王 艷，牛荻濤，苗元耀，關 虓

（1. 西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安710055；2. 西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安710055）

目前混凝土耐久性研究通常只在“純”材料條件下進行，即只考慮材料自身與外部環(huán)境條件兩種因素，而忽視荷載的影響．但在實際服役過程中，混凝土結構上會承受各種不同類型的荷載，這些荷載往往會引起混凝土中微裂縫以及孔結構的改變，從而影響混凝土的耐久性能，未考慮荷載的耐久性研究都不能準確地反映實際情況．一些學者已經(jīng)開展了相關研究，探討了彎曲荷載對混凝土抗凍性能的影響[1-2]；彎曲荷載作用下混凝土在鹽湖環(huán)境中抗凍性能[3-6]；彎曲荷載、硫酸鎂腐蝕以及碳化對混凝土抗凍性的影響[7]；彎曲荷載對氯離子在混凝土中滲透規(guī)律的影響[8]；以及彎曲荷載作用下粉煤灰混凝土碳化性能與碳化模型[9-10]．通過這些研究可以看出，彎曲荷載對混凝土耐久性劣化起到加速作用，影響程度隨著荷載水平的加大而增加，對混凝土的碳化深度影響顯著[9]．

鋼纖維混凝土即向基體混凝土中摻加一定量的鋼纖維，在服役過程中混凝土中的鋼纖維能夠分擔部分拉應力，提高混凝土的抗拉性能與抗裂性能，并明顯改善基體混凝土的韌性．目前鋼纖維混凝土在工程中已逐漸推廣使用，它的耐久性能也漸漸引起人們的關注．通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，摻入適量鋼纖維能夠提高混凝土的抗碳化性[11-12]，抗凍性[13]，抗氯離子侵蝕性[14]，明顯改善彎曲荷載、化學腐蝕作用下混凝土的抗凍性[5]．摻入鋼纖維是否能夠影響荷載作用下混凝土的碳化性能，如何影響有待研究．本文開展彎曲荷載作用下鋼纖維混凝土的快速碳化試驗，研究鋼纖維摻量對荷載作用下混凝土碳化深度的影響規(guī)律，以及應力狀態(tài)、應力水平對鋼纖維混凝土碳化深度的影響規(guī)律．

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5R，秦嶺牌普通硅酸鹽水泥，基本性能見表1．鋼纖維：剪切波浪型，生產(chǎn)廠家重慶宜筑公司，長徑比為60（長30 mm，直徑0.5 mm），抗拉強度＞380 MPa．砂：中砂（細度模數(shù)2.7），西安灞河，含泥量約1.1%．碎石：粒徑5～20 mm，陜西涇陽縣，壓碎指標6%，無針片狀顆粒，含泥量0.3%．減水劑：高效減水劑，陜西瑞德建材科技有限責任公司．

1.2 配合比

試驗采用五種配合比，水膠比均為0.45，其中“PC”表示普通混凝土，“SFRC”表示鋼纖維混凝土，“-”后面的數(shù)字表示鋼纖維體積摻量，例如“SFRC-0.5”表示體積摻量為0.5%的鋼纖維混凝土，五種混凝土的鋼纖維體積摻量分別取0、0.5%、1%、1.5%、2%，各種混凝土具體配合比與28 d強度見表2．

表1 P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥Tab.1 P·O 42.5R Portland cement property

表2 鋼纖維混凝土配合比與28 d強度Tab.2 Mixing proportion and mechanical property of steel fiber reinforced concrete

1.3 加載裝置

本次試驗選取的是拉桿加載系統(tǒng)對構件施加彎曲荷載．加載裝置如圖1所示，利用應力扳手施加荷載．該加載裝置考慮了荷載精度和試驗過程的方便，優(yōu)點是加載方式簡單并能準確加載到需要的荷載，體積小、重量輕在試驗過程中搬運方便．但是在搬運的過程中會造成應力松弛，因此在每次搬運后需用應力扳手矯正施加的荷載以保證達到設計值．

圖1 彎曲荷載加載裝置圖示Fig.1 Flexural loading device

1.4 試驗方法

（1）試件尺寸：100 mm×100 mm×550 mm棱柱體，試件制作過程中在圖1所示的拉桿位置采用預埋PVC管的方式預留加載孔．

（2）已有的研究表明鋼纖維混凝土有較好的抗裂性能，本次試驗選取0、0.3、0.5、0.8倍4種彎曲應力水平．由于加載裝置是兩個一組，因此每種應力水平在每個碳化齡期考慮制作4個試件．碳化考慮3 d、7 d、14 d、28 d、56 d共5個齡期．

（3）參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T 50082-2009）中第十一章進行碳化試驗．碳化到齡期（3d、7d、14d、28d、56d）后取出試件，在純彎段位置內將試件沿橫向切開，分別測量拉區(qū)和壓區(qū)混凝土的碳化深度，試件在不同彎曲應力水平下的碳化深度最終取4個試件的平均值．

2 彎曲荷載水平對鋼纖維混凝土碳化深度影響規(guī)律

圖2 彎曲拉應力對SFRC-1.0碳化深度影響曲線Fig.2 Influence curve of flexural tensile stress on SFRC-1.0 carbonation depth

圖3 彎曲壓應力對SFRC-1.0碳化深度影響曲線Fig.3 Influence curve of flexural compressive stress on SFRC-1.0 carbonation depth

不同水平的彎曲拉應力與彎曲壓應力對SFRC-1.0的碳化深度影響曲線如圖2、圖3所示．從圖中可以看出彎曲荷載對鋼纖維混凝土的碳化深度產(chǎn)生了影響：彎曲拉應力對鋼纖維混凝土碳化起到加速作用，一定水平以下的彎曲壓應力對鋼纖維混凝土碳化起到抑制作用．隨著拉應力水平的增加，鋼纖維混凝土的碳化深度增加，如圖2中SFRC-1.0碳化28d時，相比無應力情況下，0.3倍拉應力水平的條件下碳化深度增大了 37%，0.5倍拉應力水平條件下碳化深度增大了47%， 0.8倍拉應力水平條件下碳化深度增大了97%．當荷載水平為0.3倍壓應力水平時，相比無應力情況下碳化深度有明顯減小，繼續(xù)增大碳化深度變化不顯著，如圖 3中SFRC-1.0碳化28 d時，當壓應力水平為0.3時碳化深度比無應力情況下減小了26%，當壓應力水平增加至0.5時碳化深度基本未發(fā)生改變．

假設承載混凝土的碳化過程仍然服從Fick第一定律，引入碳化彎曲應力影響系數(shù)Kσ，可得到

式中：Kσ是應力水平為σ時鋼纖維混凝土碳化應力影響系數(shù)；xσ是應力水平為σ時鋼纖維混凝土的碳化深度；x是無應力作用下鋼纖維混凝土的碳化深度．

表 3中例舉了 SFRC-1.0的碳化應力影響系數(shù)．以 SFRC-1.0的試驗結果為例分析荷載水平對鋼纖維混凝土碳化的影響規(guī)律．從表3中可以看出在彎曲拉應力作用下，SFRC-1.0的碳化應力影響系數(shù)均大于1，并且Kσ隨著拉應力水平的增加而增大，表明彎曲拉應力對鋼纖維混凝土碳化起到加速作用，且隨著拉應力水平的增大，加速作用越顯著；而在彎曲壓應力作用下，SFRC-1.0的碳化應力影響系數(shù)均小于 1，表明彎曲壓應力對鋼纖維混凝土碳化起到抑制作用．混凝土內部的微裂縫在拉應力作用下會逐漸增多與擴展，這些逐漸增多與擴展的微裂縫為 CO2在混凝土中的擴散提供了更多的通道，碳化速度變快，碳化深度也隨之增大．而混凝土在一定范圍的彎曲壓應力作用下，內部的微裂縫會閉合，阻礙了CO2在混凝土中的擴散，碳化深度變?。?/p>

表3 SFRC-1.0碳化應力影響系數(shù)Tab. 3 SFRC-1.0 Flexural loading influence coefficient on carbonation

對表3中SFRC-1.0的碳化彎曲應力影響系數(shù)與應力水平進行回歸分析，可得到如下關系式：彎曲受拉狀態(tài)

彎曲受壓狀態(tài)

圖4 SFRC-1.0碳化應力影響系數(shù)與彎曲拉應力水平關系曲線Fig.4 Relationship curve of flexural loading influence coefficient and flexural tensile stress (SFRC-1.0)

圖5 SFRC-1.0碳化應力影響系數(shù)與彎曲壓應力水平關系曲線Fig.5 Relationship curve of flexural loading influence coefficient and flexural compressive stress (SFRC-1.0)

3 鋼纖維摻量對彎曲荷載作用下混凝土碳化深度影響規(guī)律

試驗用 5種混凝土在不同應力水平下碳化 28天的碳化深度如圖6、圖7所示．從圖6與圖7中可以看出不管是在彎曲拉應力作用下還是在彎曲壓應力作用下，摻入適量鋼纖維能降低基體混凝土的碳化速度．當鋼纖維摻量為0～1.5%時，隨鋼纖維摻量的增加基體混凝土碳化深度逐漸減小，本次試驗中當纖維摻量為1.5%時，彎曲荷載作用下混凝土的碳化深度最??；但鋼纖維摻量繼續(xù)增大到2.0%時，基體混凝土碳化深度顯著增大．

為分析鋼纖維摻量對彎曲荷載作用下混凝土碳化深度的影響程度，根據(jù)式（1）計算 5種混凝土快速碳化28 d的彎曲應力影響系數(shù)，結果見表4．

圖6 不同彎曲拉應力水平下鋼纖維摻量對混凝土碳化深度影響曲線（碳化28 d）Fig.6 Influence curve of steel fiber content on carbonation depth under different flexural tensile stress levels(carbonation for 28 d)

圖7 不同彎曲壓應力水平下鋼纖維摻量對混凝土碳化深度關系曲線（碳化28 d）Fig.7 Influence curve of steel fiber content on carbonation depth under different flexural compressive stress levels(carbonation for 28 d)

表4 鋼纖維混凝土碳化應力影響系數(shù)（快速碳化28 d）Tab. 4 Flexural loading influence coefficient on steel fiber concrete carbonization (carbonation for 28 d)

如表4所示，鋼纖維混凝土碳化應力影響系數(shù)在彎曲拉應力作用下均大于 1，在彎曲壓應力水平下均小于 1，這說明彎曲拉應力對于不同摻量鋼纖維混凝土的碳化都起到加速作用，而彎曲壓應力對于不同摻量鋼纖維混凝土的碳化都起到抑制作用．但是纖維摻量不同，加速和抑制的程度不同．在各種應力水平下混凝土碳化應力影響系數(shù)的大小順序為：SFRC-1.5＜SFRC-1.0＜SFRC-0.5＜SFRC-2.0＜PC，說明鋼纖維能夠降低彎曲荷載對基體混凝土碳化深度的影響，在本次試驗所選用的幾種摻量中，當鋼纖維摻量為1.5%時，這種降低效果最明顯，荷載對混凝土碳化影響最小．分析原因是因為加入適量的鋼纖維，由于鋼纖維的阻裂作用，一方面減少了基體混凝土在凝結硬化過程中由于收縮等原因造成的微裂縫，使混凝土的微觀結構得到改善，向更加密實的方向發(fā)展，減少了CO2在混凝土中的擴散通道；尤為重要的是當荷載作用于混凝土，其內部的鋼纖維能分擔應力，阻止混凝土的開裂，降低碳化速度．但當鋼纖維摻量增大到一定值后，由于較多纖維的摻入，混凝土在拌制過程中流動性變差、振搗困難，而且會出現(xiàn)結團現(xiàn)象，基體混凝土密實性顯著降低；并且較多鋼纖維摻入，混凝土內部會形成更多的薄弱黏結界面，在荷載的作用下更容易產(chǎn)生裂縫，碳化速度反而增大，SFRC-2.0的碳化應力影響系數(shù)大于SFRC-1.5的碳化應力影響系數(shù)．

4 結論

（1）彎曲荷載對鋼纖維混凝土的碳化深度產(chǎn)生了影響，但是彎曲拉應力與彎曲壓應力對碳化深度的影響不同．鋼纖維混凝土的碳化深度在彎曲拉應力作用下增大，并且隨著拉應力水平的提高持續(xù)增大．本次試驗所選用的彎曲壓應力水平對于鋼纖維混凝土的碳化均起到了抑制作用．

（2）適量的鋼纖維能夠降低彎曲荷載對基體混凝土碳化深度的影響，但當纖維摻量較大時，混凝土在拌制過程中流動性變差、而且會結團，混凝土內部出現(xiàn)更多的薄弱界面，使得這種降低效果不再明顯．在本次試驗所選用的幾種摻量中，在各種應力狀態(tài)下SFRC-1.5的碳化深度均為最小，并且受荷載水平的影響也最?。?/p>

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