不同类型持载混凝土碳化性能研究.pdf

第 44 卷第 8 期2023 年 8 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.8Aug.2023不同类型持载混凝土碳化性能研究王小惠1,涂静婷2(1.上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306;2.江西省水投江河信息技术有限公司,江西 南昌 330095)摘 要:为探讨外加荷载对不同环境湿度、不同类型混凝土碳化性能的影响,本文提出了自然条件下服役钢筋混凝土构件碳化深度预测模型。基于 100 mm 混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁的加速碳化试验结果,分别采用硅酸盐水泥、硅酸水泥掺 30%粉煤灰和硅酸水泥掺 50%磨细高炉矿渣浇筑混凝土试块和梁试件。结果表明:对不同类型混凝土的服役钢筋混凝土构件,在50 a 和100 a 的设计使用年限内,其碳化深度预测值随相对湿度的增加先增大后减小,最大碳化深度预测值均在 50%70%的相对湿度范围内。对持载钢筋混凝土构件,仅硅酸盐水泥混凝土和掺 50%磨细高炉矿渣的较小水胶比混凝土满足要求。水胶比较大的掺粉煤灰和掺粒状高炉矿渣的持载混凝土,不能满足不同暴露环境在 50%70%相对湿度范围内的耐久性要求。本文对不同类型持载钢筋混凝土构件的抗碳化耐久性设计有一定的参考价值。关键词:碳化深度;普通硅酸盐水泥;粉煤灰混凝土;高炉矿渣混凝土;预测模型;相对湿度;持载钢筋混凝土;设计使用寿命DOI:10.11990/jheu.202106054网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)08-1426-07Carbonation performance of loaded portland cement,fly ash,and ground granulated blast furnace slag concretesWANG Xiaohui1,TU Jingting2(1.College of Ocean Science and Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;2.Jiangxi Provincial Water Conservancy Investment Jianghe Information Technology Co.,Ltd,Nanchang 330095,China)Abstract:A prediction model for the carbonation depth of reinforced concrete members in service under natural conditions was provided to explore the effect of external loading on the carbonation performances of different types of concrete under different ambient humidity levels.portland cement(PC)concrete,PC mixed with 30%fly ash(FA),and PC mixed with 50%ground granulated blast furnace slag poured concrete test blocks and beam test pieces were adopted on the basis of the accelerated carbonation test results of 100 mm concrete cube test blocks and load-bearing reinforced concrete beams.Results showed that within the design service life spans of 50 and 100 years,the predicted value of the carbonation depth first increased and then decreased with the increase in relative humidity and that the maximum prediction value of carbonation depth was within the relative humidity range of 50%70%.Among the load-bearing reinforced concrete members,only PC concrete and the concrete with a rela-tively low water-to-binder ratio mixed with 50%ground blast furnace slag met the requirements.The load-bearing concrete mixed with FA and granular blast furnace slag with a relatively high water-to-binder ratio cannot meet the durability requirements imposed by different exposure environments with relative humidity levels of 50%70%.This study has a certain reference value for the design of the carbonation resistance durability of different types of load-bearing RC members.Keywords:carbonation depth;ordinary portland cement;fly ash concrete;blast furnace slag concrete;prediction model;relative humidity;loaded RC element;design service life收稿日期:2021-06-19.网络出版日期:2023-05-09.基金项目:欧盟 HORIZON 2020 Marie Skodowska-Curie Research Fel-lowship Programme H2020(658475).作者简介:王小惠,女,教授,硕士生导师;涂静婷,女,硕士研究生.通信作者:王小惠,E-mail:w_xiaoh .近年来,由于普通硅酸盐水泥(portland cement,PC)中矿物掺合料的增加,混凝土碳化问题变得越来越重要。除水泥外,粉煤灰(fly ash,FA)、磨细的高炉矿渣和硅灰,常用于制备“绿色”混凝土。而混凝土的碳化受相对湿度1-2、二氧化碳浓度2和温度3、水泥种类和含量4、混凝土养护条件和养护时间5以及混凝土水胶比6的影响;较差的混凝土第 8 期王小惠,等:不同类型持载混凝土碳化性能研究质量7、荷载引起的微裂缝6和可见裂缝8,也会影响混凝土的碳化性能。相对湿度(relative humidi-ty,RH)是影响混凝土结构抗碳化性能的一个重要环境因素,当混凝土孔隙水饱和或者足够干燥致使CO2难以进入时,会阻碍混凝土的碳化进程9。通常采用加速碳化试验评估混凝土的抗碳化性能,并建立混凝土加速碳化与自然碳化间关系。考虑混凝土的湿度、温度、CO2浓度和孔隙率,采用有限元方法预测了完好混凝土的碳化深度10。但服役钢筋混凝土结构中的可见裂缝和微裂缝是不可避免的,在混凝土开裂处可观察到较大的碳化深度6-8。然而,多数研究提出的预测钢筋混凝土结构使用寿命的碳化模型,尚未将混凝土持载引起的微裂缝作为一个参数加以考虑11。在不同暴露条件下,混凝土最小保护层厚度的要求均基于这些碳化模型。尽管水胶比低的优质“绿色”混凝土抗碳化性能较好,但对于较大水胶比的持载“绿色”混凝土,在某些暴露条件下钢筋混凝土构件中混凝土的最小保护层厚度无法满足抗碳化性能要求12。本文根据不同类型混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁 120、240 d 加速碳化试验结果6,12,考虑 CO2浓度和相对湿度对混凝土抗碳化性能的影响,建立自然条件下不同类型持载混凝土碳化深度预测模型。对由加速碳化试验同类型混凝土浇筑的服役钢筋混凝土构件,预测了其在 50、100 a 设计使用寿命下的碳化深度,以评估“绿色”混凝土的抗碳化能力。1 加速碳化试验概况和结果 试验采用了表 1 所示 6 种混凝土配合比。胶凝材料采用普通硅酸盐水泥 PC(CEM I 52.5 N)、PC掺 30%粉煤灰(FA)和 PC 掺 50%磨细高炉矿渣(GGBS)。水胶比为 0.40 和 0.55。每种混凝土配合比均浇筑若干 100 mm 混凝土立方体试块和 4 根钢筋混凝土梁 100 mm120 mm900 mm。养护后,所有用于加速碳化的试块和 4 根钢筋混凝土梁(见表 1)均在与碳化室相似的环境条件(即温度和相对湿度)下保存约 90 d。再对梁试件进行 4 点弯曲静力加载,使梁受拉区产生最大名义宽度为 0.1 mm或 0.3 mm 的可见裂缝。卸载后,将梁试件成对背靠背放置,采用预紧钢筋、100 mm100 mm 钢板和螺栓固定,使裂缝保持开裂状态;然后,将混凝土试块和梁成对放置在碳化室内 120 d(第 1 阶段6)和240 d(第 2 阶段12)。碳化室中 CO2浓度为 4%,湿度为 60%。达到设计碳化时间后,进行了混凝土试块和梁试件内混凝土碳化深度测量。具体步骤见文献6,12。混凝土命名规则为水胶比+胶凝材料类型,如 040PC 即水胶比 0.40、普通硅酸盐水泥 PC浇筑的混凝土。表 1 未持载混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁试件的加速碳化深度6,12Table 1Carbonation depths in unloaded concrete cubes and loaded RC beam specimens subjected to ac-celerated CO2 attacks6,12混凝土类型t/d试件平均碳化深度/mm最大碳化深度/mm顶部底部顶部底部040PC120 240 立方体00梁1.83.28.68.9立方体00梁0000055PC120 240 立方体18.916.1梁14.317.925.141.2立方体28.422.4梁20.736.847.777.6040FA120 240 立方体19.318.5梁16.121.625.058.4立方体25.224.9梁31.342.2一些区域在整个梁高度内完全碳化055FA120 240 立方体24.418.5梁20.843.539.364.9立方体47.446.7梁整个梁高度内完全碳化040GGBS120 240 立方体11.610.6梁10.615.1 24.642.9立方体10.38.0梁19.822.329.641.9055GGBS120 240 立方体15.212.0梁20.327.127.066.7立方体23.019.3梁43.549.4一些区域在整个梁高度内完全碳化注:梁中 200 mm 纯弯区段,不包括可见弯曲裂缝的影响。表 1 给出了混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁试件的加速碳化深度试验结果。从表 1 可以看出,经 240 d 加速碳化后,040PC 混凝土立方体试块和梁试件几乎未碳化,而 055FA 梁试件几乎完全碳化;055GGBS 和 040FA 梁试件部分区域在梁整个高度上完全碳化。2 自然暴露条件下混凝土碳化深度预测模型 考虑混凝土中 CO2的扩散系数 D 与混凝土孔隙率和孔隙饱和率的关系