應力狀態對RC梁混凝土碳化損傷及承載力的影響

姚國文, 劉汶朋, 邸小勇, 蔣俊彥, 王雅倩, 鐘浩

(1.重慶交通大學山區橋梁及隧道工程國家重點試驗室, 重慶 400074; 2.重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400074;3.重慶高速公路集團有限公司, 重慶 401121; 4.重慶高速工程顧問有限公司, 重慶 401120)

鋼筋混凝土(reinforced concrete, RC)構件的碳化是由于混凝土水化作用產生了大量孔隙,空氣中的二氧化碳通過孔隙進入混凝土,并與其發生中和作用。混凝土碳化容易鋼筋銹蝕[1],導致鋼筋混凝土構件的混凝土強度降低,從而引起承載力的降低,導致鋼筋混凝土結構的使用期限大大縮短[2];當混凝土碳化深度超過了保護層至鋼筋表面時,空氣中的水和氧氣進入結構內部,使鋼筋銹蝕膨脹,造成保護層混凝土開裂和脫落,破壞了鋼筋混凝土之間的粘結作用,使鋼筋混凝土構件承載能力下降,影響構件的耐久性。因此,橋梁在服役過程中,受環境的影響發生碳化反應,不僅使混凝土強度下降,影響構件承載力,而且會加快構件中鋼筋的銹蝕,對橋梁使用壽命影響巨大[3],橋梁結構的安全將無法得到保證,導致橋梁結構在未達到設計服役年限便出現一系列耐久性問題[4]。

近年來,中外很多學者已經對混凝土碳化問題展開了研究[5]。例如,孫彬等[6]根據混凝土長觀試件的碳化深度,在試驗室進行加速碳化試驗。其研究表明:采用28 d齡期的混凝土試件加速碳化試驗的結果,是比較保守的方法。許崇法等[7]采用室內模擬酸雨侵蝕、碳化對混凝土試件進行了室內快速劣化試驗,探討了綜合多因素作用下混凝土構件的中性化規律及其耦合效應。得出混凝土碳化深度與拉、壓應力相關。李剛[8]開展了人工環境模擬侵蝕試驗,主要探討了多種因素耦合作用下混凝土抗彎、抗剪承載力的變化規律。其結果表明:隨著鋼筋銹蝕程度的增加,其抗彎承載力和抗剪承載力下降、剛度減小;抗彎、抗剪的相對極限強度與銹蝕率呈線性相關。唐官保等[9]在Fick第一定律的基礎上,提出了一種基于氣體滲透系數的混凝土碳化深度預測模型。結果表明:此模型可應用于混凝土在荷載作用下的碳化深度預測,但對碳化環境與荷載耦合下鋼筋混凝土構件的碳化深度研究較少。同時,荷載作用是影響鋼筋混凝土構件碳化深度的重要因素,然而多數學者單一地研究混凝土碳化的影響,對碳化環境與荷載耦合作用下鋼筋混凝土的極限承載力性能研究尤其少。

鑒于此,現通過開展鋼筋混凝土梁的加速碳化試驗,分析不同碳化時間下,RC梁在碳化環境和荷載共同作用條件下的破壞過程。通過對不同碳化時期的RC梁進行加載試驗,得到不同碳化時間下的裂縫及極限承載力,并對荷載作用下受壓區、受拉區碳化深度進行分析。

1 試驗概況

1.1 試驗試樣制作

根據《結構設計原理》[10]對鋼筋混凝土構件的設計要求,共制作了7根100 mm×200 mm×1 850 mm的鋼筋混凝土梁,使其滿足試驗加載的要求。箍筋為HPB400光圓鋼筋,其直徑取8 mm;縱向主筋為HRB400帶肋鋼筋,其直徑取10 mm。對RC梁進行構件設計,使鋼筋混凝土梁布筋滿足適筋梁設計規范[11]的要求。鋼筋混凝土梁構件的具體配筋示意圖如圖1所示。

圖1 梁的鋼筋構造圖[12]Fig.1 Reinforcement diagram of beam[12]

1.2 試驗方案與測試內容

1.2.1 碳化試驗

將已經制作完成的7根梁分組,編號為梁L0、梁L7、梁L7+、梁L14、梁L14+、梁L28、梁L28+,每根梁在碳化環境與荷載共同作用下進行加速碳化試驗。本次加速碳化實驗的CO2濃度為15%,在該濃度下加速碳化1 d約為自然碳化1 a,加速碳化實驗中,溫度、濕度作用時間如表1所示。

表1 加速試驗溫度區間作用時間[12]Table 1 Accelerated test temperature range action time[12]

通過將梁L0直接進行承載能力試驗確定其極限承載能力(Pu=45.6 kN),故將梁L0的極限承載強度Pu作為這批試驗梁的極限破壞基準值。用艙室內的作動器,分別對編號為梁L7+、梁L14+、梁L28+的試驗梁施加0.5 Pu的靜力荷載,并將其與相對應未加力梁編號為梁L7、梁L14、梁L28的作為一組對照。將除梁L0外其余6根梁置于環境箱內,進行為期7 d、14 d、28 d的加速碳化試驗、加速碳化與荷載耦合作用試驗[12]。探討不同碳化時間、不同應力狀態對混凝土碳化深度和RC梁極限承載力的影響規律。試驗梁的碳化時間和持荷荷載如表2所示。

表2 試驗梁分組[12]Table 2 Test beam grouping[12]

1.2.2 加載準備工作

將碳化試驗后的試驗梁表面噴繪成網格狀,以便于觀察試驗梁的裂縫。打磨梁底部和梁側面中心處,在每個面用AB膠粘貼放置2個應變片,并在測試期間使用靜態應變采集器采集混凝土應變。將試驗梁靜置12 h,待應變片連接牢固無損后,進行試驗梁的極限承載能力試驗。其中,用裂縫寬度觀測儀測量裂縫的寬度。加載試驗前準備工作儀器如圖2所示。

圖2 試驗前準備[8]Fig.2 Preparation before the test[8]

1.2.3 三點彎曲試驗

分批取出環境箱內7 d、14 d、28 d加速碳化試驗、加速碳化與荷載耦合作用試驗后的RC梁,開展三點彎曲試驗,加載試驗采用電液伺服加載裝置進行,選用50 t噸位作動器進行加載,如圖3所示。利用加載裝置的操作系統,對荷載和位移進行記錄,由操作系統導出二者的對應關系,并繪出荷載-位移圖進行分析。

圖3 電液伺服加載裝置Fig.3 Electra-hydraulic servo loading device

試驗梁的加載是由位移控制加載速度進行加載的,具體可劃分為3個階段:第一階段為加載開始到試驗梁出現裂縫,為了得到精確的開裂荷載,每級加載為0.2 mm,直至梁體出現肉眼可見的裂縫;第二階段每級加載0.4 mm,第三階段每級加載0.6 mm,直至試驗梁完全失去承載能力。

2 RC梁試驗結果分析

2.1 試件外貌特征

經荷載與碳化環境耦合作用,可明顯看出碳化時間較長的試件較早發生破壞,作動器施加0.5 Pu靜力荷載的試件,比未持荷試驗梁更早發生破壞。通過對本次試驗梁觀察分析可知:①裂縫是表征試驗梁損傷的形式;②試件出現第一道裂縫及試件跨中裂縫密集發生塑性破壞的現象,均與碳化時間、持荷狀態有關,這是因為碳化時間越長,二氧化碳沿孔隙越深入混凝土,碳化程度越深;而荷載的施加使得梁體產生微小裂縫,令CO2等不利的物質進入混凝土內部更便捷[13],在梁體內部發生碳化反應,引起鋼筋的銹脹和混凝土強度的下降;③碳化深度、極限承載力是表征試驗梁耐久性的決定性因素。碳化深度較淺時,越不易影響試驗梁內部混凝土強度,試驗梁極限承載力越大。反之,碳化深度較深,混凝土強度下降,影響構件耐久性,極限承載力越小,試驗梁越易出現跨中密集裂縫,引起適筋梁的塑性破壞。

2.2 測試內容指標

2.2.1 破壞模式

荷載的大小必然影響混凝土碳化的深度和速率[14],對碳化不同時間的試驗梁進行加載破壞試驗,以位移為控制點,由作動器向下移動的位移來反應施加在試驗梁上的力。通過對比分析持載與未持載的破壞模式,可發現兩種加載方式下主要呈現出斜壓破壞,當試驗中持續受載達到某一荷載值時,梁體出現斜裂縫,梁腹部均出現若干條相對平行的裂縫。值得注意的是持載相比于未持載梁體的平行裂紋較為稀疏,且達到相同裂紋數所需荷載更小。隨著荷載逐漸增加,裂縫延伸至梁頂作用點,試驗梁跨中裂縫密集發生塑性破壞,將該荷載值作為試驗梁的極限承載力。此時梁體加載后的裂縫如圖4所示。

圖4 典型試驗梁加載后裂縫圖[8]Fig.4 Crack diagram of typical test beam after loading[8]

表3為試驗梁極限承載力結果,由表3可知隨著碳化時間增加,試驗梁加載后產生裂縫更集中,鋼筋銹蝕、極限承載力衰減。

表3 試驗梁極限承載力結果[12]Table 3 Test beam ultimate bearing capacity results[12]

2.2.2 極限承載力

加載破壞試驗后,試驗梁跨中裂縫密集達到塑性破壞,此時所受的荷載是該試驗梁的極限承載力。得到試驗梁極限承載力結果如圖5所示。

圖5 試驗梁極限承載力結果[12]Fig.5 Test beam ultimate bearing capacity results[12]

未持荷狀態下,隨著碳化時間增加,極限承載力逐漸衰減。未持荷狀態下,碳化7 d的極限承載力比未碳化時衰減了5.0%,碳化14 d的極限承載力比未碳化時衰減了7.7%,碳化28 d的極限承載力比未碳化時衰減了10.7%。持荷狀態下,隨著碳化時間的增加,極限承載力衰減更明顯。持荷狀態下,碳化7 d的極限承載力比未碳化時衰減了7.5%,碳化14 d的極限承載力比未碳化時衰減了10.7%,碳化28 d的極限承載力比未碳化時衰減了14.9%。荷載與碳化環境共同作用下,處于相同碳化時間的試驗梁,持荷狀態下的極限承載力比未持荷時衰減更明顯。碳化7 d時,持荷狀態下極限承載力比未持荷狀態下衰減2.5%;碳化14 d時,持荷狀態下極限承載力比未持荷狀態下衰減3.1%;碳化28 d時,持荷狀態下極限承載力比未持荷狀態下衰減4.7%。

綜上所述,在加載到相同荷載時,隨著碳化時間的增加,RC梁極限承載力逐漸衰減,衰減程度加劇,且極限承載力衰減的速度逐漸變慢。碳化時間保持不變時,持荷狀態下的極限承載力較差,極限承載力衰減得更快。荷載耦合作用下,不同碳化時間的極限承載力之間的差值更大。荷載耦合作用對試驗梁極限承載力之間差值的影響,會隨碳化時間的增加,逐漸增大。這是因為荷載耦合下,梁體產生細小裂縫,梁體的碳化反應較大,且碳化程度較高,脆性增加[15],最終導致混凝土強度下降和鋼筋的銹蝕,從而對極限承載力造成一定的影響。在碳化反應的后期,梁體中形成了大量的碳化物,阻塞了梁體中的一些細小的孔隙,導致進入梁體的CO2、O2、H2O減少,反應速率逐漸降低,進而減緩極限承載力下降的速度。

2.2.3 荷載-位移關系

通過加載試驗中電液伺服加載裝置,記錄繪制荷載-位移如圖6所示。

圖6 荷載-位移圖[12]Fig.6 Load-displacement diagram[12]

由圖6可知,隨著位移持續增加,荷載先迅速增加再較緩增加,增加速度逐漸減緩,當荷載達到極限承載力后,位移增大時,荷載開始減小。相同碳化時間,持荷狀態的荷載峰值小于未持荷狀態,即極限承載力更差[16]。持荷狀態比未持荷狀態下曲線間的空白更大,差距更明顯,碳化程度對極限承載力的影響更大。隨著碳化時間增加,荷載變化幅度越小,試驗梁荷載的峰值隨碳化時間的延長而減小。相同荷載下,位移的跨度隨時間漸漸變大。

2.2.4 荷載-應變關系

碳化試驗后,粘貼應變片進行加載試驗如圖2所示,記錄應變片斷裂前數據。由于有、無荷載耦合時,應變的變化趨勢基本一致,故試驗選取碳化環境與荷載耦合下的數據進行,截取局部荷載對應有應變值的位置作圖7分析。

圖7 荷載-應變圖[12]Fig.7 Load-strain diagram[12]

側面應變在初期荷載增加時,應變保持不變,后期荷載增加,應變增加。荷載和應變在應變達1 700時不再增大。側面應變與梁體開裂狀況密切相關。在梁體開始觀測到裂縫的情況下,應變近似為零,在荷載達到開裂荷載后,應變發生急劇變化,應變隨著荷載的增加而增加,開裂裂縫接近應變片時,應變片出現斷裂后破壞。

底面應變隨著荷載的增加而增加,當達到一定數值時,應變就會停止,底面應變與所施加荷載相關。作用在梁體上的荷載,使其向下彎曲,梁體在碳化環境與荷載耦合作用下底面應變片產生拉應力,因此應變片開始就有數據,而且還在不斷增加。在荷載達到某一值后,底部會出現裂縫,從而引起應變片的斷裂,應變過載。

2.2.5 碳化深度分析

對梁體受壓部位的定義為對試件進行碳化和荷載耦合作用情況時,作動器對梁體直接完成加載的部位;受拉部位通常是指與其受壓部位相對應的部位,即受壓部位的正下方區域。

分別把做完承載能力測試后的7根試驗梁L0、梁L7、梁L7+、梁L14、梁L14+、梁L28、梁L28+的受拉部位和受壓部位全部鑿開。鑿至足夠深度后,用滴定百分之一濃度的酚酞乙醇溶液于斷面上,靜置約1 min,再利用酚酞溶液遇堿后變紫色現象來測量試驗柱的碳化情況,其中紫色區域即為未碳化區域,而不變色的區域即為已碳化區域,之間有一個明確的界線,利用數顯游標卡尺對梁體表面到界線的距離長度進行計量,得到的受拉、受壓區碳化深度[17],如圖8所示。

圖8 典型碳化深度實測圖[12]Fig.8 Typical measured carbonation depth measured map[12]

不同碳化時間的碳化深度及有、無持荷下碳化深度增長對比如圖9和表4所示。

表4 不同碳化時間荷載作用部位碳化深度[12]Table 4 The carbonation depth of the loading position with different carbonation time

圖9 不同應力區碳化深度對比圖[12]Fig.9 Comparison chart of carbonation depth in different stress areas[12]

綜上可知,碳化深度隨碳化時間的延長而增加[18],在初期碳化深度增大的速度較快,到了后期則較緩慢。荷載耦合下,試驗梁受壓應力區的碳化深度增加緩慢,受拉應力區的碳化深度增長速度增加[19]。在相同的碳化時間下,受壓區的碳化深度較小,受拉區的碳化深度較大,同樣的碳化時間增量,在受壓區的碳化深度增加速度較慢,而在受拉區的碳化深度增加得較快[8]。

在混凝土加速碳化試驗中,荷載作用對混凝土碳化反應的影響隨時間延長而降低。這是由于在受壓應力區,混凝土中的孔隙減小,碳化反應速度變慢,導致受壓區碳化反應的影響隨時間延長而降低。在受拉應力區,由于混凝土中的孔隙較大,碳化反應速度加快,因此,隨著碳化物含量的增大,混凝土中的孔隙被堵塞,最終導致受拉區碳化反應的影響隨時間延長而降低。

3 應力狀態對混凝土損傷的影響機制

試驗梁在加載時受到拉壓區中應力的影響,使其內部的孔隙減少或增加,從而對碳化反應產生影響。當分析受壓、受拉部位的碳化深度時,需考慮時間的影響。建立加速碳化環境和碳化環境與荷載耦合下碳化深度的關系式描述碳化時間對碳化深度的影響,本文研究引進壓應力影響系數kc,拉應力影響系數kt建立公式為

Xc=kcX0

(1)

Xt=ktX0

(2)

式中:Xc為荷載下梁體受壓區的碳化深度;kc為受壓應力部位的影響系數;X0為無荷載下梁體的碳化深度;Xt為受荷載下梁體受拉區的碳化深度;kt為受拉應力部位的影響系數。

若要找到時間對碳化程度的影響情況,需先確定受壓應力部位的影響系數kc和受拉應力部位的影響系數kt[20]。在試驗梁體的受壓區,荷載耦合作用對碳化深度增量的抑制作用,隨碳化時間的延長而減小;而在試驗梁體的受拉區,荷載耦合作用對碳化深度增量的促進作用,隨碳化時間的延長而減小。不同碳化時間下,荷載作用下受壓區、受拉區碳化深度改變程度,如表5所示。

表5 不同碳化時間下荷載對碳化深度的影響Table 5 Effect of load on carbonation depth under different carbonation time

由表5可知,梁體在受壓應力區的碳化深度降低,這是因為梁體在承受荷載時,其內部的部分孔隙充滿了碳酸鈣,另一部分孔隙則因荷載而減少,導致梁體在有壓應力情況下的碳化深度變小;在受拉應力區,梁體的碳化深度增加是因為在梁體受到荷載時,梁體在承受荷載時會出現大量的孔隙,即使在產生碳酸鈣的情況下,其受拉區的碳化深度仍然大于正常梁。通過對已知點進行線性分析,得到應力產生的影響系數與碳化時間的關系擬合圖如圖10所示。

圖10 影響系數直線擬合圖Fig.10 Influence coefficient straight line fitting diagram

其相關系數R2=0.99及R2=0.98說明影響系數kc、kt與碳化時間的線性相關程度高,由圖10可直接計算得碳化時間與碳化深度影響系數的關系式為

kc=0.001 62t+0.809

(3)

kt=-0.003 11t+1.249

(4)

將式(3)代入式(1),將式(4)代入式(2),得到荷載為0.5 Pu試驗梁受壓區、受拉區的碳化深度與碳化時間的關系式為

Xc=(0.001 62t+0.809)X0

(5)

Xt=(-0.003 11t+1.249)X0

(6)

綜上可知,荷載耦合作用對碳化深度影響顯著,并隨著碳化時間的增加,對碳化深度改變程度越來越小,逐漸靠近未持荷的碳化深度的增長速度。

4 碳化深度對RC梁承載力的影響機制

混凝土強度下降直接影響RC梁的極限承載力,而碳化深度是影響混凝土強度的重要因素之一。根據李夢冉等[21]給出的試驗數據可知:在相同外部條件下,隨著混凝土碳化程度的加重,兩組混凝土強度分別降低了22.8%和17.0%。本文研究進行的加速碳化試驗也證實了這一點:在加速碳化環境作用28 d后的極限承載力比未碳化時衰減了10.7%;碳化環境與荷載耦合作用28 d后的極限承載力比未碳化時衰減了14.9%。

根據本文極限承載力的實驗結果,分析碳化深度對承載力的影響。隨著碳化時間的增加,碳化深度不斷增加[22],承載力逐漸衰減。可得碳化深度與極限承載力的關系如圖11所示。

圖11 加速碳化環境作用下碳化深度-承載力圖Fig.11 Carbonation depth-bearing capacity diagram under accelerated carbonation environment

其相關系數R2=0.99,說明兩者的線性相關程度高,由圖11可直接計算得碳化深度與承載力關系式為

P0=-0.81X0+49.68

(7)

考慮荷載耦合對承載力的影響,建立一個施加0.5 Pu靜力荷載后產生的影響系數kp表示為

P0.5=kpP0

(8)

式(8)中:P0.5為荷載耦合作用下梁體的極限承載力;kp為荷載影響系數;P0為加速碳化環境下梁體的極限承載力。

若要找到時間對極限承載力的影響情況,需先確定荷載影響系數kp。在碳化與荷載耦合作用下,極限承載力隨碳化時間的延長而減小。不同碳化時間下,極限承載力的改變程度,如表6所示。

表6 不同碳化時間承載力抑制系數Table 6 Inhibition coefficient of bearing capacity at different carbonation time

根據影響系數可以看出,隨著碳化時間的增加,極限承載力衰減程度加劇。通過對已知點進行線性擬合,得到在荷載耦合下的碳化時間對極限承載力關系如圖12所示。

圖12 影響系數直線擬合圖Fig.12 Influence coefficient straight line fitting diagram

其相關系數R2=0.99,說明兩者的線性相關程度高,所得到的促進系數kp可靠程度越大,由圖12可計算得影響系數與承載力關系式為

kp=0.001 03t+0.98

(9)

將式(9)代入式(7)可得施加0.5 Pu靜力荷載的極限承載力與未持荷的極限承載力關系式為

P0.5=(-0.001 03t+0.98)P0

(10)

將式(7)代入式(10),可得到碳化環境與荷載耦合下試驗梁承載力的計算公式為

P0.5=(-0.81X0+49.68)(-0.001 03t+0.98)=0.000 83X0t-0.80X0-0.05t+48.81

(11)

綜上可知,由于碳化時間增加導致碳化程度增加,而碳化深度會導致混凝土內部鋼筋銹蝕,嚴重影響服役壽命[23],最終導致極限承載力下降;試驗梁的破壞形式主要為受拉破壞,荷載耦合下受拉區的碳化時間增加,碳化程度加劇,對混凝土強度的影響更嚴重,因此極限承載力下降更明顯。

5 結論

通過對RC梁在荷載耦合作用下的加速碳化試驗進行了研究,得出以下結論。

(1)對加速碳化7、14、28 d后的RC梁開展了三點彎曲試驗,結果表明:混凝土碳化損傷會影響抗壓強度,加速鋼筋銹蝕,導致RC梁的極限承載力下降,加速碳化7、14、28 d后RC梁的極限承載力分別下降了5.0%、7.7%、10.7%。

(2)對加速碳化與荷載耦合作用7、14、28 d后的RC梁開展了三點彎曲試驗,結果表明:荷載耦合作用加速了混凝土受拉區域的碳化損傷,兩者耦合作用加劇了RC梁的極限承載力下降,加速碳化與荷載耦合作用7、14、28 d后RC梁的極限承載力分別下降了7.5%、10.7%、14.9%。

(3)對加速碳化與荷載耦合作用7、14、28 d后的RC梁受壓、受拉區混凝土碳化深度進行檢測分析,發現拉應力狀態會加劇混凝土碳化損傷,壓應力狀態會延緩混凝土碳化損傷,7、14、28 d加速碳化與荷載耦合作用后RC梁受拉區混凝土碳化深度分別為受壓區的1.5倍、1.44倍、1.36倍。進一步建立了混凝土受壓、受拉部位的碳化深度與碳化時間、極限承載力之間的關系。