mm/min，加載至10 mm時停止，以免將彈簧加載至塑性變形)測試并計算每個彈簧的彈性模量，以保證加載應力的準確。為了防止長期加載而造成的應力松弛，在加載裝置中安裝SH-30K型數顯推拉力計(量程3 kN，精度0.01 N，上海思為儀器制造有限公司產)對荷載F進行實時監控，隨時調節彈簧壓縮量。試件加載裝置及試件受力方式示于圖3。實驗開始前，測定試件抗折強度ff；實驗試件受力方式采用三分點加載法，即四點彎曲加載法，加載彎曲應力分別為0.25，0.5及0.75ff。

1.3.2碳化實驗

碳化實驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)中快速碳化法進行。首先將試件至于鼓風干燥箱中60 ℃烘干48 h，待試件降至室溫后對其按照不同應力比進行加載。然后，在加載后試件4個側面采用石蠟進行密封，只保留1組100×400對面作為碳化面，而后在重慶五環產ZHT/W2300型大氣氣候環境模擬實驗室中進行快速碳化實驗，實驗箱內部尺寸為長3.5 m、寬2.5 m、高2.0 m，實驗環境為CO2濃度為(20±3)%，濕度(70±5)%，溫度(20±2) ℃。快速碳化實驗共進行5個齡期，分別為7，14，28，42和56 d。待到達齡期后測試試件抗折強度，并在干凈的斷口處均勻噴涂1%酒精酚酞溶液，測試試件碳化深度。

圖2　噴射混凝土大板切割方式示意圖

圖3　實驗加載裝置及方式

2　結果與討論

2.1應力狀態對試件碳化深度影響

應力作用下試件受拉區碳化深度經時變化示于圖4-6。從圖4-6可看出，隨著碳化齡期增長，試件碳化深度增大，且隨著彎曲應力增大，試件碳化深度出現不同程度的增大。

圖4　應力狀態下普通混凝土受拉區碳化深度

Fig 4 Tensile area carbonation depth of specimen C43F10

圖5　應力狀態下普通噴射混凝土受拉區碳化深度

Fig 5 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10

圖6　應力狀態下鋼纖維噴射混凝土受拉區碳化深度

Fig 6 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10SF50

(1) 同碳化齡期及同應力水平下，普通混凝土受拉區碳化深度顯著大于噴射混凝土，且鋼纖維噴射混凝土碳化深度明顯低于普通噴射混凝土。其原因為：首先，噴射混凝土是在空氣壓力作用下從噴嘴處高速噴出，膠凝材料及骨料相互沖擊壓實而形成的，其密實度高于普通混凝土；其次，噴射混凝土終凝時間極短，膠凝材料水化速度極快，使得試件內部致密度迅速增加；再次，噴射混凝土中添加4%堿性速凝劑，使試件中總堿量增加，可碳化堿性水化產物含量增多[21]。綜上所述，噴射混凝土抗碳化性能優于普通混凝土；(2) 同碳化齡期下，鋼纖維噴射混凝土碳化深度顯著小于普通噴射混凝土，且碳化齡期越長，二者碳化深度差值愈大。其原因為：鋼纖維的摻入一方面可顯著減少噴射混凝土早期因快速水化產生的化學收縮裂縫的數量且限制其進一步擴展，從而使試件內部微裂縫及連通氣孔顯著減少，阻斷二氧化碳的進入及擴散[22]；另一方面，鋼纖維可增大試件的抗折強度，提高試件的斷裂能。在同樣的彎曲應力比作用下，試件受拉區邊緣抗拉強度增大，減緩受拉區邊緣裂縫的出現和進一步擴展，同時亦可減小因受拉區受拉裂縫縱向深度，試件抗碳化性能進一步提高。(3) 同碳化齡期下，同種試件受拉區碳化深度隨著彎曲應力增大而增大。在彎曲應力作用下，試件受拉區邊緣拉應力大于此部分混凝土抗拉強度，從而開裂產生受拉裂縫；隨著彎曲應力增大，試件受拉區裂縫的縱向深度不斷擴展，為二氧化碳的侵入提供通道，加速試件碳化反應，故隨著彎曲應力的增大，試件受拉區碳化深度增加。

2.2與相關實驗結果比較

為了進一步研究彎曲應力對混凝土碳化深度的影響，將本文結果與其它學者[12-17]實驗結果進行對比，圖7所示為彎曲應力對混凝土相對碳化深度影響統計圖。從圖7可以看出，各組實驗數據相差很大且較為離散，其原因為各文獻采用的混凝土配合比等不同而造成其本身具有較大差異性且實驗環境各不相同，另外加載方式也不盡相同造成的。但從結果均可以看出，碳化深度隨著拉應力比的增大而增大。

圖7　文獻中相對碳化深度與拉應力水平關系

2.3碳化后試件力學性能

圖8(a)為無應力狀態下碳化后試件抗壓強度及劈裂抗拉強度。從圖8(a)可看出，隨著碳化深度增大，試件抗壓強度和劈拉強度增大，且強度與碳化深度呈線性關系。另外，普通混凝土雖然初始力學性能高，但強度增長率低。普通噴射混凝土抗壓強度增長率最快，鋼纖維噴射混凝土劈裂抗拉強度增長率最快。這是因為與同配合比普通混凝土相比，噴射混凝土本身密實度較高，毛細連通孔數量少。少量碳化產物即可將試件內部微孔填充，使試件密實度進一步增大，噴射混凝土抗壓強度快速提高。而對于鋼纖維噴射混凝土，鋼纖維對試件抗壓強度增大所起到的作用較小，而對劈裂抗拉強度貢獻較大。經碳化過后的試件，碳化產物填充于混凝土基體內部微裂縫、微氣孔及基體-鋼纖維界面中，使鋼纖維噴射混凝土基體密實度增高，孔隙率減小。同時，基體-纖維界面強度增大，纖維拉拔應力提高，試件斷裂能提高，劈裂抗拉強度增大。

圖8(b)為無應力狀態下碳化后試件抗折強度。從圖8(b)可看出，隨著碳化齡期增大，即隨著碳化深度增大，試件抗折強度先快速降低，而后趨于穩定。同齡期下，普通噴射混凝土抗折強度明顯低于普通混凝土，而鋼纖維噴射混凝土抗折強度明顯增大。隨著碳化齡期增大，試件碳化深度增大，因碳化反應產生的化學收縮量增大，收縮微裂縫增多。在斷裂應力作用下，收縮裂縫快速開展并相互連通，合并成為主裂縫，試件斷裂，故試件抗折強度隨著碳化齡期增大而降低；對于普通噴射混凝土，因膠凝材料水化硬化反應極快，水化產物快速形成并異常長大[23]，形成初始缺陷，試件初始抗折強度比普通混凝土低。在碳化作用下，碳化收縮裂縫增多，抗折強度下降；而對于鋼纖維噴射混凝土，碳化產物將試件混凝土基體-鋼纖維界面填充，鋼纖維粘結應力增大，斷裂能提高。同時，鋼纖維可抑制化學收縮裂縫的產生和開展，故鋼纖維噴射混凝土抗折強度下降較為緩慢。

圖8　無應力狀態碳化后試件力學性能

3　彎曲應力作用下碳化深度模型修正

近年來，國內外學者提出了多種混凝土碳化深度預測模型[24]，這些模型考察的主要影響因素各不相同且表達形式不一，但都以Fick第一定律為基本形式，其表達式為

(1)

綜合考慮實驗條件及相關配合比參數，本文采用張譽碳化深度預測模型為基礎，同時考慮施工工藝系數、鋼纖維影響系數及彎曲拉應力加速影響系數，將其應用范圍擴展至彎曲應力下噴射混凝土碳化深度預測。通過對實驗數據進行擬合，其較好吻合Fick第一定律(示于圖9)，故基于式(1)，得出彎曲應力作用下噴射混凝土碳化深度預測模型一般形式為

(2)

其中

(3)

；T為碳化時間，d；kη為模型調整系數；kf為噴射施工影響因素；kσt為彎曲應力水平影響系數；ks為鋼纖維影響系數；RH為環境相對濕度，%；W/C為水灰比；n0為二氧化碳體積濃度，%；γHD為水泥水化程度修正系數，養護齡期>90 d取1；28 d取0.85，中間線性內插；γc為水泥品種修正系數，硅酸鹽水泥取1，其它品種的水泥取γc=1-水泥中摻和料含量。

圖9　不同彎曲應力下試件深度變化規律

為了定量分析彎曲應力水平對噴射混凝土碳化加速作用，采用彎曲應力水平影響系數kσt進行表征。彎曲應力水平影響系數kσt定義為彎曲應力水平為σ時噴射混凝土受拉區碳化深度與無應力時碳化深度比值，其關系示于圖10。

圖10　碳化深度比值與彎曲應力比關系

從圖10可以看出，kσt不僅與應力水平相關，而且與碳化時間相關。對實驗數據進行擬合得到kσt與應力水平σ之間的關系

(4)

式中，σ為彎曲應力水平。

鋼纖維影響系數定義為鋼纖維噴射混凝土的碳化深度與普通噴射混凝土碳化深度的比值。由于本文僅研究了鋼纖維摻量為0及50 kg/m3時對噴射混凝土碳化深度的影響，因此假定鋼纖維摻量對碳化深度的影響關系為線性ks=1-0.006w

(5)

式中，w為鋼纖維摻量，kg/m3。

施工工藝影響系數定義為噴射混凝土碳化深度與普通混凝土的碳化深度比值，通過對實驗數據進行擬合，得出

(6)

模型調節系數主要考慮實驗過程中所用材料、試件制作過程、碳化環境等的不一致性所造成的碳化深度的差異，通過試算，模型調節系數取

(7)

將上述系數代入式(2)及(3)，得出彎曲應力作用下噴射混凝土碳化深度預測模型為

(8)

將相應系數帶入式(8)，得出噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土不同彎曲應力作用下碳化深度預測值，同時與實驗實測值進行對比分析，其關系示于圖11。

圖11　試件碳化深度實測值與計算值對比

從圖11可以看出，計算值與實測值相差處于10%以內，其平均值為1.002，標準差為0.066，通過此模型可較好的進行彎曲應力作用下噴射混凝土碳化深度預測。

4　結　論

(1)彎曲應力作用下混凝土碳化深度經時變化符合Fick第一定律，且隨著彎曲應力比增大，試件碳化深度增大。同條件作用下，噴射混凝土碳化深度小于普通混凝土，這由噴射混凝土配合比、水化過程及施工方式的特殊性所決定；鋼纖維的加入可改善噴射混凝土內部孔結構并減少試件受拉區微裂縫數量和開裂深度，使噴射混凝土碳化深度進一步減小。

(2)噴射混凝土拉應力影響系數不僅與彎曲應力比和是否添加鋼纖維有關，且隨著碳化齡期的增大而增大；同時，與相關文獻對比分析可以看出，彎曲應力作用下混凝土相對碳化深度同樣受水灰比、摻和料及埋設鋼筋等因素影響，這為后期實驗的開展提供方向。

(3)在引入彎曲應力影響系數、施工工藝影響系數及鋼纖維影響系數基礎上，對普通混凝土碳化深度預測模型進行修正，使之適用于噴射混凝土，同時與實測值進行對比，其吻合程度較高。

致謝：感謝西安建筑科技大學博士創新基金項目的大力支持！

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Influence of accelerated carbonation on shotcrete at tensile area under bending stress

WANG Jiabin，NIU Ditao，ZHANG Yongli

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055，China)

In order to research the carbonation of shotcrete single-layer lining in tunnel, the accelerator carbonation of shotcrete with and without steel fiber under bending stress which the ratios of flexural strength were 0, 0.25, 0.5 and 0.75, respectively were studied. The carbonation depth of shotcrete obeys Fick’s first law and increased with the carbonation age and bending stress improved. In the similar experiment conditions, the carbonation depth of shotcrete was small than ordinary concrete. Meanwhile, the carbonation depth of steel fiber reinforced shotcrete was much less than ordinary shotcrete at the same age. Based on the influence coefficients of bending stress, steel fiber and construction mode, the carbonation depth prediction model of ordinary concrete was modified.

tunnel engineering; durability; shotcrete; carbonation; bending stress

1001-9731(2016)08-08232-07

國家自然科學基金資助項目(51278403)；教育部創新團隊發展計劃資助項目(IRT13089)

2015-05-12

2016-03-16 通訊作者：牛荻濤，E-mail: niuditao@163.com

王家濱(1986-)，男，河南新鄉人，在讀博士，師承牛荻濤教授，從事混凝土結構耐久性研究。

TU528

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.042