翟小勇

（南通市建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

實(shí)際工程中混凝土碳化是荷載與各種環(huán)境因素交互作用的復(fù)雜過程，荷載的大小和形式必然影響混凝土碳化的深度和速率。國內(nèi)外眾多學(xué)者對此展開了研究，已有研究成果均定性地證實(shí)了拉應(yīng)力的存在會加速混凝土的碳化，而壓應(yīng)力則相反。雷斌等[1]設(shè)計了彎曲受拉裝置，對再生混凝土施加拉應(yīng)力分別為0.6ft，0.8ft，1.0ft，1.2ft(ft為混凝土試件的抗拉強(qiáng)度)，測其碳化深度。發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)下再生混凝土碳化深度會增加，尤其當(dāng)應(yīng)力水平為1.2ft時，試件的碳化深度較不受力狀態(tài)增大近70%。這是因?yàn)樵诶瓚?yīng)力狀態(tài)下再生混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫，從而加速了碳化的進(jìn)行。朱平華等[2]得出了同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。劉萬里[3]通過研究應(yīng)力水平為0、0.2、0.4和0.6對混凝土碳化深度的影響，得出結(jié)論：彎拉應(yīng)力作用下混凝土碳化深度大于無應(yīng)力狀態(tài)下的碳化深度，彎曲壓應(yīng)力作用下混凝土碳化深度小于無應(yīng)力狀態(tài)下的碳化深度，且混凝土碳化深度與拉應(yīng)力水平符合線性關(guān)系。這可能是由于混凝土受到拉應(yīng)力，混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展所致?；炷潦艿綁簯?yīng)力，內(nèi)部大量微裂縫閉合或?qū)挾葴p小，使得碳化速度減慢。徐永明等[4]和Castel等[5]的研究成果也證明了這一點(diǎn)。但相對而言，對荷載作用下再生混凝土的碳化演化規(guī)律研究成果并不多見，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，本文將對彎曲荷載對單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土碳化的影響進(jìn)行探討。

1 彎曲拉應(yīng)力的碳化作用分析

4個不同應(yīng)力水平下的單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土碳化數(shù)值與碳化時間平方根的比值進(jìn)行均值化處理，而后繪制出圖1。對圖1進(jìn)行縱向比較分析可知，28d內(nèi)，70%破壞荷載試塊的碳化速率最小，120%破壞荷載試塊的碳化速度最大，對圖1進(jìn)行橫向分析可知，40%破壞荷載試塊與70%破壞荷載試塊（即中等彎曲拉應(yīng)力破壞荷載試塊）的碳化速率從7d到28d呈線性降低發(fā)展態(tài)勢，而100%破壞荷載試塊與120%破壞荷載試塊（即高等彎曲拉應(yīng)力破壞荷載試塊）的碳化速率從7d到14d呈上升發(fā)展態(tài)勢，從14d到28d又呈降低發(fā)展態(tài)勢。

圖1 不同彎曲拉應(yīng)力破壞荷載RAC試塊碳化速率變化圖

綜上所述，高應(yīng)力彎曲荷載對單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土碳化的影響程度遠(yuǎn)大于中等應(yīng)力彎曲荷載的影響程度，特別是在14d內(nèi)的碳化初期，高應(yīng)力彎曲荷載的碳化影響是非常顯著的，這意味著單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土在高應(yīng)力彎曲荷載下的抗碳化能力不甚理想。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)力彎曲荷載條件下，單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部極易產(chǎn)生裂縫并出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，這將加快混凝土的碳化。

1.1 中等彎曲拉應(yīng)力的碳化作用分析

彎曲拉應(yīng)力破壞荷載值與碳化深度關(guān)系見圖2，從圖2可以看出，在中等應(yīng)力水平作用下，70%破壞荷載28d內(nèi)的試塊碳化值都小于40%破壞荷載試塊的碳化值，這表明在中等應(yīng)力水平作用下，單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土試塊的抗碳化能力與應(yīng)力水平呈正相關(guān)。這是因?yàn)樵谥械葢?yīng)力的彎曲荷載作用下，會讓試塊內(nèi)部的孔隙被壓縮變小，提高了試塊的密實(shí)性，不利于CO2通過微裂縫、孔隙進(jìn)入試塊內(nèi)部使試塊碳化。

1.2 高等彎曲拉應(yīng)力的碳化作用分析

從圖2得出，在高等應(yīng)力水平為100%和120%的條件下，各取代率的單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土碳化深度值與對照組混凝土相比，其7d、14d、21d、28d的實(shí)測碳化深度的增長率分別為70.5%和70.8%、61.8%和62.5%、40.5%和44.4%、24.2%和31.3%。隨著時間的增長，碳化深度的增大率都在逐漸變小。

圖2 彎曲拉應(yīng)力破壞荷載值與碳化深度關(guān)系圖

100%破壞荷載28d內(nèi)的試塊碳化值都小于120%破壞荷載試塊的碳化值。這表明，高等彎曲拉應(yīng)力破壞荷載作用下，碳化作用和彎曲拉應(yīng)力值呈正相關(guān)。之所以會這樣，是因?yàn)樵诟叩葟澢瓚?yīng)力破壞荷載作用下，會破壞試塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在試塊內(nèi)部形成很多微裂紋，從而給二氧化碳提供了進(jìn)入試塊內(nèi)部的通道，導(dǎo)致碳化加速。

2 二次循環(huán)再生細(xì)骨料取代率的碳化作用分析

從圖3可以看出，試塊28d的碳化深度與二次循環(huán)再生細(xì)骨料取代率呈正相關(guān)。擬合四個應(yīng)力水平下普通混凝土（控制混凝土）碳化均值公式為：X0=1.08516t-0.15327。然后代入取代率函數(shù)式f()r后得出四個應(yīng)力水平下取代率和碳化深度均值的函數(shù)關(guān)系式：

圖3 取代率和28d試塊碳化深度關(guān)系圖

嘗試應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)分別擬合線性關(guān)系式可得出以下取代率公式：

應(yīng)力水平為40%破壞荷載：

殘值：0.00157，擬合度：0.97。

應(yīng)力水平為70%破壞荷載：

殘值：3.37555E-4，擬合度：0.99。

應(yīng)力水平100%破壞荷載：

殘值：0.00134，擬合度：0.99。

應(yīng)力水平120%破壞荷載：

殘值：0.00175，擬合度：0.99。上述各式中：Xc——碳化深度，mm；

f(r)——二次循環(huán)再生細(xì)骨料取代率函數(shù)式；

r——取代率，%；

t——碳化齡期，d。

綜上所述，40%、70%、100%、120%破壞荷載下的函數(shù)公式擬合度分別為0.97、0.99、0.99、0.99，由此驗(yàn)證了取代率和試塊碳化深度的線性關(guān)系。p函數(shù)式擬合圖見圖4。

圖4 p函數(shù)式擬合圖

3 彎曲拉應(yīng)力下的碳化系數(shù)

根據(jù)無應(yīng)力基礎(chǔ)碳化方程Xc=1.46118t-2.05025，假設(shè)Xc=f(p)·，其中p是應(yīng)力水平，f(p)是p函數(shù)式，給出應(yīng)力水平作用下的碳化深度和時間的函數(shù)公式，并計算出擬合結(jié)果，如圖4與公式（6）所示，這進(jìn)一步證實(shí)了前文關(guān)于彎曲拉應(yīng)力碳化作用的結(jié)論。

由圖4擬合出的結(jié)果為：

其擬合度：0.89。

4 碳化深度時間函數(shù)

根據(jù)所有彎曲荷載、取代率試塊碳化深度值模擬仿真得出的綜合碳化模型圖見圖5。

圖5 碳化數(shù)值三維模擬圖

擬合結(jié)果為：

式中：Xc——碳化深度，mm；

t——碳化齡期，d；

p——拉應(yīng)力水平，%，p取值0～120%；

r——取代率，%。

當(dāng)碳化齡期取0時，Xc=0；當(dāng)r取值0時，不管p如何取值，Xc恒大于0；當(dāng)p取值0時，不管r如何取值，Xc恒大于0，都和碳化的實(shí)際情況是相符的。

其實(shí)測值和模擬值的對比圖如圖6所示。

圖6 實(shí)測值和模擬值的對比圖

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，使用該公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，預(yù)算值和實(shí)際值之間具有較好的吻合度，而且相關(guān)性高達(dá)0.83。

5 結(jié)束語

單摻循環(huán)再生細(xì)骨料時，高應(yīng)力水平相較于中應(yīng)力水平而言，其對單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土碳化的影響比較突出，尤其在碳化初期，高應(yīng)力水平對單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土碳化的影響尤為明顯，急劇加快了碳化速率。在中應(yīng)力水平下碳化深度與單摻循環(huán)再生細(xì)骨料取代率之間為一元二次函數(shù)關(guān)系，高應(yīng)力水平下則呈現(xiàn)直線關(guān)系。同時考慮取代率與應(yīng)力水平的碳化經(jīng)時方程為：Xc=(1.3829+1.7105r-1.5141p-0.4334r2+1.1541p2)t，用該方程反算可發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力水平為66%破壞荷載水平時碳化深度可達(dá)最低值，這與本文實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平為70%破壞荷載水平時碳化深度達(dá)到最低值的結(jié)果也是較好吻合的。