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冈丕翁
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1 第 47 卷第 1 期西安建筑科技大学学报 ( 自然科学版 ) Vol.47 No 年月 J. Xi'an Univ. of Arch. & Tech. (Natural Science Edition) Feb. 015 DOI: /j 弯曲荷载作用下钢纤维混凝土碳化性能王艳 1, 牛荻涛, 苗元耀, 关虓 (1. 西安建筑科技大学材料与矿资学院, 陕西西安 ;. 西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西西安 ) 摘要 : 实际情况中荷载会对混凝土的耐久性退化规律产生影响, 通过开展弯曲荷载作用下钢纤维混凝土的快速碳化试验, 研究钢纤维掺量以及应力状态应力水平对钢纤维混凝土碳化深度的影响规律. 结果显示 : 弯曲荷载对钢纤维混凝土的碳化深度产生了影响, 钢纤维混凝土的碳化深度在弯曲拉应力作用下增大, 并且随着拉应力水平的提高持续增大 ; 一定水平的弯曲压应力对于钢纤维混凝土的碳化起到抑制作用. 适量的钢纤维能够降低弯曲荷载对基体混凝土碳化深度的影响, 但当纤维掺量较大时, 这种降低效果不再明显. 本次试验中, 体积掺量为 1.5% 的钢纤维混凝土在各种应力状态下的碳化深度均为最小, 并且受荷载水平的影响也最小. 关键词 : 钢纤维混凝土, 弯曲荷载, 碳化, 碳化弯曲应力影响系数中图分类号 :TU398 文献标志码 :A 文章编号 : (015) Carbonation of steel fiber reinforced concrete under flexural loading WANG Yan 1, NIU Ditao, MIAO Yuanyao,GUAN Xiao (1 School of Material & Mineral Resources, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an ,China School of Civil Engineering, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an ,China) Abstract: Loading can affect the degradation rule of concrete durability. Based on the accelerated carbonization test of steel fiber reinforced concrete under flexural loading, effects of steel fiber content, stress state on steel fiber reinforced concrete carbonation depth were studied. Test results indicated that the flexural tensile stress accelerate the concrete carbonation speed, while the flexural compressive stress under a certain level retard the concrete carbonation speed. Right amount of steel fiber helps reduce the influence of flexural loading on matrix concrete carbonation depth, but the reducing effect was not obvious. According to the varied mixing proportions in the test, steel fiber reinforced concrete of 1.5% volume content producted the best effect, and minimum carbonation depth in varied stress flexural loading. Key words: steel fiber reinforced concrete; flexural loading; carbonization; flexural loading influence coefficient on carbonization. 目前混凝土耐久性研究通常只在纯材料条件下进行, 即只考虑材料自身与外部环境条件两种因素, 而忽视荷载的影响. 但在实际服役过程中, 混凝土结构上会承受各种不同类型的荷载, 这些荷载往往会引起混凝土中微裂缝以及孔结构的改变, 从而影响混凝土的耐久性能, 未考虑荷载的耐久性研究都不能准确地反映实际情况. 一些学者已经开展了相关研究, 探讨了弯曲荷载对混凝土抗冻性能的影响 [1-] ; 弯曲荷载作用下混凝土在盐湖环境中抗冻性能 [3-6] ; 弯曲荷载硫酸镁腐蚀以及碳化对混凝土抗冻性的影响 [7] ; 弯曲荷载对氯离子在混凝土中渗透规律的影响 [8] ; 以及弯曲荷载作用下粉煤灰混凝土碳化性能与碳化模型 [9-10]. 通过这些研究可以看出, 弯曲荷载对混凝土耐久性劣化起到加速作用, 影响程度随着荷载水平的加大而增加, 对混凝土的碳化深度影响显著 [9]. 钢纤维混凝土即向基体混凝土中掺加一定量的钢纤维, 在服役过程中混凝土中的钢纤维能够分担部分拉应力, 提高混凝土的抗拉性能与抗裂性能, 并明显改善基体混凝土的韧性. 目前钢纤维混凝土在工程中已逐渐推广使用, 它的耐久性能也渐渐引起人们的关注. 通过试验研究发现, 掺入适量钢纤维能够提高混凝土的抗碳化性 [11-1], 抗冻性 [13], 抗氯离子侵蚀性 [14], 明显改善弯曲荷载化学腐蚀作用下混凝土的抗冻性 [5]. 掺入钢纤维是否能够影响荷载作用下混凝土的碳化性能, 如何影响有待研究. 本文开展弯曲荷载作用下钢纤维混凝土的快速碳化试验, 研究钢纤维掺量对荷载作用下混凝土碳化深度的影响规律, 以及应力状态应力水平对钢纤维混凝土碳化深度的影响规律. 1 试验概况 1.1 原材料水泥 :P O 4.5R, 秦岭牌普通硅酸盐水泥, 基收稿日期 : 修改稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金青年科学基金项目 ( ); 陕西省自然科学基金青年人才项目 (013JQ7033); 陕西省教育厅专项科研计划项目 (013JK097) 作者简介 : 王艳 (198-), 女, 博士, 讲师, 主要从事纤维混凝土耐久性方向的研究. wangyanwjx@16.com

2 5 西安建筑科技大学学报 ( 自然科学版 ) 第 47 卷本性能见表 1. 钢纤维 : 剪切波浪型, 生产厂家重庆宜筑公司, 长径比为 60( 长 30 mm, 直径 0.5 mm), 抗拉强度 >380 MPa. 砂 : 中砂 ( 细度模数.7), 西安灞河, 含泥量约 1.1%. 碎石 : 粒径 5~0 mm, 陕西泾阳县, 压碎指标 6%, 无针片状颗粒, 含泥量 0.3%. 减水剂 : 高效减水剂, 陕西瑞德建材科技有限责任公司. 1. 配合比表 1 P O 4.5R 普通硅酸盐水泥 Tab.1 P O 4.5R Portland cement property 试验采用五种配合比, 水胶比均为 0.45, 其中 PC 表示普通混凝土, SFRC 表示钢纤维混凝土, - 后面的数字表示钢纤维体积掺量, 例如 SFRC-0.5 表示体积掺量为 0.5% 的钢纤维混凝土, 五种混凝土的钢纤维体积掺量分别取 0 0.5% 1% 1.5% %, 各种混凝土具体配合比与 8 d 强度见表. 抗折强度 /MPa 抗压强度 /MPa 凝结时间 /min 烧失量 /% 氧化镁 /% 三氧化硫 /% 3 d 8 d 3 d 8 d 初凝终凝 -1 细度 /m kg 合格表钢纤维混凝土配合比与 8 d 强度 Tab. Mixing proportion and mechanical property of steel fiber reinforced concrete 安定性分组水泥 /kg m -3 砂子 /kg m -3 碎石 /kg m -3 钢纤维体积钢纤维 8 d 强度 /MPa 掺量 /% /kg m -3 塌落度 /mm 抗压强度劈裂抗拉强度抗折强度 PC SFRC SFRC SFRC SFRC 加载装置本次试验选取的是拉杆加载系统对构件施加弯曲荷载. 加载装置如图 1 所示, 利用应力扳手施加荷载. 该加载装置考虑了荷载精度和试验过程的方便, 优点是加载方式简单并能准确加载到需要的荷载, 体积小重量轻在试验过程中搬运方便. 但是在搬运的过程中会造成应力松弛, 因此在每次搬运后需用应力扳手矫正施加的荷载以保证达到设计值. 种应力水平在每个碳化龄期考虑制作 4 个试件. 碳化考虑 3 d 7 d 14 d 8 d 56 d 共 5 个龄期. (3) 参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 (GB/T ) 中第十一章进行碳化试验. 碳化到龄期 (3d 7d 14d 8d 56d) 后取出试件, 在纯弯段位置内将试件沿横向切开, 分别测量拉区和压区混凝土的碳化深度, 试件在不同弯曲应力水平下的碳化深度最终取 4 个试件的平均值. 螺母 φ10 拉杆垫片 d=1mm 的预留孔道 φ5 圆钢弯曲荷载水平对钢纤维混凝土碳化深度影响规律图 1 弯曲荷载加载装置图示 Fig.1 Flexural loading device 1.4 试验方法 (1) 试件尺寸 :100 mm 100 mm 550 mm 棱柱体, 试件制作过程中在图 1 所示的拉杆位置采用预埋 PVC 管的方式预留加载孔. () 已有的研究表明钢纤维混凝土有较好的抗裂性能, 本次试验选取倍 4 种弯曲应力水平. 由于加载装置是两个一组, 因此每不同水平的弯曲拉应力与弯曲压应力对 SFRC-1.0 的碳化深度影响曲线如图图 3 所示. 从图中可以看出弯曲荷载对钢纤维混凝土的碳化深度产生了影响 : 弯曲拉应力对钢纤维混凝土碳化起到加速作用, 一定水平以下的弯曲压应力对钢纤维混凝土碳化起到抑制作用. 随着拉应力水平的增加, 钢纤维混凝土的碳化深度增加, 如图中 SFRC-1.0 碳化 8d 时, 相比无应力情况下,0.3 倍拉应力水平的条件下碳化深度增大了 37%,0.5 倍拉应力水平条件下碳化深度增大了 47%, 0.8 倍拉应力水平条件下碳化深度增大了 97%. 当荷载水平为 0.3 倍压应力水平时, 相比无应力情况下碳化深度有明显减小, 继续增大碳化深度变化不显著, 如图 3 中 SFRC-1.0 碳化 8 d 时, 当压应力水平为 0.3 时碳化深度比无应

3 第 1 期王艳, 等 : 弯曲荷载作用下钢纤维混凝土碳化性能 53 力情况下减小了 6%, 当压应力水平增加至 0.5 时碳化深度基本未发生改变. 图弯曲拉应力对 SFRC-1.0 碳化深度影响曲线 Fig. Influence curve of flexural tensile stress on SFRC-1.0 carbonation depth 假设承载混凝土的碳化过程仍然服从 Fick 第一定律, 引入碳化弯曲应力影响系数 K σ, 可得到 K x x (1) 式中 :K σ 是应力水平为 σ 时钢纤维混凝土碳化应力影响系数 ;x σ 是应力水平为 σ 时钢纤维混凝土的碳化深度 ;x 是无应力作用下钢纤维混凝土的碳化深度. 表 3 中例举了 SFRC-1.0 的碳化应力影响系数. 以 SFRC-1.0 的试验结果为例分析荷载水平对钢纤维混凝土碳化的影响规律. 从表 3 中可以看出在弯曲拉应力作用下,SFRC-1.0 的碳化应力影响系图 3 弯曲压应力对 SFRC-1.0 碳化深度影响曲线 Fig.3 Influence curve of flexural compressive stress on SFRC-1.0 carbonation depth 数均大于 1, 并且 K σ 随着拉应力水平的增加而增大, 表明弯曲拉应力对钢纤维混凝土碳化起到加速作用, 且随着拉应力水平的增大, 加速作用越显著 ; 而在弯曲压应力作用下,SFRC-1.0 的碳化应力影响系数均小于 1, 表明弯曲压应力对钢纤维混凝土碳化起到抑制作用. 混凝土内部的微裂缝在拉应力作用下会逐渐增多与扩展, 这些逐渐增多与扩展的微裂缝为 CO 在混凝土中的扩散提供了更多的通道, 碳化速度变快, 碳化深度也随之增大. 而混凝土在一定范围的弯曲压应力作用下, 内部的微裂缝会闭合, 阻碍了 CO 在混凝土中的扩散, 碳化深度变小. 表 3 SFRC-1.0 碳化应力影响系数 Tab. 3 SFRC-1.0 Flexural loading influence coefficient on carbonation 混凝土碳化时间无应力弯曲拉应力水平弯曲压应力水平 d d SFRC d d d 对表 3 中 SFRC-1.0 的碳化弯曲应力影响系数与应力水平进行回归分析, 可得到如下关系式 : 弯曲受拉状态弯曲受压状态 K 0.16 t t (R =0.974, 0 t 1 ) () K (R =0.949, 0 1) (3) 0.76 c c c 图 4 SFRC-1.0 碳化应力影响系数与弯曲拉应力水平关系曲线 Fig.4 Relationship curve of flexural loading influence coefficient and flexural tensile stress (SFRC-1.0)

4 54 西安建筑科技大学学报 ( 自然科学版 ) 第 47 卷图 5 SFRC-1.0 碳化应力影响系数与弯曲压应力水平关系曲线 Fig.5 Relationship curve of flexural loading influence coefficient and flexural compressive stress (SFRC-1.0) 3 钢纤维掺量对弯曲荷载作用下混凝土碳化深度影响规律图 6 不同弯曲拉应力水平下钢纤维掺量对混凝土碳化深度影响曲线 ( 碳化 8 d) Fig.6 Influence curve of steel fiber content on carbonation depth under different flexural tensile stress levels (carbonation for 8 d) 试验用 5 种混凝土在不同应力水平下碳化 8 天的碳化深度如图 6 图 7 所示. 从图 6 与图 7 中可以看出不管是在弯曲拉应力作用下还是在弯曲压应力作用下, 掺入适量钢纤维能降低基体混凝土的碳化速度. 当钢纤维掺量为 0~1.5% 时, 随钢纤维掺量的增加基体混凝土碳化深度逐渐减小, 本次试验中当纤维掺量为 1.5% 时, 弯曲荷载作用下混凝土的碳化深度最小 ; 但钢纤维掺量继续增大到.0% 时, 基体混凝土碳化深度显著增大. 为分析钢纤维掺量对弯曲荷载作用下混凝土碳化深度的影响程度, 根据式 (1) 计算 5 种混凝土快速碳化 8 d 的弯曲应力影响系数, 结果见表 4. 图 7 不同弯曲压应力水平下钢纤维掺量对混凝土碳化深度关系曲线 ( 碳化 8 d) Fig.7 Influence curve of steel fiber content on carbonation depth under different flexural compressive stress levels (carbonation for 8 d) 表 4 钢纤维混凝土碳化应力影响系数 ( 快速碳化 8 d) Tab. 4 Flexural loading influence coefficient on steel fiber concrete carbonization (carbonation for 8 d) 应力弯曲拉应力弯曲压应力水平 PC SFRC-0.5 SFRC-1.0 SFRC-1.5 SFRC-.0 PC SFRC-0.5 SFRC-1.0 SFRC-1.5 SFRC 如表 4 所示, 钢纤维混凝土碳化应力影响系数在弯曲拉应力作用下均大于 1, 在弯曲压应力水平下均小于 1, 这说明弯曲拉应力对于不同掺量钢纤维混凝土的碳化都起到加速作用, 而弯曲压应力对于不同掺量钢纤维混凝土的碳化都起到抑制作用. 但是纤维掺量不同, 加速和抑制的程度不同. 在各种应力水平下混凝土碳化应力影响系数的大小顺序为 :SFRC-1.5 < SFRC-1.0 < SFRC-0.5 < SFRC-.0<PC, 说明钢纤维能够降低弯曲荷载对基体混凝土碳化深度的影响, 在本次试验所选用的几种掺量中, 当钢纤维掺量为 1.5% 时, 这种降低效果最明显, 荷载对混凝土碳化影响最小. 分析原因是因为加入适量的钢纤维, 由于钢纤维的阻裂作用, 一方面减少了基体混凝土在凝结硬化过程中由于收缩等原因造成的微裂缝, 使混凝土的微观结构得到改善, 向更加密实的方向发展, 减少了 CO 在混凝土中的扩散通道 ; 尤为重要的是当荷载作用于混凝土, 其内部的钢纤维能分担应力, 阻止混凝土的开裂, 降低碳化速度. 但当钢纤维掺量增大到一定值后, 由于较多纤维的掺入, 混凝土在拌制过程中流动性变差振捣困难, 而且会出现结团现象, 基体混凝土密实性显著降低 ; 并且较多钢纤维掺入, 混凝土内部会形成更多的薄弱黏结界面, 在荷载的作用下更容易产生裂缝, 碳化速度反而增大,

5 第 1 期王艳, 等 : 弯曲荷载作用下钢纤维混凝土碳化性能 55 SFRC-.0 的碳化应力影响系数大于 SFRC-1.5 的碳化应力影响系数. 4 结论 (1) 弯曲荷载对钢纤维混凝土的碳化深度产生了影响, 但是弯曲拉应力与弯曲压应力对碳化深度的影响不同. 钢纤维混凝土的碳化深度在弯曲拉应力作用下增大, 并且随着拉应力水平的提高持续增大. 本次试验所选用的弯曲压应力水平对于钢纤维混凝土的碳化均起到了抑制作用. () 适量的钢纤维能够降低弯曲荷载对基体混凝土碳化深度的影响, 但当纤维掺量较大时, 混凝土在拌制过程中流动性变差而且会结团, 混凝土内部出现更多的薄弱界面, 使得这种降低效果不再明显. 在本次试验所选用的几种掺量中, 在各种应力状态下 SFRC-1.5 的碳化深度均为最小, 并且受荷载水平的影响也最小. 参考文献 References [1] SUN W, ZHANG Y M, YAN H D. et al. Damage and damage resistance of high strength concrete under the action of load and freeze-thaw cycles. Cement and Conerete Researeh, 1999,9(9): [] ZHOU Y, COHEN M D, DOLCH W L. Effect of external loads on the frost-resistant properties of mortar with and without silica fume [J]. ACI Mater J, 1994, 91(6): [3] SUN Wei, MU Ru, et al. Effect of chloride salt, freeze thaw cycling and externally applied load on the performance of the concrete[j]. Cement and Concrete Researech, 00, 3 (1): [4] 余红发, 慕儒, 孙伟, 等. 弯曲荷载化学腐蚀和碳化作用及复合对混凝土抗冻性的影响 [J]. 硅酸盐学报, 005,33(4): YU Hongfa, MU Ru, SUN Wei, et al. Effects of flexural loads, chemical attack, carbonation and their combination on Freezing-Thawing durability of concretes [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 005, 33(4): [5] 余红发, 孙伟, 李美丹. 荷载对混凝土在腐蚀冻融作用下强度的影响 [J]. 哈尔滨工业大学学报, 010, 4(): YU Hongfa, SUN Wei, LI Meidan. Effect of flexural stress on strength development of concrete subjected to combined actions of Freezing-Thawing and chemical attack [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 010, 4(): [6] 孙伟, 余红发, 王晴, 等. 弯曲荷载对混凝土抗卤水冻蚀性的影响 [J]. 武汉理工大学学报, 005, 7(7): SUN Wei, YU Hongfa, WANG Qing, et al. Effect of flexural stress on bittern Freezing-Thawing durability of concrete exposed to salt lakes [J]. Journal of Wuhan University of Technology, 005, 7(7): [7] 燕坤, 余红发, 麻海燕, 等. 硫酸镁腐蚀与弯曲荷载对碳化混凝土抗冻性的影响 [J]. 硅酸盐学报, 008, 36(7): YAN Kun, YU Hongfa, MA Haiyan, et al. Effect of magnesium sulfate attack and flexural stress on Freezing-Thawing durability of carbonized concretes [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 008, 36(7): [8] 何世钦, 贡金鑫. 弯曲荷载作用对混凝土中氯离子扩散的影响 [J]. 建筑材料学报, 005, 8(): HE Shiqin, GONG Jinxin. Influence of flexural loading on permeability of chloride ion in concrete [J]. Journal of Building Materials, 005, 8(): [9] 金祖权, 孙伟, 张云升, 等. 荷载作用下混凝土的碳化深度 [J]. 建筑材料学报, 005, 8(): JIN Zuquan, SUN Wei, ZHANG Yunsheng, et al. Study on carbonation of concrete under loading [J]. Journal of Building Materials, 005, 8(): [10] 张云升, 孙伟, 陈树东, 等. 弯拉应力作用下粉煤灰混凝土的 1D 和 D 碳化 [J]. 东南大学学报, 007, 37(1): ZHANG Yunsheng, SUN Wei, CHEN Shudong, et al. 1D and D carbonation of fly ash concrete under flexural stress [J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 007, 37(1): [11] 郭艳华, 潘慧敏, 李志业. 钢纤维混凝土碳化性能的研究 [J]. 混凝土. 007(): GUO Yanhua, PAN Huimin, LI Zhiye, Study on carbonation of steel-fiber reinforced concrete[j].concrete, 007(): [1] 朱海堂, 高丹盈, 张启明, 等. 碳化环境下钢纤维混凝土基本性能试验研究 [J]. 郑州大学学报, 005, 6(3): 5-8. ZHU Haitang, GAO Danying, ZHANG Qiming, et al. Test research on basic properties of steel fiber reinforced concrete under carbonization[j].journal of Zhengzhou University: Engineering Science, 005, 6(3): 5-8. [13] 高丹盈, 朱海棠, 赵军, 等. 冻融后钢纤维混凝土力学性能的试验研究 [J]. 郑州大学学报 : 工学版, 005, 6(1): 1-4. GAO Danying, ZHU Haitang, ZHAO Jun, et al. The experimental study on the basic mechanical property of steel fiber reinforced concrete after freeze-thaw [J]. Journal of Zhengzhou University: Engineering Science, 005, 6(1): 1-4. [14] MANGAT P.S, GURUSAMY K. Long Term Properties under Marine Exposure of Steel Fibre Reinforced Concrete Containing PFA [J]. Materials and Structures, 1998, 1(5): ( 本文编辑吴海西 )

~ 4 mm h 8 60 min 1 10 min N min 8. 7% min 2 9 Tab. 1 1 Test result of modified

~ 4 mm h 8 60 min 1 10 min N min 8. 7% min 2 9 Tab. 1 1 Test result of modified 30 1 2013 1 Journal of Highway and Transportation Research and Development Vol. 30 No. 1 Jan. 2013 doi 10. 3969 /j. issn. 1002-0268. 2013. 01. 004 1 2 2 2 2 1. 400074 2. 400067 240 U416. 217 A 1002-0268