孫曉紅，胡大琳，張雷雷，陳 峰，查 斌

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，蘇州 215000；3.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211112)

0 引 言

混凝土的材料性能與環(huán)境作用息息相關(guān)，橋梁結(jié)構(gòu)常年處于自然環(huán)境之中，混凝土易受到侵蝕，耐久性不足，而近年來的超重荷載，使得混凝土橋梁病害逐漸顯現(xiàn)出來[1]。研究混凝土材料耐久性，對提高混凝土橋梁壽命，改善混凝土橋梁服務(wù)水平具有重要意義。

寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)受不斷的凍融與離子的侵蝕導(dǎo)致?lián)p傷，其并不只是簡單的疊加問題，而是各因素互相影響的結(jié)果。據(jù)調(diào)查，凍融循環(huán)和碳化是影響我國北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素[2]。目前，單因素作用下混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕理論基本成熟，越來越多的學(xué)者已開始研究多因素耦合下的混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕規(guī)律[3]。在國內(nèi)，Sun等[4]研究混凝土在荷載和凍融循環(huán)共同作用下的損傷及不同強(qiáng)度等級混凝土的反應(yīng)。肖前慧[5]通過模擬凍融和碳化耦合的環(huán)境，對混凝土耐久性、動(dòng)彈性模量變化及其碳化深度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。于琦[6]采用數(shù)值分析方法模擬混凝土凍融-碳化過程，并建立碳化深度預(yù)測模型。鄧會(huì)江等[7]交替將混凝土試件置于凍融-碳化各2 h的環(huán)境中，與只進(jìn)行凍融循環(huán)的混凝土進(jìn)行對比，得知碳化可一定程度上提高混凝土的抗凍性。張鵬等[8]測定加入粉煤灰的混凝土在凍融碳化交替作用下的碳化深度。

本文設(shè)計(jì)不同應(yīng)力條件下混凝土梁的純碳化試驗(yàn)和凍融-碳化交替試驗(yàn)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，用COMSOL Multiphysics(簡稱COMSOL)軟件建立考慮凍融和彎壓應(yīng)力的鋼筋混凝土試件碳化深度模型。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與試件

以橋梁工程中常用的C40混凝土為研究對象。為滿足試驗(yàn)要求，制作邊長為15 cm的混凝土立方體試塊、尺寸10 cm×15 cm×75 cm的鋼筋混凝土短梁試件以及尺寸10 cm×15 cm×150 cm的長梁試件，混凝土配合比如表1所示。長梁與短梁中，均在上緣與下緣布置牌號(hào)為HPB235的鋼筋，試件鋼筋布置如如圖1所示?；炷翝仓肽＞叱尚秃?，在(20±5) ℃ 的環(huán)境中靜置24 h后，拆模放置在溫度(20±2) ℃，濕度95%以上的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。對養(yǎng)生28 d齡期的混凝土立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

表1 混凝土配合比Table 1 Mixture proportion of concrete /(kg·m-3)

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)分為純碳化試驗(yàn)與凍融-碳化耦合試驗(yàn)兩種，試驗(yàn)采用DQH-ZY-100D多功能氣候模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。對純碳化試驗(yàn)，將養(yǎng)生齡期28 d的兩種鋼筋混凝土梁放置在氣候模擬試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：溫度(20±2) ℃，CO2濃度為(20±3)%。每個(gè)鋼筋混凝土試件之間保持一定的間距，試件各表面同時(shí)處于碳化，分別在碳化7 d、14 d、21 d及28 d的時(shí)間節(jié)點(diǎn)取出相應(yīng)的混凝土試件測量其碳化深度。

凍融-碳化耦合試驗(yàn)中，鋼筋混凝土試件的碳化與凍融試驗(yàn)交替進(jìn)行。試驗(yàn)分為四個(gè)階段，當(dāng)試件碳化7 d、14 d、21 d及28 d之后分別對應(yīng)進(jìn)行13次、12次、13次和12次的凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融試驗(yàn)采用氣凍的方式，同樣也使得試件處于多個(gè)面同時(shí)受凍的狀態(tài)。在凍融前將試件在水中浸泡充分，使其達(dá)到完全水飽和的狀態(tài)。凍融試驗(yàn)設(shè)置最低溫度為-20 ℃，一次凍融循環(huán)約12 h，共分為3個(gè)階段：(1)降溫階段：水飽和的試件在4 h內(nèi)從室溫降至最低溫；(2)保溫階段：試件在-20 ℃ 的環(huán)境中保持4 h；(3)升溫階段：試件在20 ℃左右的水中解凍約4 h恢復(fù)至室溫。凍融-碳化耦合試驗(yàn)中，作為對照，在與純碳化試驗(yàn)相同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)(7 d、14 d、21 d、28 d)對混凝土試件進(jìn)行碳化深度的測量。

1.3 試件施加應(yīng)力狀態(tài)

為了研究鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)對其碳化深度的影響，對鋼筋混凝土短梁施加軸壓與彎壓的初始應(yīng)力狀態(tài),對長梁施加純彎的初始應(yīng)力狀態(tài)，維持應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行凍融-碳化耦合試驗(yàn)；同時(shí)，作為對照組，對施加軸壓應(yīng)力的短梁試件進(jìn)行純碳化試驗(yàn)。試件試驗(yàn)方式如表2所示，其中編號(hào)“C”代表“碳化(Carbonation)”，其后的數(shù)字代表天數(shù)；編號(hào)“FT”代表“凍融循環(huán)(Freeze-Thaw Cycles)”，其后的數(shù)字代表循環(huán)次數(shù);fck為C40混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;ftk為C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，下文同。

圖1 鋼筋混凝土試件鋼筋布置圖Fig.1 Layout of the reinforcement of beams

表2 試件初始應(yīng)力狀態(tài)及凍融-碳化試驗(yàn)Table 2 Initial stress state of specimens in the coupling tests of freeze-thaw-carbonation

應(yīng)力加載使用混凝土構(gòu)件耐久性試驗(yàn)持荷裝置[9]完成，該裝置主要由縱向軸力拉桿、橫向彎矩拉桿、剛墊板、螺帽等配合千斤頂和壓力傳感器施加預(yù)定壓力，具體操作按照裝置說明的方法進(jìn)行。短梁軸壓、短梁彎壓及長梁純彎的三種應(yīng)力狀態(tài)的加載示意圖及實(shí)際加載圖分別如圖2～圖4所示。

1.4 碳化深度測量

在每個(gè)碳化深度測試節(jié)點(diǎn)7 d、14 d、21 d、28 d時(shí)，利用反力支架與千斤頂對梁試件的預(yù)加應(yīng)力進(jìn)行卸載。鑿去試件中部上表面的表層混凝土，使用吹風(fēng)機(jī)清除表面粉末，并噴灑濃度為1%的酚酞溶液。取試件破損處等間距的五個(gè)點(diǎn)的碳化深度的平均值作為該點(diǎn)的碳化深度值。測試圖如圖5所示。

圖2 短梁軸壓應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 Stress state of short beams under axial compression

圖3 短梁彎壓應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 Stress state of short beams under bending stress and axial compression

圖4 長梁純彎應(yīng)力狀態(tài)Fig.4 Stress state of long beams under bending stress

圖5 試件碳化深度測量Fig.5 Measurement of carbonation depth of specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土碳化規(guī)律

2.1.1 凍融及軸壓應(yīng)力共同作用下對混凝土碳化的影響

根據(jù)軸壓試件碳化深度測試結(jié)果，如圖6所示，繪制純碳化試驗(yàn)和凍融-碳化耦合試驗(yàn)下，不同軸壓應(yīng)力水平下試件碳化深度與時(shí)間的關(guān)系曲線。可以看出，無論在純碳化或凍融-碳化耦合條件下，混凝土的碳化深度隨時(shí)間均呈對數(shù)增長，隨著時(shí)間的推移碳化深度增長速率逐漸減小。此外，在相同的碳化時(shí)間內(nèi)，當(dāng)軸向壓力越大時(shí)，混凝土的碳化深度越小。這是因?yàn)閴簯?yīng)力會(huì)減小混凝土內(nèi)部孔隙率，導(dǎo)致CO2在其中的滲透速率減小，進(jìn)而降低了碳化速率。說明壓應(yīng)力在一定程度上可以抑制混凝土碳化的發(fā)展。

圖6 軸壓短梁試件的碳化深度曲線Fig.6 Curves of carbonation depth of axially compressed short beam specimens

為分析凍融循環(huán)對混凝土中性化的影響，引入碳化深度增長率ηi，由式(1)計(jì)算。

ηi=(Xi,C+FT-Xi,C)/Xi,C

(1)

其中，Xi,C+FT為凍融-碳化共同作用id時(shí)的混凝土碳化深度，Xi,C為純碳化id時(shí)的混凝土碳化深度。ηi隨時(shí)間變化的曲線如圖7所示，由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土的碳化深度增長率隨著凍融-碳化的時(shí)間發(fā)展幾乎呈線性增長，由此可見，在同一段時(shí)間內(nèi)，凍融對碳化的促進(jìn)作用是均勻增加的。此外，凍融循環(huán)對碳化的促進(jìn)作用受混凝土試件的軸壓應(yīng)力水平的影響較小。

圖7 凍融對不同軸壓應(yīng)力水平下ηi的影響Fig.7 Effect of freeze-thaw on the ηi under different axialcompression stress

圖8 不同彎曲應(yīng)力水平下凍融-碳化對碳化深度的影響Fig.8 Effect of freeze-thaw-carbonation on the carbonationdepth under different bending stress

2.1.2 彎曲應(yīng)力對凍融-碳化條件下碳化深度的影響

分析混凝土彎壓和純彎的凍融-碳化試驗(yàn)測得的碳化深度數(shù)值，如圖8所示，繪制混凝土碳化深度與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線。其中以混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力為正。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與無應(yīng)力狀態(tài)下的碳化深度相比，當(dāng)混凝土內(nèi)部存在拉應(yīng)力時(shí)，混凝土碳化更加迅速，且碳化速率隨著拉應(yīng)力的增大而增大。這是因?yàn)槔瓚?yīng)力會(huì)增大混凝土內(nèi)部孔隙率，使得CO2在其中的滲透速率增大，導(dǎo)致碳化深度的增加。此外，從圖中可以看出，在相同的碳化齡期內(nèi)，碳化深度隨應(yīng)力的增加呈正比減小。由此推斷，可以通過控制應(yīng)力水平的方式來影響CO2在混凝土內(nèi)部的滲透速率，進(jìn)而控制混凝土的碳化速率以達(dá)到對混凝土結(jié)構(gòu)的碳化防護(hù)。

2.2 碳化影響因素分析

為分析凍融循環(huán)、初始應(yīng)力狀態(tài)及其組合效應(yīng)對混凝土碳化的影響，引入混凝土碳化程度系數(shù)λm，可利用式(2)計(jì)算。

λm=Xm+n/Xn

(2)

其中，m代表試驗(yàn)組混凝土碳化的影響因素，n代表對照組試驗(yàn)，Xm+n代表試驗(yàn)組混凝土碳化深度，Xn代表對照組混凝土碳化深度。若λm<1，則說明該影響因素對碳化起到抑制作用，值越小抑制作用越強(qiáng)；若λm>1，則說明該影響因素對碳化起到促進(jìn)作用，值越大則促進(jìn)作用越強(qiáng)。

2.2.1 凍融循環(huán)對碳化的影響

為分析凍融循環(huán)對混凝土碳化的影響，計(jì)算短梁試件在軸壓應(yīng)力為0%fck條件下分別經(jīng)過純碳化與凍融-碳化試驗(yàn)的碳化值。

引入凍融作用下碳化程度系數(shù)λFT，可按照式(3)計(jì)算。

λFT=XC+FT/XC

(3)

其中,XC+FT為凍融-碳化耦合試驗(yàn)中混凝土試件的碳化深度，XC為純碳化試驗(yàn)中試件的碳化深度。計(jì)算結(jié)果如表3所示。λFT始終大于1，且隨碳化的時(shí)間持續(xù)增長，說明凍融循環(huán)促進(jìn)了混凝土的碳化，且促進(jìn)效果逐漸增強(qiáng)。

表3 凍融循環(huán)對碳化程度系數(shù)λFT的影響Table 3 Effect of freeze-thaw cycles on the coefficient of combination degree λFT

2.2.2 軸壓應(yīng)力對碳化的影響

為分析軸壓應(yīng)力對混凝土碳化的影響，計(jì)算短梁試件在純碳化作用下所受壓應(yīng)力分別為0%fck、50%fck與70%fck的碳化值。

引入不同壓應(yīng)力狀態(tài)下碳化程度系數(shù)λP，可由式(4)計(jì)算。

λP=XP/X0

(4)

其中，XP為在純碳化試驗(yàn)中50%fck與70%fck軸壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的碳化深度，X0為純碳化試驗(yàn)中無軸壓狀態(tài)混凝土的碳化深度。計(jì)算結(jié)果如表4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土試件施加壓應(yīng)力后，混凝土碳化程度系數(shù)λP<1，說明混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力抑制了碳化的發(fā)展。此外，隨著混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力從50%fck升至70%fck時(shí)，λP的值減小，說明壓應(yīng)力的增加有助于減緩碳化的發(fā)展。

表4 軸壓應(yīng)力對碳化程度系數(shù)λP的影響Table 4 Effect of axial compressive stress on the coefficient of combination degree λP

2.2.3 凍融-應(yīng)力共同作用對碳化的影響

為分析凍融-應(yīng)力共同作用對混凝土碳化的影響，計(jì)算試件處于應(yīng)力狀態(tài)分別為軸壓50%fck及70%fck、彎壓30%fck及15%fck與純彎30%ftk及50%ftk下，經(jīng)過凍融-碳化后的碳化值。

引入凍融-應(yīng)力共同作用下碳化程度系數(shù)λFT+P，可由式(5)計(jì)算。

λFT+P=XFT+P/X0

(5)

其中，XFT+P為在凍融-應(yīng)力耦合作用下混凝土的碳化深度，X0為純碳化試驗(yàn)中無軸壓狀態(tài)混凝土的碳化深度。計(jì)算結(jié)果如表5所示。本試驗(yàn)設(shè)置的4組不同壓應(yīng)力水平，在與凍融循環(huán)耦合后對混凝土的碳化仍為抑制作用；當(dāng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力由壓變?yōu)槔瓡r(shí)，應(yīng)力-凍融耦合對混凝土的碳化轉(zhuǎn)換為促進(jìn)作用。因此我們推測，當(dāng)混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力等于某個(gè)值時(shí)，此時(shí)可以使得λFT+P=1，可以稱之為凍融臨界應(yīng)力。確定不同凍融條件及混凝土類型下的凍融臨界應(yīng)力，有助于對凍融環(huán)境下受碳化混凝土進(jìn)行有效防護(hù)。

白樺林36°坡面徑流5.7%，截留94.3%的降雨量；落葉松林17°坡面徑流4.8%，截留95.2%的降雨量；2種林分雨水截留相差接近1%[13]。本研究沒有36°坡面落葉松林地的徑流，但是參考杜阿朋[14]的研究：在同等降雨條件下，華北落葉松產(chǎn)流量陡坡(25°≤a≤36°)16.5 mm、緩坡(10°≤a≤16°)1.5 mm，可以推測落葉松林在36°坡上產(chǎn)流量要遠(yuǎn)高于白樺林，所以在水源涵養(yǎng)功能上，白樺林高于落葉松林。

表5 凍融-應(yīng)力耦合作用對碳化程度系數(shù)λFT+P的影響Table 5 Effect of freeze-thaw-stress on the coefficient of combination degree λFT+P

3 基于COMSOL的有限元模型分析

3.1 COMSOL在多物理場研究中的應(yīng)用

COMSOL軟件在混凝土耐久性模擬方面分析能力強(qiáng)大，因此在混凝土耐久性研究中得到了廣泛的應(yīng)用[10]。潘晨[11]用COMSOL建立有限元模型，模擬水泥路面板內(nèi)部結(jié)冰情況。Zha等[12]通過建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測混凝土材料的碳化程度并驗(yàn)證模型可用于預(yù)測混凝土在超臨界條件下的碳化過程。程旭東等[13]采用數(shù)值模擬方法，在COMSOL的基礎(chǔ)之上，對由于環(huán)境不同所造成的溫度、濕度和氯離子運(yùn)輸之間的差異進(jìn)行多場耦合。Rahman等[14]利用COMSOL模擬氯離子快速遷移，對氯離子在損傷混凝土試件中的遷移進(jìn)行了評價(jià)。

多位學(xué)者的研究分析證明，使用COMSOL進(jìn)行的多物理場耦合分析計(jì)算準(zhǔn)確，與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好。因此，選擇該軟件分析試驗(yàn)梁在碳化、凍融循環(huán)、應(yīng)力共同作用下的反應(yīng)，具有較高的借鑒意義。

3.2 考慮應(yīng)力和凍融循環(huán)的混凝土碳化數(shù)值模型

混凝土碳化過程中，可碳化物質(zhì)Ca(OH)2(簡寫CH)、CaCO3(簡寫CC)、CSH、C3S及C2S各物質(zhì)質(zhì)量達(dá)到平衡。為建立應(yīng)力和凍融循環(huán)耦合狀態(tài)下的混凝土碳化數(shù)值模型，首先基于Papadakis的經(jīng)典碳化理論模型[15]，在化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析方法的支持下，列出微分方程，建立單一碳化數(shù)值模型。然后考慮孔隙率與體應(yīng)變、體應(yīng)變與荷載的關(guān)系，求得凍融循環(huán)和應(yīng)力共同作用下的混凝土孔隙率φs，可由式(6)計(jì)算得到。

(6)

其中,φF為n次凍融循環(huán)后的混凝土孔隙率，混凝土立方體試塊經(jīng)過凍融水飽和后，在溫度為100 ℃的恒溫箱里脫水處理直至質(zhì)量恒定，計(jì)算得到失水率，間接測得孔隙率，最終分析回歸試驗(yàn)數(shù)據(jù)得φF=0.030 3e0.002n；θv為混凝土體應(yīng)變，通過軟件定義混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系后得出。

再用φs值替換Papadakis模型CO2擴(kuò)散系數(shù)式中的孔隙率φ值，得到考慮凍融循環(huán)和應(yīng)力共同作用下的CO2擴(kuò)散系數(shù)DCO2表達(dá)式，見式(7)。

(7)

其中，RH為環(huán)境相對濕度。

最終列出偏微分方程，如式(8)所示。其以CO2、CH、CC、CSH、C3S及C2S的質(zhì)量平衡為條件，建立考慮凍融和應(yīng)力影響的修正后的混凝土碳化數(shù)值模型。

(8)

其中,εα和εw分別為空氣、水的體積占混凝土空隙的比例,εα=εw=0.5;Ci為混凝土表面周圍i物質(zhì)的濃度，i為CO2、CH、CC、CSH、C3S和C2S；rC,i為水化物質(zhì)i的碳化速率，其值為i的濃度、CO2濃度和i的反應(yīng)常數(shù)之積，i為CH、CSH、C3S和C2S;DCH為Ca(OH)2(aq)擴(kuò)散系數(shù),取DCH=1×10-12m2/s；?為CH的溶解度；rH,i為水化物質(zhì)i的生成速率，i為CH、C3S和C2S;t為碳化時(shí)間。

(9)

邊界條件如式(10)所示。

(10)

其中,κ′為凍融循環(huán)和應(yīng)力對Ca(OH)2(aq)擴(kuò)散系數(shù)的影響系數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與模型驗(yàn)證

3.3.1 有限元模型建立

按照以下步驟，建立有限元模型以模擬彎壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土短梁試件進(jìn)行凍融-碳化交替試驗(yàn)。

(1)根據(jù)短梁試件尺寸在COMSOL中創(chuàng)建幾何模型。

(2)根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系確定材料屬性，施加相應(yīng)的荷載。

C40混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc取26.8 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度ft取2.4 MPa，彈性模量Ec取3.25×104MPa，泊松比vc取0.2。混凝土的本構(gòu)關(guān)系(即應(yīng)力-應(yīng)變曲線)采用上升階段結(jié)合下降階段的組合本構(gòu)關(guān)系，混凝土的本構(gòu)關(guān)系公式如式(11)所示。

(11)

其中,σc為混凝土應(yīng)力；εc為混凝土應(yīng)變；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；ε0為混凝土峰值應(yīng)變，一般取ε0=0.002；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變值，一般取εcu=0.003 3；n為碳化深度。

取n=2，混凝土的本構(gòu)關(guān)系(即應(yīng)力-應(yīng)變曲線)如圖9所示。

圖9 混凝土本構(gòu)關(guān)系
Fig.9 Concrete constitutive relation

圖10 鋼筋本構(gòu)關(guān)系
Fig.10 Steel constitutive relation

圖11 模型網(wǎng)格離散圖
Fig.11 Model grid discrete graph

上下緣鋼筋型號(hào)均為HPB235，屈服強(qiáng)度fy取235 MPa，彈性模量Es取2.1×105MPa，泊松比vs取0.3。鋼筋的本構(gòu)關(guān)系(即應(yīng)力-應(yīng)變曲線)采用彈塑性簡化模型，如圖10所示。

(3)模擬凍融-碳化環(huán)境，輸入凍融循環(huán)與應(yīng)力共同作用下的混凝土碳化數(shù)值模型，即公式(8)，并輸入CO2擴(kuò)散系數(shù)，即公式(7)。

(4)設(shè)立初始條件與邊界條件，即公式(9)與公式(10)。

(5)劃分網(wǎng)格，運(yùn)行模型，并對結(jié)果進(jìn)行處理。網(wǎng)格劃分情況如圖11所示。

3.3.2 有限元分析結(jié)果

為描述方便，將彎壓應(yīng)力狀態(tài)模型視為承受彎壓作用的短梁試件，試件配置1號(hào)和2號(hào)鋼筋的一側(cè)分別稱為上緣和下緣，長軸方向?yàn)榭v向，上緣至下緣的方向?yàn)樨Q向。對模型下緣0%fck、15%fck、30%fck三個(gè)應(yīng)力水平的壓應(yīng)力，圖12給出應(yīng)力水平為0%fck的模型空間應(yīng)力和體應(yīng)變分布情況；圖13以立體和切片的形式給出了應(yīng)力水平為0%fck的模型碳化深度空間分布情況。

圖12 應(yīng)力和應(yīng)變分布圖Fig.12 Distribution diagram of stress and strain

圖13 碳化深度圖Fig.13 Diagram of carbonation depth

圖14分別展示了不同應(yīng)力水平下試件下緣與梁長及跨中體應(yīng)變與梁高的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，試件下緣體應(yīng)變在壓應(yīng)力作用下均為壓應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)力水平從0%fck增加到30%fck，壓應(yīng)變也隨之增加；試件跨中體應(yīng)變隨梁高增加而線性減小，三種壓應(yīng)力水平作用下，跨中體應(yīng)變在豎向中點(diǎn)處相同，且當(dāng)應(yīng)力水平增加，體應(yīng)變變化速度減小。圖15和圖16分別展示了不同應(yīng)力水平下試件孔隙率和CO2擴(kuò)散系數(shù)的變化情況。對比圖14～圖16發(fā)現(xiàn)，孔隙率和CO2擴(kuò)散系數(shù)隨試件位置變化趨勢與體應(yīng)變隨試件位置變化趨勢基本一致，表明三個(gè)變量存在著較強(qiáng)的線性物理關(guān)系。可以得出結(jié)論：相同位置處，CO2擴(kuò)散系數(shù)隨著壓應(yīng)力的增大而減小。

圖14 不同應(yīng)力水平梁體應(yīng)變變化Fig.14 Volume strain variations of beams at different stress levels

圖15 不同應(yīng)力水平梁孔隙率變化Fig.15 Porosity variations of beams at different stress levels

圖16 不同應(yīng)力水平梁CO2擴(kuò)散系數(shù)變化Fig.16 CO2 diffusion coefficient variations of beams at different stress levels

3.3.3 試驗(yàn)與有限元結(jié)果對比

圖17給出了碳化深度模型計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值的對比結(jié)果。由該圖可知，兩者數(shù)據(jù)吻合性較好，證明該模型可靠性較高。由此，我們有更充分的證據(jù)給出壓應(yīng)力增強(qiáng)混凝土抗碳化能力的機(jī)理解釋：試驗(yàn)梁被施加壓應(yīng)力時(shí)，同一位置處混凝土體應(yīng)變減小，孔隙率減小，CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部的難度增大，CO2擴(kuò)散系數(shù)減小，因而短梁的混凝土抗碳化能力增強(qiáng)，且壓應(yīng)力越大，增強(qiáng)作用越明顯。

圖17 碳化深度計(jì)算值與實(shí)測值對比Fig.17 Comparison between calculated value and tested value of carbonation depth

4 結(jié) 論

(1)混凝土試件受壓時(shí)，壓應(yīng)力增強(qiáng)混凝土抗碳化能力，且承受壓力越大，增強(qiáng)作用越明顯；混凝土處于凍融循環(huán)環(huán)境中，抗碳化能力降低，且凍融對混凝土碳化的促進(jìn)作用均勻增加。

(2)當(dāng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力時(shí)，應(yīng)力-凍融耦合作用對混凝土的碳化影響由抑制轉(zhuǎn)換為促進(jìn)作用。當(dāng)混凝土內(nèi)部壓應(yīng)力等于某個(gè)值時(shí)，應(yīng)力與凍融對混凝土的碳化作用產(chǎn)生中和。因此，可以通過控制應(yīng)力水平來控制混凝土的碳化速率以達(dá)到對混凝土結(jié)構(gòu)的碳化防護(hù)。

(3)彎壓應(yīng)力狀態(tài)下，鋼筋混凝土梁凍融-碳化試驗(yàn)有限元分析結(jié)果說明，隨著壓應(yīng)力增大，鋼筋混凝土梁體應(yīng)變減小，孔隙率降低，導(dǎo)致CO2擴(kuò)散系數(shù)減小。

(4)梁“彎壓加載+碳化-凍融交替試驗(yàn)”實(shí)測結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合性較好，說明建立的彎壓應(yīng)力狀態(tài)梁凍融-碳化數(shù)值模型可靠性較高，可為凍融環(huán)境下持荷狀態(tài)混凝土構(gòu)件碳化深度預(yù)測分析提供依據(jù)。