单调荷载作用下碳化混凝土应力-应变关系试验研究

 徐善华，  李安邦，  崔焕平，  刘小微

 （西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

[摘要]  通过快速碳化混凝土单调加载试验，研究了碳化对混凝土强度、刚度以及变形能力的影响。研究发现：碳化对于混凝土强度的提高作用有限，碳化后混凝土峰值压应变明显降低，弹性模量提高，试件破坏时脆性更加明显；不同碳化深度混凝土的应力-应变曲线上升段十分接近，下降段则随碳化加深变得越来越陡。通过对试验结果分析，建立了单调荷载作用下碳化混凝土应力-应变曲线方程，并给出了方程参数与碳化深度之间的关系，研究成果可为既有混凝土结构性能评定提供技术依据。

 [关键词]  混凝土；碳化；单调加载；应力-应变关系

 中图分类号：TU502+．6文章编号：1002-848X( 2016) 06-0081-05

0  引言

 碳化在造成混凝土内部化学成分、微观组织结构改变的同时，势必引起混凝土强度、变形及延性等力学性能指标发生变化。目前国内外学者针对碳化混凝土化学组分、微观结构及电化学性质变化开展了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果，然而针对碳化后混凝土力学性能变化规律开展的研究工作还相对较少。通过人工快速碳化试验与单调加载试验研究发现碳化使得混凝土抗压强度明显提高，同时其极限变形能力降低，C30混凝土碳化后抗压强度增大近60%，而碳化对混凝土峰值应变影响较小，C30混凝土碳化后峰值应变减小5%左右。通过对实验室快速碳化得到的完全碳化混凝土试验研究发现碳化使各种强度等级混凝土的立方体抗压强度有显著提高，可提高1.2~1.3倍；碳化混凝土棱柱体峰值应变比碳化前没有明显提高。通过试验研究发现碳化后混凝土峰值应变随碳化深度增加而减小，幅度可达50%；峰值应力也随着碳化深度增加而提高，幅度达15%。通过试验研究认为混凝土碳化后峰值应变基本保持不变；峰值应力提高16%~26%，并且提高数值与原混凝土强度等级有关，原混凝土强度等级越高，提高幅度越大。通过试验研究发现碳化深度较小时，混凝土的破坏形态与未碳化混凝土基本没有区别，而当碳化深度较大时，试件受荷过程中出现大面积剥离现象。

 本文通过开展实验室快速碳化试验与单调加载试验，考虑碳化深度影响，研究不同碳化深度对混凝土强度、刚度以及变形能力的影响，探讨单调荷载作用下不同碳化深度的混凝土应力．应变关系的变化规律，为既有混凝土结构性能评定提供技术依据。

1  试验方案

1.1试件设计与制作

 试验采用普通硅酸盐水泥，粗骨料为连续粒级碎石，最大粒径20mm，砂采用连续级配中砂，其含泥量不大于2%，拌和水为自来水。按《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 50081-2002)制作和养护试件，试验每立方米混凝土材料用量及混凝土立方体28d抗压强度指标见表1。需要指出的是本文的主要目的是为既有混凝土结构的耐久性评定提供基础数据，因此在试验设计之初就考虑到建造年代较早的既有混凝土结构混凝土强度普遍偏低、水灰比较大，在一般大气环境下更易于发生碳化反应的情况，因此试验设计的两组试件强度等级均不超过C30，水灰比不小于0.6。试验共制作了两批次48个试件，其中24个100mm×100mm×100mm立方体试件（分为8组，其中C20批次4组，C30批次4组，且每组各3个试件）用于研究混凝土碳化深度和抗压强度变化规律；另外24个100mm×100mm×300mm棱柱体试件（分为8组，其中C20批次4组，C30批次4组，且每组各3个试件）用于研究单调荷载作用下碳化混凝土应力一应变关系变化规律。

1.2快速碳化以及单调加载试验

 试件养护至规定龄期后，放人温度为60℃的烘箱干燥48h，然后用石蜡对试件端面进行密封，再放入CCB-70W混凝土碳化试验箱对试件进行快速碳化，见图1(a)。碳化过程按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》( CB/T 50082-2009)执行，碳化环境为：温度20 ±3℃、相对湿度(70±5)%、CO2浓度(20 ±3)%。每个批次试件的碳化试验均分为4组，试验过程中定期用切割机劈裂混凝土试件，并使用1%的酒精酚酞试剂检测试件碳化深度，当碳化到所需碳化深度后，取出相应组试件。

 全部试件完成预定程度的快速碳化试验后，同期采用改进的WAW系列微机控制电液伺服万能试验机( 100t)进行单调加载试验，采用位移计和应变计并借助于TDS-602动态数据采集仪测试试件应变，试验装置见图1(b)。

2  试验结果

2.1破坏形态

 混凝土棱柱体试件受压破坏，实质上是试件内部微裂缝形成、不断扩展直致贯通崩裂的过程。加载初期，试件基本都处于弹性阶段，应变近似按比例增长；随着荷载不断增大，试件逐渐进入弹塑性阶段，应力-应变曲线由陡变缓，呈上凸趋势，试件内部将会有微裂缝的形成，但直到试件应力水平达到峰值前，未碳化试件表面均无肉眼可见裂缝，而部分碳化后试件则在侧面角部已经开始出现可见的细而短的竖向裂缝，有的甚至出现表面脱落现象；荷载继续增加，试件应力达到并越过峰值点后，试件承载力减小，应力-应变曲线在峰值点处会形成很短的平缓区，碳化后试件的平缓区比未碳化试件明显缩短甚至消失；荷载再继续增加，试件表面相继出现多条不连续的纵向短裂缝，随着裂缝开展延伸，逐渐形成一条主斜裂缝，并逐渐贯通全界面，最后试件破坏。两批次不同碳化深度试件的破坏形态如图2所示，其中d为碳化深度。

 比较碳化试件与未碳化试件可以发现：1）随着混凝土碳化深度增加，碳化试件峰值应力对应的峰值应变明显减小；2）碳化试件在达到峰值应力前在角部就出现了肉眼可见裂缝，而未碳化试件往往越过峰值应力才产生肉眼可见裂缝；3）混凝土强度等级相同的试件，试件碳化深度越大，试件破坏时裂缝数量越少，其位置也越集中，且碳化深度较大试件破

坏前表面往往会出现大块崩裂脱落现象，其脆性更为明显（图2）；4）碳化深度相近的试件，混凝土强度等级越高，试件破坏时脆性越明显。

2.2主要试验特征值及应力一应变曲线

 表2给出了单调荷载作用下各组混凝土试件试验结果平均值。由表2可以发现：随着碳化深度加大，峰值应变明显降低；C20批次峰值应力变化不明显，C30批次后峰值应力增长一定幅度后趋于稳定；两批次混凝土初始弹性模量均不同程度增长。

 图3为两组具有代表性的不同碳化深度混凝土单轴受压实测应力-应变曲线。由图3可以发现：从形状上看，混凝土碳化前后的应力，应变曲线没有本质区别，随着碳化深度增加，应力．应变曲线上升段变化幅度不大，但下降段变化较大；随着碳化深度增加，混凝土应力-应变曲线下降段明显变陡，与横轴所包围面积（即试件累积耗散能量）随碳化深度加大而明显降低。说明混凝土脆性变大，塑性变形能力降低，破坏过程更为迅速。

3  单调荷载作用下碳化混凝土应力-应变关系模型

 图4(a)给出了单调荷载作用下碳化混凝土相对峰值应力系数妒（碳化后试件与未碳化试件峰值应力的比值）随碳化深度的变化。由图4(a)可以发现：C20碳化混凝土相对峰值应力系数变化不明显；C30碳化混凝土相对峰值应力系数提高幅度约为20%，提高幅度较C20混凝土相对峰值应力系数提高幅度更为明显，“原混凝土强度越高，提高幅度越大”相一致；随着碳化深度继续加大，两组试件峰值应力趋于稳定，这说明碳化对于提高混凝土强度作用有限。

 图4(b)给出了单调荷载作用下碳化混凝土相对峰值应变系数φ（碳化后试件与未碳化试件峰值压应变的比值）随碳化深度的变化。由图4(b)及表2可以发现：随着碳化深度加深，两批次混凝土相对峰值应变系数均明显降低，对于C20混凝土，当碳化深度为27. 27mm时，其峰值应变较未碳化混凝土降低了14.7%；对于C30混凝土，当其碳化深度为23. 48 mm时，其峰值应变较未碳化混凝土降低了12. 7%。通过对试验数据回归分析，得到相对峰值应变系数λ与碳化深度d之间的关系：

 λ= -0.005 32d +1 (1)

将两批次不同碳化深度混凝土在单调荷载作用下的应力-应变曲线作无量纲处理，如图5所示，图中ε0,σ0分别为各试件的峰值应变、峰值应力。由图5可以发现：不同碳化深度对应的无量纲曲线在形式上并没有发生实质性改变，其上升段非常接近，而下降段则随碳化深度加大变得越来越陡。为准确拟合碳化后混凝土受压应力-应变曲线，同时方便工程应用，将碳化混凝土与未碳化混凝土受压应力-应变曲线统一起来考虑。参考已有的普通未碳化混凝土应力-应变关系数学函数模型，经比较分析后采用过镇海等建议的分段式曲线方程对碳化混凝土应力．应变曲线进行拟合，得到：

 利用最小二乘法对表3中参数ac，b c进行拟合（图6），可以得到其随碳化深度变化的规律，图6中a0，b0分别为未碳化混凝土上升段与下降度方程参数。

 式(1)~(7)给出的碳化混凝土应力-应变关系模型对于既有混凝土结构的数值模拟有一定的应用价值。图7给出了部分碳化混凝土试件的应力一应变无量纲试验曲线与拟合曲线的对比，可以看出，二者吻合较好。

4  结论

 (1)对比未碳化混凝土，碳化混凝土裂缝出现较早，对于相同强度等级混凝土试件，碳化深度越大，试件破坏时裂缝数量越少，位置越集中，其脆性更为明显。对碳化深度相近的试件，混凝土强度等级越高，试件破坏时脆性越明显。

 (2)随着碳化深度加大，混凝土峰值应变明显降低，初始弹性模量提高，但碳化对于提高混凝土强度作用有限。

 (3)碳化混凝土应力．应变曲线上升段与未碳化混凝土相似，下降段则随碳化深度加大而明显变陡，碳化后混凝土的塑性变形能力、累计耗能能力均显著降低。

 (4)本文通过对试验数据回归分析，给出的单调荷载作用下碳化混凝土应力-应变关系模型与试验结果吻合良好。