再生陶瓷粗骨料混凝土碳化深度预测模型试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 1期 (总 第 3 0 3期 ) Nu mr 1 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 3 J 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 1 0 1 4 再生陶瓷粗骨料混凝土碳化深度预测模型试验研究 刘洋 。曾志兴。 。 万超 ， 蔡 国军 ( 1 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 6 1 0 0 5 9 ； 2 重庆大学 土木工程学院， 重庆 4 0 0 0 4 4； 3 华侨大学 土木工程学院， 福建 泉州 3 6 2 0 2 1 ； 4 深圳市华阳国际工程设计有限公司， 广东 深圳 5 1 8 0 3 8 ) 摘要： 基于 C 4 5强度混凝土， 以再生陶瓷粗骨料按照不同质量配合 比替代天然粗骨料， 配制再生陶瓷混凝土 ( R C A C) 试块进 行碳化深度试验。 试验表明： 标准环境下 ， 碳化深度总趋势随陶瓷粗骨料掺量 的增加而增加； 以一维碳化深度为基准 ， 二维碳 化 深度约为其 1 7倍、 三维碳化深度约为其 2 6 倍 ； 浇筑面的碳化深度 比侧面深约 I n l m； 基于碳化深度试验， 提 出了再生陶瓷粗骨 料混凝土碳化深度预测模型， 计算结果与试验数据吻合较好。 关键词： 再生陶瓷混凝土； 碳化深度； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) O l 一 0 0 5 4 一 o 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o f t h e c a r b on a t i o n d e p t h f or e c a s t i n g mo d e l f o r t h e r e c y c l e d c e r a mi c c o a r s e a g gr e g a t e c o n c r e t e L J U I ， GZ h i x i n g ， WA NC h a o ， C A I G u o j u n ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ge o h a z a r d P r e v e n ti o n a n d Ge o e n v i r o n me n t P r o t e c ti o n ， C h e n g d u Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Ch e n g d u 6 1 0 0 5 9， C h i n a ； 2 Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Ch o n g q i n g Un i v e r s i ty， Ch o n g q ing 4 0 0 0 4 4， Ch i n a ； 3 Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Hu a q i a o Univ e r s i t y， Qu a n z h o u 3 6 2 0 2 1 ， Ch i n a ； 4 S h e n z h e n C a p o l I n te rna t i o n a l E n g i n e e r i n g C o s t C o n s u l ta ti o n C o ， L t d S h e n z h e n 5 1 8 0 3 8 ， C h i n a ) Abst r a c t： Ba s e d o n t h e s t r e n g t h o f c o n c r e te C4 5 t o r e g e n e r a t e t h e c e r a mi c c o a r s e a g g r e g a te i n d i ffe r e n t we i g ht r a tio s i n s tea d o f n a t u r a l c o a r s e a g g r e g a te ， p r e p a r a t e d rec y c l e d c e r a mi c a gg r e g a t e c o n c r e t e f o r c a r b o na tio n de p th tes t Te s t s s ho w u n d e r s t a n da r d e n v i r on me n t ， c a r - b o n i z e d d e p th i nc r e a s e s a l o ng wi th the c a r bo n a tio n c e r a mi c c oa r s e a g gre g a t e c o n t e n t ； c a r bo n a ti o n d e pth i n a o n ed i me n s i o nal b a s i s ， i t s t wod i me n s i o nal c a r bo n a ti o n d e pt h o fa bo u t 17 t i n s a n di t st h r e ed i me ns i o n a l c arbo n a tio n d e p th o f a bo u t26ti me s； c a r b o na ti o n d e p th t h a n t h e s i d e o f the c a s t i n g s u r f a c e d 印t l l o f a bou t 1 m m； c ar b o n a ti o n d e p tho n a t r i a l b a s i s ， i t p I lo p o s e a m o d e l t O ge dic t th e dep th o f re g e n e r a t i v e c e r a mi c c o a r s e a g g r e ga te c o n c rete c arb o n a tio n， t h e c alc u l a ti o n r e s ult s a gre e we l l wi th e x p e r i me n t K e y wo r d s： r e c y c l e d c e r a mi c a g g r e g a t e c o n c r e te； c arbo niz ed d e p th mo d e l ； me c h a n i c al p r o p e r t i e s 0 引言 陶瓷工业的快速发展致使陶瓷废料 日益增多 ， 加之我 国陶瓷工业废料的处理与利用程度较低 ， 造成废渣挤 占耕 地 ， 对水和空气造成污染 。 利用废弃陶瓷作为混凝 土骨料 配置而成再 生混凝 土 ， 可 以有 效减 少环境 污染并 节约 资 源。 目前 ， 关于再生 陶瓷混凝土及其耐久性研究较少 ， 碳化 作 为衡量耐久性的重要指标之一 ， 能够很好反 映混凝土材 料性能、 物相结构和化学组分等变化与大气环境及时间的 关系。 影响碳化的主要因素为外部环境及混凝土自身 。 1 试验概况 1 1 试验原料 再生陶瓷粗骨料取废弃建筑陶瓷， 粒径为 5 2 0 m m， 表观密度为 2 3 8 0 k g m ， 堆 积密度 为 1 2 1 0 k g m ， 空 隙 率 V为 4 9 ， V 为 4 5 ， 压碎指标为 7 3 ， 2 4 h对应 的吸 水率为 2 9 3 ； 天然粗骨料为粒径 5 2 0 m l n的连续级配 的碎石 ； 细骨料 为天然河 砂 ， 细度模数 为 2 4 4 ， 含水率 为 1 9 5 ； 水泥采用 4 2 5 MP a 级水泥 ； 水为 自来水。 试验配合 比： 水 灰 比为 0 5 5 、 每立 方 米水 泥 用量 为 3 9 6 4 k g 、 砂为 6 0 6 8 k g 、 水为 2 2 0 k g 、 碎石为 1 1 2 6 8 k g ； 再生陶瓷粗 骨料混 凝土 以陶瓷 按碎石 质量分 数 的 2 5 、 5 0 、 7 5 、 1 0 0 进行取代 。 普通混凝 土记为 ： N C， 再生 混 凝土按照取 代率的不同记 为 ： R C 2 5 、 R C 5 0 、 R C 7 5 、 RC 1 0 0 。 1 2试 验 方 法 基于文献 2 进行试验， 碳化后抗压、 劈拉强度试验采 用标准立方体试块； 碳化后抗折强度试验采用 1 0 0 m i l l X 1 0 0 i n l I 1 x 4 0 0 r a i n试块 。 一维碳化深度的量测利用劈拉 后 的试块， 二、 三维碳化深度利用抗折后试块。 标准条件下养护 2 8 d 后 ， 在 ( 6 0 2 0 0 ) 温度下烘干 ( 4 8 h ) 进行碳化试验； 侧面顺长度方向每 1 0 m m 画平行 收稿 日期： 2 0 1 4 0 7 0 8 基金项 目： 国家 自 然科学青年基金( 4 1 2 0 2 2 0 9 ) ； 四川省教育厅基金项目( 1 1 Z B 0 3 8 ) 5 4 落度、 和易性及密实性随陶瓷粗骨料取代率不 同产生差 异。 总趋势上， 混凝土碳化深度与抗压强度呈线性关系， 类 似与文献 6 ， 8 的普通混凝土碳化试验。 3 1 2 碳化深度与碳化时间的关系 碳化深 度 与碳 化 时 间 的关 系见 图 3 。 由图 知 ： 碳 化 深度与碳化时间按幂函数关系增长， 碳化到一定程度后， 碳化反应速度增长变慢。 主要因为碳化初期， 供碳化的 C a ( O H) 充足 ， 反应迅速强烈 ； 随 C a ( O H) ： 的消耗 ， 碳化 速度降低。 另外 ， 碳化反应引起的混凝土的内部结构变化 反过来制约 了碳化反应的进行。 碳 化时 同 d 图3碳化深度随碳化时间的变化图 图中各曲线相应碳化深度( X( t ) ) 的回归方程及相关 系数( ) 为 ： R C 1 0 0 ： X( t ) = 3 8 8 t 。 ， R = 0 9 8 8 ； R C 7 5 ： X( t )= 3 9 1 t o R =O 9 8 4 R C 5 0 ： X( t ) =3 8 6 t 。 ， R = 0 9 8 0 ； R C 2 5 ： X( t )= 3 7 6t R =0 9 81 NC： X( t )=3 5 8 t o 弘， R。 = 0 9 6 4 曲线的时间影响指数均在 0 3 2 0 3 6之 间， 算术平均 值为0 3 4 ， 比文献 4 9 模型公式中相应的时间指数0 5 偏小 。 所 以， 本文指数取 0 3 4 。 3 1 3 再生陶瓷粗骨料混凝 土碳化深度预测模型的建立 抗压 强度是混凝 土最基 本 的性 能指标 之一 ， 在 实际 工程 中容易测 定 ； 将抗 压强 度 作 为主 要影 响 因子 ， 能 综 合反映水泥及粗细骨料相关参数、 外加剂掺人情况、 施工 及养护情况等对碳化 深度及 碳化速度 的影 响 ； 另外 ， 碳 化中随机性及不确定性 因素较多。 本试验均在相同标准环 境下( C O 2 浓度： ( 2 0 3 ) 、 相对湿度 ： ( 7 0- I- 5 ) ， 温度： ( 2 0 5 ) ) 完成 ， 忽略上述 因素 的影响 ， 仅就抗压强度及 碳化时间 ， 提出预测模型 ： X( t )= k t o ( 6 ) 式 中： 七 碳化速度系数 ， m m d 弘 m m； X ( t ) 碳化深度 ， m m； f 碳化时间 ， d 。 结合文献 4 ， 7 ， 9 给出的 3种碳化预测模型， 其中， A， B， C， D， E ， F均为常数系数。 d ， 1 = + B ； k = 产 + D ； k = E ，k + F( 7 ) f e u k J G u， 由图 2 知碳化深度与抗压强度近似成线性关 系， 故选 式 ( 8 ) 进行拟合 ： k =E。 ，k + F ( 8 ) 5 6 式 中 混凝土立方体抗压强度标准值 ， MP a 。 将试验数据带入拟合得： k =一 O 0 2 4 ， c u ， + 4 7 8 ； 相 关系数为O 9 4 5 ； 残差的平方和为5 1 5 7 ， 计算值与试验值 吻合较好， 则标准环境下， 一维碳化深度平均值的预测公 式为 ： X( f )=( - 0 0 2 k + 4 7 8 ) t o ( 9 ) 式 ( 9 ) 算得碳化深度值见表 2 。 表2 碳化深度计算值与试验值 n l m 3 2 浇筑面碳化深度试验 结果与分析 在房建工程中， 碳化 的多为侧 面； 在道桥工程中 ， 碳化 多发生在浇筑面。 由表 3和表 1知 ， 浇筑面碳化深度 比侧 面约深 1 n L r f l 左右 ， 主要 原因是 ： 振捣 不实及混凝 土凝 固 过程 中表 面和内部微小气孔 的影响 ， 致使浇筑面密实性低 于侧面。 表 3 再生陶瓷混凝土浇筑面碳化深度值 m i l l 由表 3 及 图 4知 ： 再生陶瓷粗骨料混凝土浇筑面的碳 化深度总趋势随着取代率的增加而增加， 类似于侧面的碳 化深度 ； 浇筑面抗压强度与碳化深度关系与侧面亦类似 。 图 5 中各 曲线相应碳化深度( X( t ) ) 的 回归方程及相 抗 压强度 MP a 碳化时间 ， d 图 5 碳化深度随碳化时间的变化图( 浇筑面 ) 目量髓磺 氍 关系数( R ) 为： R CI O 0 ： X ( t )： 4 7 3 t 。 ， R = O 9 8 9 ； R C 7 5 ： X( t ) = 4 4 8 t o R =0 9 8 4 R C 5 0 ： X( f )= 4 5 o r o 。 。 ， R = 0 9 4 8 ； R C 2 5 ： ( t )= 4 4 4t 一 R =0 9 4 9 N C： X( t )=3 9 2 t o 弛， R = 0 9 3 4 曲线 的时间指数均在 0 3 0 0 3 2之间， 加权平均值为 0 3 1 ， 比文献 4 9 模型公式中相应的时间指数 0 5偏小。 所以 ， 本文指数取 0 3 1 。 同一维碳化深度， 则标准环境下， 浇筑面碳化深度平 均值的预测公式为： X ( t )：(一 0 0 4 9 L k + 6 3 8 ) t o 。 ( 1 O ) 式( 1 0 ) 算得碳化深度值见表4 。 表 4 碳化深度计算值与试验值比较 3 3 二 、 三维碳 化深度试验结果与分析 鉴于浇筑面和底面对二维碳化深度影响不大， 将图6 中单箭头 4 5 0 。 方 向、 双箭头 4 5 0 。 方 向的四个碳 化深 度一 起量测， 作为二维碳化深度结果( 见图 7 ) ； 三维碳化深度 结果见 图 8 。 由图7和图 8知 ， 二 、 三维碳化深度规律与一维相似 ； 比较图7和表 1 知， 角部最大碳化深度值是侧面的约 1 7 倍； 文献 1 0 给出的实测值在 1 4 - 1 8之间， 本文计算值 与上限值比较吻合， 验证了计算结果。 由图8与表 l 知 ： 三 图6 二维碳化深度 0 5 1 0 1 5 2 0 25 3 0 碳化时间， d 7 二维碳化深度与碳化时间的关 系 碱 化 时 间 d 图8 三维碳化深度与碳化时间的关系 维碳化深度是一维的2 6 倍。 图 7中二维碳化各曲线相应碳化深度 ( X ( f ) ) 的回归 方程及相关系数 ( R ) 为 ： R C I O 0 ： X( t ) = 7 4 0 t 。 ， R = 0 8 8 8 ； R C 7 5 ： X( t ) = 7 o g t o R =0 9 2 7 R C S O ： X( t )= 6 8 2 t 。 ， R = 0 9 2 9 ； R C 2 5 ： X( t )= 6 5 2 t 弛 R。=09 4 9 NC： X( t )= 6 2 6 t 。 ， R = 0 9 2 8 图 8中三维碳化各曲线相应 碳化深度 ( x( t ) ) 的 回归 方程及相关系数( R ) 为： R C I O 0 ： X ( t ) = 9 6 1 t o ， R = 0 9 8 6 ； R C 7 5 ： x ( t ) ： 9 2 2t ” R =0 9 8 4 R C 5 0 ： x ( t )= 8 8 6 t 。 。 ， R = 0 9 8 0 ； R C 2 5 ： X( t ) = 8 4 5 t 曲 R =0 9 8 0 NC： X( t )=8 2 0 t 。 ， R =0 9 7 6 二维碳化深度 曲线的时 间指数均在 0 3 1 0 3 3之 间， 加权平均值为 O 3 2 ； 三维的介于 0 3 7- 1 3 3 9之间， 加权平 均值为 0 3 8 ； 均比文献 4 9 相应指数 0 5 偏小。 故本文 二维、 三维时间指数分别取 0 3 2 、 0 3 8 ； 同侧面碳化深度 原 理， 标准环境下， 二维、 三维碳化深度平均值的预测公式为： X ( t ) 2 D=(一 0 0 7 k + 9 9 9 ) t o ( 1 1 ) X( t ) 3 D=( 一 0 0 9 k + 1 2 7 7 ) t o 。 。 ( 1 2 ) 4结 论 基于 国内外普通混凝 土碳 化深度预测模 型 的理论及 试验研究 ， 提出了再生陶瓷粗骨料 昆 凝 土碳化深度试验方 法及碳化深度预测模型。 主要结论如下 ： ( 1 )一维碳化碳化深度 总趋势随陶瓷粗骨料掺 量 的 增加而增加 ； 取代率为 5 0 碳化深度与普 通混凝土非常接 近； 一维碳化深度平均值预测模型为： X( t )=(一 0 O 2 4 k + 4 7 8 ) f u ( 2 ) 浇筑面的碳化深度较侧面约深 1 mm， 浇筑面的碳 化深度总趋势亦随陶瓷粗骨料掺量的增加而增加 ； 其碳化 深度平均值预测模型为 ： x ( f )=( 一 0 o 4 k + 6 3 8 ) t o 。 ( 3 )二维碳化深度是一维的 1 7倍 ， 三维碳化深度是 一 维的 2 6倍 ； 碳化深度预测公式分别为 ： X( t ) 2 D= (一 0 0 7 k + 9 9 9 ) f 0 ， X ( f ) 3 D =( 一 O 0 9 7 f o ，k+ 1 2 7 7 。3 。 下转第 6 1页 5 7 “9 ， 图 目 目、 髓媾 谨 表 3 极限荷载和极 限滑移计算与试验结果表 3 3 分析计算结果和试验结果 分析图 5计算和试 验结果 的力 一位移曲线图， 可 以发 现有限元模拟 的结果和试验结果基本稳合 ， 从荷载 一位移 曲线 图中可以看出 ： ( 1 ) 在荷载达到极 限黏结荷载前 ， 两曲线基本重合 ， 只 是在初始阶段二者有一定的出入， 分析其原因： 在有限 元模拟 中 C O MB I N 3 9弹簧单元要求 的本 构关系必须进过 坐标原点 ， 故在进行有限元模拟时必须先对试验得到 的黏 结滑移的本 构关 系进行 必要 的调整 ， 使 曲线进 过坐标 原 点； 在试验中， 先对试件进行对中和预加载， 然后卸载再 进行正式加载， 在此过程中导致试验得到的力 一 位移曲线 在初始阶段 出现了一段非线性变化 阶段 ， 而在有 限元模拟 中是没有此 变化过程的。 ( 2 ) 在荷载达到极限黏结荷载后 ， 两 曲线 的变化趋势 相同， 都出现了一段水平线， 然后曲线继续上升， 但计算结 果比试验结果略微偏大 ， 分析其原因： 在试验中， 为了得 到钢管混凝 土界面上的相对滑移量 ， 需要先对钢管进行开 孔 ， 而钢管本身尺寸不大 ， 对缺陷很敏感 ， 加上钢管在焊接 过程中产生了的局部强化和残余应力 ， 这在一定程度上破 坏了钢管和核心混凝土界面上的黏结力 ； 混凝土在浇筑 的过程 中， 需要将 钢筋棒插入混凝 土 中， 由于钢管 与混凝 土属 于两种不相容 的材料 ， 故插入的钢筋棒 在一定程度上 破坏了界面上的黏结力； 由于试验条件有限， 像混凝土 在浇筑过程 中振捣 的不够密 实 、 试 件在 搬运过 程 中的碰 撞、 加载仪器及测量仪器本身的局限性等影响， 这在一定 程度上破坏了钢管混凝 土界面上的黏结力 ， 而有 限元模拟 的整个过程 中是一个理想的过程。 上接第 5 7页 参考文献 ： 1 吴晓斌 钢纤维轻骨料混凝土碳化试验研究 D 福建 ： 华侨大 学 ， 2 0 0 8 2 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 0 4 3 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 4 3阿列克谢耶夫 钢筋混凝土结构 中钢筋腐蚀与保护 M 黄可 信， 吴兴祖， 等译 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 3 5 P A P A D A K I S V G E f f e c t o f s u p p l e m e n t a r y c e m e n ti n g m a te r i a l s o n c o n c r e t e r e s i s t a n c e a g a -ms t c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e in g r e s s J Ce me n t a n d Co n c r e te Re s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0： 2 912 9 9 6 张誉， 蒋利学， 等 混凝土结构耐久性概论 M1 上海： 上海科学 技术出版社， 2 0 0 3 4结 论 ( 1 ) 通过推出试验 ， 得出钢管混凝土界面上的黏结力 随 着膨胀剂含量的增加而增大 ， 这对于钢管混凝土中的钢管与 核心混凝土在外荷载的作用下良好 的协 同工作是有利的。 ( 2 ) 通过有 限元模拟钢管混凝土界 面上 的黏结滑移 ， 得出计算结果比试验结果略微偏大， 但二者基本稳合， 有 限元模 拟界面上的黏结力是合理可行 的。 参考文献： 1 V I D R I K S ， D O WL I N G P J B o n d s t r e n g t h i n c o n c re te f il l e d s t e e l t u b e E J I A B S E P r o c e e d i n g P一 3 3 8 0 ( C ) ， 1 9 8 0 ： 1 2 5 1 3 9 2 C MA E R O N B B o n d B e h a v i o r i n c o n c r e te f d l e d m b e c o mp o s i te c o l u mn s D Ms t h e s i s ， U n i v e r s i t y o f Wa s h i n g t o n ， S e a t t l e ， 1 9 9 7 3 3黄晖， 叶燕华 ， 杜艳静 ， 等 钢管自密实混凝土黏结滑移性能试 验研究r J 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 2 3 2 7 4 薛银生 钢管自密实混凝土力学及黏结滑移性能研究 D 河 北： 河北农业大学， 2 0 1 2 ( 5 ) 5 MO R I S H 1 T A Y， T O MI I M E x p e r i m e n t a l s t u d i e s o n b o n d s le n - g t l in c o n c r e t efi ll e d c ir c u l ar s t e e l t u b u l ar c o l u mn s s u b j e c t e d t O a x i a l l o a d s J T r a n s a c ti o n s o f J a p a n C o n c r e t e I n s ti t u t e ， 1 9 7 9 ( 1 ) ： 3 5 1 3 5 8 6 钟善桐 钢管混凝土中钢管与混凝土的共同作用 J 哈尔滨建 筑大学学报 ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 6 1 0 7 韩林海 钢管混凝土结构 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 0 作者简介 ： 郑瑛英( 1 9 8 6一) ， 女 ， 助教。 联 系地址 ： 湖北职业技术学院( 4 3 2 1 0 0 ) 联 系电话 ： 1 3 5 5 4 3 5 1 5 2 1 7 刘亚芹 混凝土碳化引起的钢筋锈蚀实用计算模式I- D 上海 同济大学， 1 9 9 7 8 张海燕 混凝土碳化深度的试验研究及其数学模型建立 D 陕西 ： 西北农林科技大学 ， 2 0 0 6 r 9 牛荻涛， 董振平， 浦聿修 预测混凝土中碳化深度的随机模型 阳 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9( 9 ) ： 4 1 4 4 1 O 1 莫斯克文， 等 混凝土和钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法 M 倪继淼 ， 何进源， 等译 E 京 ： 化学工业出版社 ， 1 9 8 8 作者简介： 刘洋( 1 9 8 4一) ， 男， 助教， 博士研究生。 主要从事混凝 土耐久J性方面的研究。 联系地址： 成都市成华区二仙桥东三路 1 号 成都理工大学环境 与土木工程学院( 6 1 0 0 5 9 ) 联系电话： 0 2 8 8 4 0 7 8 8 7 4 6l