混凝土裂縫處碳化深度計算模型

田穩苓+常翔宇+王浩宇+余建福

摘 要：普通鋼筋混凝土結構一般都是帶裂縫工作，裂縫的存在會使CO2更易侵入混凝土內部，加速混凝土的碳化，對結構的耐久性不利。結合已有研究成果，定義了裂縫對混凝土碳化的影響系數γc，通過對預制裂縫的砂漿及混凝土試件進行碳化試驗，分析了水灰比、碳化時間、環境相對濕度、裂縫寬度、裂縫深度對γc的影響，得出裂縫處混凝土碳化深度計算模型，并通過實際工程進行了驗證。結果表明，裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm時，模型均適用，且橋梁運營時間對γc影響不顯著。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構；裂縫；碳化；計算模型

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2017）05-0071-08

Abstract：Reinforced concrete structures generally work with cracks. Base on the studies at home and abroad， a crack influence coefficient about concrete carbonation γc， is defined. Mortar and concrete specimens with prefabricated cracks have been made for carbonation test. And the effect of water cement ratio， carbonation time， environment relative humidity， crack width， crack depth on γc is analyzed. A calculation model about carbonation depth in concrete cracks is obtained. Actual projects have been implemented to validate the model. It is shown that the model is applicable when the width of cracks in the range of 0.06～0.7 mm， and the bridge operation time have no significant effect on γc.

Keywords：reinforced concrete structures； crack； carbonation； calculation model

普通鋼筋混凝土結構一般都是帶裂縫工作，裂縫的存在，使CO2更易進入混凝土內部，導致裂縫處混凝土碳化深度加大，從而過早誘發鋼筋的銹蝕，造成結構耐久性下降。對混凝土的碳化研究已較為成熟[1-5]，但對帶裂縫混凝土的碳化研究較少，雷濤[6]通過研究不同裂縫寬度混凝土試件在干燥環境（環境相對濕度20%）下碳化后裂縫處的碳化深度發現，在干燥環境下，開裂混凝土沿著裂縫壁發生碳化反應，碳化深度會直達裂縫前端，碳化深度與裂縫寬度關系不大。劉欣等[7]結合試驗，分析了鋼筋混凝土結構細微裂縫（0.10～0.20 mm）對碳化深度和鋼筋銹蝕的影響，得出微裂縫處的碳化深度是非裂縫處碳化深度的1.4～1.8倍。Ann等[8]對橋梁墩柱上不同損傷程度的混凝土進行碳化深度測試，發現當混凝土裂縫寬度為0.10～0.20 mm時，裂縫處混凝土碳化深度大約是非裂縫處碳化深度的2.12倍。金祖權等[9]通過三點彎曲使混凝土試件產生裂縫，發現當裂縫寬度小于0.07 mm時，裂縫寬度對混凝土裂縫處碳化深度影響不大；當裂縫寬度大于0.07 mm時，碳化深度隨裂縫寬度增加而呈二次函數增加。Zhang等[10]通過凍融循環使混凝土產生裂縫，發現當裂縫寬度在0～0.10 mm時，碳化深度隨裂縫寬度增加而快速增加，當裂縫寬度超過0.10 mm時，碳化深度隨裂縫寬度的變化量很小。學者們采用不同的實驗方法，研究了相對濕度和裂縫寬度對碳化深度的影響，朱元祥等[11]對帶裂縫混凝土碳化深度進行了理論分析，建立了裂縫處混凝土碳化深度的隨機過程模型，但該模型僅考慮了基于概率的碳化速度經驗系數及裂縫寬度，且其中的經驗系數是由特定條件下的試驗結果統計所得，不適用于條件變化的實際工程。筆者借鑒Jiang等[12]建立的疲勞損傷混凝土碳化模型，提出了裂縫對混凝土碳化的影響系數γc，在室內試驗基礎上，系統分析了水灰比、碳化時間、環境相對濕度、裂縫寬度、裂縫深度對γc的影響，建立了綜合考慮環境相對濕度、裂縫寬度、裂縫深度的裂縫處混凝土碳化深度計算模型，并通過實際工程進行了驗證。結果表明，模型計算結果與工程實際吻合良好，模型可用于帶裂縫混凝土結構的壽命預測。

1 裂縫處碳化模型形式的確定

Jiang等[12]認為疲勞損傷混凝土的碳化深度取決于CO2在未損傷混凝土和裂縫中的擴散系數，并在Papadakis碳化模型基礎上，結合混凝土梁疲勞損傷后的碳化試驗結果，建立了疲勞損傷混凝土的碳化模型

通過預置薄片法在砂漿和混凝土試件中預制裂縫。首先，將薄鋼片固定在模板中，再拌制砂漿或混凝土，拆模后標準養護28 d，在混凝土養護結束后，借助電子萬能試驗機將薄片緩緩拔出。通過改變薄鋼片的厚度、寬度來控制預制裂縫的寬度、深度。砂漿試件裂縫寬0.2 mm，裂縫深40 mm，水灰比為0.4、0.5、0.6，碳化時間為3、7、14 d，共9組，每組3個試件，合計27個試件（見表3）。混凝土試件裂縫寬0.1、0.2、0.3mm，裂縫深10、20、30、40、50、60 mm，碳化時間為3 d，共18組，每組3個試件，合計54個試件（見表4）。

依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009），對各試件進行加速碳化試驗，在碳化箱內（濕度為70±5%）碳化至3、7、14 d時，取出試件，垂直于裂縫面切開，在切開面上噴灑質量分數1%酚酞酒精溶液，經30 s后，測量碳化深度。水灰比為0.6，碳化至14 d的單縫砂漿試件碳化圖如圖1（a）所示，裂縫寬度0.3 mm，深度60 mm，碳化至14 d的混凝土試件碳化圖如圖1（b）所示。endprint

3 各因素與γc之間的關系研究

3.1 W/C、T與γc之間的關系

運用SPSS軟件對表3中數據進行分析，當其他因素一定的條件下，W/C、T對γc影響顯著性水平α分別為0.831、0.571，即置信水平僅為0.169、0.429，裂縫處碳化深度未大于裂縫深度時，計算模型中可不考慮水灰比和碳化時間的影響。

3.2 w與γc之間的關系

根據表4數據，繪制不同dc時w與γc關系曲線和不同w時dc與γc關系曲線，如圖2、圖3所示。

3.3 dc與γc之間的關系

因裂縫內部幾乎無空氣流動，且由于裂縫壁的吸附作用，水分子較難擴散到外界空氣中，裂縫內的水分汽化比混凝土表面的水分汽化慢[12]。在混凝土中孔隙水不斷蒸發情況下，裂縫內保持較高相對濕度，甚至達到100%，在裂縫開口位置，因與外界環境的蒸氣壓差會形成濕度梯度。當環境相對濕度在50%～70%時，混凝土碳化速度最大，在當環境相對濕度接近100%時，混凝土碳化幾乎停止[13-14]。因此，存在一個臨界裂縫深度d0，當dc

雷濤[6]在濕度為20%的條件下，對帶裂縫混凝土進行了碳化試驗。當裂縫寬度大于0.13 mm、裂縫深度約66 mm時，裂縫尖端存在碳化痕跡，即當RH=20%時，d0≥66 mm。試驗濕度為70%，即當RH=70%時，d0=30 mm。因此，可以認為RH影響d0的值，簡化考慮兩者關系為

由表5可得γc計/γc試的平均值為1.001 1，標準差為0.025 1；γc朱/γc試的平均值為3.603 8，標準差為0.400 9。由圖4可明顯看出，通過朱元祥模型計算結果與試驗室預制裂縫碳化試驗結果偏差較大，是因為其考慮的因素較少，在此基礎上建立的概率模型很難適用于大多數情況；而本文模型綜合考慮多個因素，計算結果與試驗結果吻合程度較高。

5 計算模型的工程驗證

為驗證模型的可應用性，在不同地區、不同年份的混凝土橋梁主梁上選取了43條裂縫，裂縫分為正常受彎裂縫及預應力梁縱向裂縫2種類型。正常受彎裂縫為鋼筋混凝土梁在荷載作用下，跨中附近產生的正常受力裂縫，橋梁運營時即會出現；預應力梁縱向裂縫主要由于泊松效應等原因，在混凝土較薄弱位置產生，如后張預應力空心板梁空心位置、預應力箱梁波紋管位置，此類裂縫一般在橋梁運營前即會出現。因此，裂縫產生的時間與橋梁混凝土開始碳化的時間比較接近，不考慮其時間差的影響。

在裂縫位置及相同環境條件下同一片梁非裂縫位置借助內徑為5 cm的鉆芯機鉆取芯樣，裂縫位置芯樣鉆取的長度大于超聲波法測出的裂縫深度值，非裂縫位置芯樣鉆取5～10 cm。將芯樣上下各墊一根鋼筋，在壓力試驗機上劈裂，其中帶裂縫芯樣垂直于裂縫劈裂，如圖5（a）所示。劈裂前，可在兩側粘貼膠帶，防止出現所取芯樣強度低、骨料過多導致芯樣碎裂、難以拼裝等問題。將芯樣劈裂后，進行碳化深度測量，方法同第2節。芯樣測試情況如圖5（b）所示。根據本文模型及朱元祥模型，對各條裂縫的γc值進行計算，并與實測值進行對比，見表6。

由表6可知，43組試驗的γc計/γc測平均值為1.076 6，標準差為0.054 8，略大于表5中γc計/γc試的平均值1.001 1，可能是因為工程中裂縫為“V”形，且表面裂縫寬度與裂縫深度之間存在一定的相關性所致；γc朱/γc測平均值為1.746 9，標準差為0.640 0。通過SPSS軟件分析，橋梁運營時間（2016減去橋梁建成年份）對γc測影響顯著性水平α為0.665，即置信水平僅為0.335，故當Xc≤dc時，橋梁運營時間對γc影響不顯著。由圖6可見，工程實例裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm，本模型計算結果與試驗結果吻合程度較高，裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm。

6 結論

通過理論與試驗相結合的方法，定義并研究了與裂縫寬度、深度及環境相對濕度有關的裂縫對混凝土碳化的影響系數γc，得出了裂縫處碳化深度不大于裂縫深度，且裂縫寬度在0.1～0.3 mm范圍的裂縫處混凝土碳化深度計算模型。通過工程實例驗證，模型計算結果與實測值吻合程度較高。并得出以下結論：

1）水灰比、碳化時間對γc影響不顯著。

2）橋梁運營時間對γc影響不顯著。

3）試驗裂縫寬度范圍為0.1～0.3 mm，工程實例裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm，但提出的計算模型γc計算值與試驗實測值和工程實例實測值均吻合較好，模型裂縫寬度范圍為0.06～0.7 mm。參考文獻：

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（編輯 胡英奎）endprint