長期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應

安 賽 何小軍 張立娟

(1.河北科技師范學院，河北 秦皇島 066004；2.石家莊鐵路職業技術學院，河北，石家莊 050041；3.河北建筑工程學院，河北 張家口，075000)

0 引 言

混凝土的抗碳化性能是當今國內外研究的熱點問題，同時也是影響其耐久性能的一個重要因素[1-2].隨著混凝土制備技術的不斷優化，水泥基復合材料的應用也日趨完善，粉煤灰及礦渣等優質礦物摻合料逐漸成為混凝土的重要組成部分[3].粉煤灰的摻入可有效提高混凝土的工作性能，但過量的粉煤灰摻入，會對其抗碳化性能產生不利的影響，直接影響其耐久性，嚴重制約其在工程中的廣泛使用.

實際工程中混凝土結構大多處于各種環境荷載約束狀態下進行工作，在不同的環境荷載及荷載形式的作用下，混凝土結構的抗碳化性能不盡相同[4-6].研究表明，長期荷載作用會使混凝土密實性增強，降低混凝土的碳化速率，在長期荷載作用后進行卸載，則會增加混凝土的碳化速率，降低其抗碳化性能[7].疲勞動載荷作用下，可使混凝土結構內部產生裂紋甚至斷裂，增大其損傷程度，降低混凝土的抗碳化性能[8-9].目前基于單一規格混凝土試件碳化性能的研究比較常見，關于多規格尺寸混凝土的抗碳化性能研究尚少，而混凝土的尺寸效應亦會對其抗碳化性能產生一定的影響[10-12].幾何尺寸不同的試件在相近條件下其碳化深度相差較大[12]，目前國內外學者雖進行了相關混凝土尺寸效應的研究工作，但主要集中于混凝土尺寸效應對其力學性能的影響[13-15]，對于粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應研究較少.

綜合以上分析可知，對于長期壓應力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效應還鮮有研究，而工程實際中混凝土結構大多處于受壓狀態，且不同位置的混凝土由于尺寸大小不一，這將會對其抗碳化性能產生重要影響.目前實驗室中研究荷載作用下混凝土的抗碳化性能多采用的試件尺寸是40 mm×40 mm×160 mm、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和100 mm×100 mm×400 mm三種[16-17].本文的試驗研究中，采用40 mm×40 mm×160 mm(以下稱為小試件)、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm(以下稱為中試件)和100 mm×100 mm×400 mm(以下稱為大試件)三種規格的混凝土試件，水膠比采用0.45，粉煤灰礦物摻合料的摻量分別為0、30%、60%(等質量分數)，在養護溫度為(20±2)℃，相對濕度為(70±5)%，CO2濃度為(20±3)%(體積分數)的環境下養護28d，研究空載與加載兩類混凝土試件，放置于溫度(20±2)℃，相對濕度(60±5)%，3 a齡期的快速碳化規律，并基于粉煤灰混凝土的工作性能，分析了其在3 a壓應力作用下抗碳化性的尺寸效應，以期為實際工程應用提供可靠依據.

1 實 驗

1.1 原材料

P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，秦皇島市淺野水泥廠；Ⅰ級粉煤灰，秦皇島市熱電廠；天然河砂(細骨料)，其表觀密度為2650 kg/m3，細度模數2.9；破碎石灰石(粗骨料)，粒徑為5～20 mm(其中5～10 mm與10～16 mm的碎石質量比為7:3)，其表觀密度為2660 kg/m3；聚羧酸高性能減水劑，減水率≥30%；拌合水使用自來水.

表1 水泥和粉煤灰材料的參數

*LOI=loss on ignition

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土試件制備及快速碳化試驗

采用不同的配合比(如表2)，混凝土試件成型尺寸為三種規格：40 mm×40 mm×160 mm、70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和100 mm×100 mm×400 mm，每組配合比中三種規格的試件各成型11個，分別用于軸壓測試和抗碳化性能試驗.所有試件經標準養護28 d后，用加熱的石蠟予以密封，密封時摻量為60%的粉煤灰混凝土試件預留一個側面，其余試件均預留兩個相對的側面，其它面均用石蠟密封.每組中取2個密封完成的試件進行干養護至3 a齡期，取6個試件分別以33%的應力水平在加載裝置下進行加載至3 a齡期，達到預定齡期后停止養護.在進行快速碳化試驗之前，由于試件已經經過了3 a的養護，因此應先測試每組混凝土試件的初始碳化深度(加載著的大、中、小試件各卸載兩個進行測量)，在標準碳化箱中(溫度為(20±2)℃，CO2濃度為(20±3)%(體積分數)，相對濕度為(70±5)%)放置3 a齡期空載試件以及帶有加載裝置的3 a齡期加載試件，開展快速碳化試驗.達到預定碳化時間(空載試件為3 d，7 d，14 d，28 d；加載試件為7 d、28 d)后取出試件，對于加載的試件預先進行卸載，借助壓力試驗機從預定位置劈裂，采用濃度為1%的酚酞試劑進行碳化深度測試，測試時從測試面邊緣每隔10 mm測試一次，取其算術平均值作為最終的碳化深度.碳化深度測試完成后，將未加載的試件劈裂面密封后重新放回碳化箱內繼續碳化至下一個測試時間，對于加載的試件則不再放回.

表2 混凝土配合比

1.2.2 試件加載

從各組配合比中取大、中、小三類各3個經標準養護28 d后的試件進行軸心抗壓強度測試，其強度記為fc(見表2，用于加載試件的應力水平荷載控制).采用如圖1所示大、小四桿式彈簧壓縮加載實驗裝置(其中加載大、中試件均用大加載架)，參照國標GB/T50082-2009中描述的加載方法分別對大、中、小試件進行加載，荷載控制水平為其軸心抗壓強度的33%.加載完成后將試件放入恒溫恒濕環境下(溫度(20±2)℃，相對濕度(60±5)%)干養護至3 a齡期.

圖1 四桿式彈簧壓縮加載試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 分析方法

不同粉煤灰摻量條件下大、中、小混凝土試件空載與加載碳化至28 d各齡期碳化深度測試結果，如圖2所示.

(a)Large specimens (b)Medium specimens

(c)Small specimens

由圖2(a-c)可知：混凝土28 d的碳化深度隨粉煤灰摻量的不斷增加而增大；不同粉煤灰摻量條件下，3 a齡期加載與空載大、中、小試件初始碳化深度均存在一定的差異，由于前期的自然碳化層對后期碳化深度的發展有抑制作用，若僅以碳化深度的絕對值表征3 a壓應力下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應，其結果分析將不夠準確[7]，因此，本文中提出采用碳化深度的增加值，表征3 a齡期壓應力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應.雖然不同配合比混凝土之間的前期自然碳化層厚度差別較大，但對同一配合比而言，前期自然碳化層厚度差別較小，并不影響分析長期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應.

2.2 長期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應

由圖2分析可知：各粉煤灰摻量條件下3 a齡期空載與加載大試件各齡期碳化深度均高于3 a齡期中、小試件，且中試件的碳化深度略高于小試件，分析表明隨著混凝土尺寸的增大，混凝土各齡期碳化深度也在不斷增大，由于在小尺寸試件周圍有大的石子，外露的石子在混凝土試件的外層形成堅硬的殼體，延緩了混凝土碳化的進程，起到壁壘的作用[10].

通過對混凝土碳化數據的處理分析，得出3 a齡期加載與空載大、中、小試件28 d碳化深度的增加值，如圖3所示.

(a)Large specimens (b)Medium specimens

(c)Small specimens

由圖3(a-c)可知：各類試件加載碳化至28 d碳化深度增加值均要小于空載試件28 d碳化深度增加值，表明3 a齡期壓應力作用可減緩粉煤灰混凝土的碳化進程[18-20].對于小試件而言，3 a壓應力作用對其抗碳化性能影響較大；而對于大試件，3 a壓應力作用對其抗碳化性能的影響則不明顯；對于中試件，3 a壓應力作用對其抗碳化性能影響程度介于大小試件之間.

2.3 長期荷載作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能尺寸效應的定量分析

為更準確的表征長期荷載作用下粉煤灰混凝土的抗碳化性能的尺寸效應，立足定量分析的角度，特定義如式(1)、(2)所示尺寸效應系數L1、L2(以下稱為L1值、L2值)，以此對其進行定量表征.L值越大，3 a齡期壓應力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應越明顯.

L1=(M1-M2)/M1

(1)

L2=(M1-M3)/M1

(2)

式中：M1為3 a齡期空載與加載大試件28 d碳化深度增加值，mm；M2為3 a齡期空載與加載中試件28 d碳化深度增加值，mm；M3為3 a齡期空載與加載小試件28 d碳化深度增加值，mm.

通過對大、中、小混凝土試件碳化數據的處理分析，得到不同粉煤灰摻量條件下混凝土碳化深度的L1、L2值，如表3和表4所示.

表3 不同粉煤灰摻量條件下的L1值

表4 不同粉煤灰摻量條件下的L2值

由表3和表4分析發現：3 a壓應力作用下混凝土的L1、L2值均高于3 a齡期空載試件，這表明，3 a壓應力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應更為明顯；對于不摻粉煤灰混凝土，3 a壓應力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效應與3 a齡期空載混凝土相差不大；對于粉煤灰混凝土，3 a齡期壓應力作用及3 a齡期空載條件下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應系數隨著粉煤灰摻量的增加而降低，但兩者L值的比值基本保持不變，這表明在研究荷載作用對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響時可以用小試件代替大試件進行試驗，但應注意尺寸效應系數的影響.當水膠比為0.45，粉煤灰摻量為30%和60%時，3 a壓應力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應系數分別為3 a齡期空載試件的1.32倍與1.33倍.

3 結 論

通過研究3 a齡期壓應力作用下各尺寸規格粉煤灰混凝土試件的快速碳化規律，可以得出如下結論：

1)長期荷載作用可減緩粉煤灰混凝土的碳化進程，對于小試件，3 a壓應力作用對其抗碳化性能影響較大，而對于大試件，3 a壓應力作用對其抗碳化性能的影響則不明顯，中試件介于大小試件之間.

2)對于不摻粉煤灰混凝土，3 a壓應力作用下混凝土抗碳化性能的尺寸效應與3 a齡期空載混凝土相差不大；而當粉煤灰摻量為30%和60%時，3 a壓應力作用下粉煤灰混凝土抗碳化性能的尺寸效應系數分別是3 a齡期空載試件的1.32與1.33倍.

3)在研究荷載作用對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響時，可采用小試件來模擬大試件的抗碳化性能，但應注意尺寸效應系數的影響.