弯曲应力作用下喷射混凝土受拉区碳化试验研究.pdf

68232t/)2016年 第 8 期 （ 47)卷 文章编号： 1001 9731(2016)08-08232-07 弯曲应力作用下喷射混凝土受拉区碳化试验研究 王 家 滨 ， 牛荻涛， 张永利 (西安建筑科技大学土木工程学院， 西 安 710055) 摘 要 ：为了研究隧道喷射混凝土单层衬砌碳化规律， 采用快速碳化实验方法， 研究了不同弯曲应力（ 0,0.2S: ， 0.5及0.75)作用下喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土受拉区碳化深度变化规律。结果表明， 喷射混凝土碳化深度 经时变化规律服从F ic k第一定律， 碳化深度随着碳化龄期和弯曲应力的增加而增大。同实验条件下， 喷射混凝 土碳化深度小于普通混凝土， 而钢纤维的加入进一步减小喷射混凝土同龄期碳化深度。在考虑弯曲应力影响系 数、 钢纤维影响系数及施工方式影响系数基础上对普通混凝土碳化深度预测模型进行修正， 使其能够较好预测喷 射混凝土碳化深度。 关键词： 隧道工程； 耐久性； 喷射混凝土； 碳化； 弯曲应力 中图分类号：T U528 文献标识码：A D O I： 10.3969/j.issn. 1001-9731.2016.08.042 引 言 喷射混凝土是借助喷射机械， 利用压缩空气将混 凝土或一定比例的水泥、 砂、 石拌合料， 通过软管以高 速喷射到受喷面上并快速凝结硬化的一种混凝土M 。 与普通混凝土相比， 喷射混凝土因速凝剂的掺入而具 有极短的终凝时间和高早龄期强度故其广泛应用 于隧道初期及永久支护、 矿山巷道支护、 道路边坡以及 结构加固及维修等领域 3 隧道现场 （b b 喷混凝土 （c c脱模与养护 图 1试件制作方式 Fig 1 Production of test specimens 采用三分点加载法， 即四点弯曲加载法， 加载弯曲应力1.3 实验方法 1.3.1应力加载方案 本文中弯曲应力采用弹簧加载方式在加载之 前采用上海华龙生产液压伺服实验机（ 量 程 100 k N， 加载速率为1 m m/m in， 加 载 至 10 m m时停止， 以免 将弹簧加载至塑性变形） 测试并计算每个弹簧的弹性 模量， 以保证加载应力的准确。为了防止长期加载而 造成的应力松她， 在加载装置中安装SH-30K型数显 推拉力计(量程3 k N， 精度0.01 N上海思为仪器制造 有限公司产） 对荷载F进行实时监控， 随时调节弹簧 压缩量。试件加载装置及试件受力方式示于图3。实 验开始前， 测定试件_ 抗折强度/n实验试件受力方式 分别为 0.25,0.5 及 0.75 / 。 1.3.2碳化实验 碳化实验按照 普通混凝土长期性能和耐久性能 试验方法标准 （GB/T50082-2009)中快速碳化法进 行。作先将试件至于鼓风干燥箱中60 C烘苄48 h， 待 试件降至室温后对其按照不同应力比进行加载。然 后， 在加载后试件4 个侧面采用石蜡进行密封， 只保留 1 组 100X400对面作为碳化面， 而启在重庆五环产 Z H T/W2300型大气气候环境模拟实验室中进行快速 碳化实验， 实验箱内部尺寸为长3.5 m、 宽 2.5 m、 高 2.0 m,实验环境为C 2 浓度为（ 20士3)M,湿度（ 70土 68234t/ u, 5 ) % ， 温度（ 202) t： 。快速碳化实验共进行5 个龄 期 ， 分别为7， 14,28,42和56 d。待到达龄期后测试试 件抗折强度， 并在子净的断口处均匀喷涂1 % 酒精酚 酞溶液， 测试试件碳化深度。 左右各切去50 m m ,50 m m ,上下各切去10 mm10 mm。 每个大板切出9 9个100 mm 100 mm X100 mm 100 mm X 400 mm400 mm 100 i (b(b)切割现场照片 1000 (a(a切割示意图 图 2喷射混凝土大板切割方式示意图 程度的増大。 封_#_2016年 第 8 期 （ 47)卷 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 图 4应力状态下普通混凝土受拉区碳化深度 Fig 4 Tensile area carbonation depth of specimen C43F10 |9.0|9.0 7.57.5 6 . 0 4.54.5 = 3.0= 3.0 SI O0.0 图5应力状态下普通喷射混凝土受拉区碳化深度 Fig 5 Tensile area carbonation depth of specimen 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d Fig 2 C utting production of shotcrete large slabsS43F10 5050小 100 100 小 100 |_ 100 _|_50 400 (b 100 |_ 100 _|_50 400 (b试件受力方式 图3实验加载装置及方式 Fig 3 Loading device and method of experim ent 2结果与讨论 2 . 1 应力状态对试件碳化深度影响2 . 1 应力状态对试件碳化深度影响 应力作用下试件受拉区碳化深度经时变化示于图 4-6。从图4-6可看出， 随着碳化龄期増长， 试件碳化深 度增大， 1 随着弯曲应力增大， 试件碳化深度出现不同 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 图 6应力状态下钢纤维喷射混凝土受拉区碳化深度 Fig 6 Tensile area carbonation depth of specimen S43F10SF50 (1)同碳化龄期及同应力水平下， 普通混凝土受 拉区碳化深度显著大于喷射混凝土，f t钢纤维喷射混 凝土碳化深度明显低于普通喷射混凝：t。其原因为： 首先， 喷射混凝土是在空气压力作用下从喷嘴处高速 喷出， 胶凝材料及骨料相互冲击压实而形成的， 其密实 度高于普通混凝土其次， 喷射混凝土终凝时间极短， 胶凝材料水化速度极快， 使得试件内部致密度迅速增 加； 再次， 喷射混凝土中添加4 % 碱性速凝剂， 使试件 中总碱量增加， 可 碳 化 碱 性 水 化 产 物 含 量 增 多 综 上所述， 喷射混凝土抗碳化性能优于普通混凝土 K2) 同碳化龄期下， 钢纤维喷射混凝土碳化深度显著小于 普通喷射混凝土、， |碳化龄期越长， 二者碳化深度差值 愈大。其原因为： 钢纤维的掺入一方面可显著减少喷 射混凝t早期因快速水化产生的化学收缩裂缝的数量 且限制其进一步扩展， 从而使试件内部微裂缝及连通 . 文 献 12 文献13 _ A 文献14 . 文 献 11 文献17 文献18 本文数据 气孔显著减少， 阻 断 二 氧 化 碳 的 进 入 及 扩 散 ;另一 方面， 钢纤维可增大试件的抗折强度， 提高试件的断裂 能。在同样的弯曲应力比作用下， 试件受拉区边缘抗 拉强度增大， 减缓受拉区边缘裂缝的出现和进一步扩 展， 同时亦可减小因受拉区受拉裂缝纵向深度， 试件抗 碳化性能进一步提高。（ 3 ) 同碳化龄期下， 同种试件 受拉区碳化深度随着弯曲应力增大而增大。在弯曲应 力作用下， 试件受拉区边缘拉应力大于此部分混凝j 抗拉强度， 从而开裂产生受拉裂缝； 随着弯曲应力增 大， 试件受拉区裂缝的纵向深度不断扩展， 为二氣化碳 的侵入提供通道， 加速试件碳化反应， 故随着弯曲应力 的增大,试件受拉区碳化深度増加。 2 . 2 与相关实验结果比较2 . 2 与相关实验结果比较 为了进一步研究弯曲应力对混凝土碳化深度的影 响， 将本文结米3 从mi7实验结果进行对比， 图 7 所示为弯曲应力对混凝土相对碳化深度影响统计 图。从图7 可以看出， 各组实验数据相差很大且较为 离散JL:原N为各文献采用的混凝I： 配合比等不同而 造成其本身具有较大差异性且实验环境各不相同， 另 外加载方式也不尽相同造成的。但从结果均可以看 出， 碳化深度随着拉应力比的增大而增大。 f2_4 % 2.2 2.0 |1.8 | 1.6 8 1.4 |1.2 i 1.0 a 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Stress levelStress level 图 7文献中相对碳化深度与拉应力水平关系 Fig 7 The relationship between carbonation depth and stress level in reference 2 . 3碳化后试件力学性能碳化后试件力学性能 r ebUbU 55 T O 1 50 t4 5 a :40 ；35 | 5.0 |)4.8 4.6 S) a 4.4 0 )4.2 4.0 O) I 3.8 1234567 8 012345678 Carbonation depth/mm Carbonation depth/mm (a Carbonation depth/mm Carbonation depth/mm (a)抗压强度及劈拉强度 图 8无应力状态碳化后试件力学性能 Fig 8 Mechanical properties of specimens after carbonation w ith none bending stress 其表达式为 0 l , 1 , 11,11,11,11,1 0 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d (b Accelarated carbonation age/d (b抗折强度 炫 3弯曲应力作用下碳化深度模型修正 近年来， 国内外学者提出了多种混凝土碳化深度 预测模型p4， 这些模型考察的主要影响因素各不相同 且表达形式不一， 但都以F ic k第一定律为基本形式， x=k4r (1) 综合考虑实验条件及相关配合比参数， 本文采用 张誉碳化深度预测模型为基础， 同时考虑施l| ： 艺系 数、 钢纤维影响系数及弯曲拉应力加速影响系数， 将其 s C43F10 . S43F10 ia C43F10 图 8(a)为无应力状态下碳化后试件抗压强度及 劈裂抗拉强度。从 图 8(a)可看出， 随着碳化深度増 大， 试件抗M强度和劈拉强度增大，M强度与碳化深度 呈线性关系。另外， 作通混凝土虽然初始力学性能高， 但强度增长率低。普通喷射混凝土抗压强度增长率最 快， 钢纤维喷射混凝土劈裂抗拉强度增长率最快。这 是因为与同配合比普通混凝土相比， 喷射混凝土本身 密实度较高， 毛细连通孔数量少。少量碳化产物即可 将试件内部微孔填充， 使试件密实度进一步增大， 喷射 混凝土抗压强度快速提商。而对于钢纤维喷射混凝 ， 钢纤维对试件抗压强度增大所起到的作用较小， 而 对劈裂抗拉强度贡献较大。经碳化过后的试件， 碳化 产物填充于混凝土基体内部微裂缝、 微气孔及基体-钢 纤维界面中， 使钢纤维喷射混凝土基体密实度增高， 孔 隙率减小。同时， 基体-纤维界面强度增大， 纤维拉拔 应力提高， 试件断裂能提高， 劈裂抗拉强度增大。 图 8(b)为无应力状态下碳化后试件抗折强度。 从图8(b)可看出， 随着碳化龄期增大， 即随着碳化深 度增大， 试件抗折强度先快速降低， 而后趋于稳定。同 龄期下， 普通喷射混凝土抗折强度明显低于普通混凝 _ ， 而钢纤维喷射混凝土抗折强度明显增大。随着碳 化龄期増大， 试件碳化深度增大， 因碳化反应产生的化 学收缩量増大， 收缩微裂缝增多。在断裂应力作用下， 收缩裂缝快速开展并相互连通， 合并成为主裂缝， 试件 断裂， 故试件抗折强度随着碳化龄期增大而降低； 对于 普通喷射混凝土.， 因胶凝材料水化硬化反应极快， 水化 产物快速形成弁异常长大23， 形成初始缺陷， 试件初 始抗折强度比普通混凝土低。在碳化作用下， 碳化收 缩裂缝增多， 抗折强度下降； 而对于钢纤维喷射混凝 土， 碳化产物将试件混凝土基体一钢纤维界面填充， 钢 纤维粘结应力增大， 断裂能提高。同时， 钢纤维可抑制 化学收缩裂缝的产生和开展， 故钢纤维喷射混凝土抗 折强度下降较为缓慢。 董 家 滨 等 ： 弯曲应力作用下喷射混凝土受拉区碳化试验研究 08235 VA 0 . 08236_#_2016 年第 8 期（ 47)卷 应用范围扩展至弯曲应力下喷射混凝土碳化深度预 喷射混凝土碳化深度预测模型一般形式为 测。通过对实验数据进行拟合， 其较好吻合F ic k第一 Xc=Kc/yY (2) 定律(东于图_9)， 故 坫 式 （ 1 ， . 得出害曲应力作用下 ：其 _中 _ ., ., I W/(7cC) -0.34 , K c = kkatk 839C1 R H )L - -n (3) 1 V 7hd7cC 式中,为喷射混 凝 土 综 合 碳 化 系 数 ， 其综合反 映了材料、 环境、 施工方式、 弯曲应力等因素的影响， 为碳化时间，d; 为模型调整系数;I为 喷射施工影响因素； 为弯曲应力水平影响系数 为钢纤维影响系数;R H为 环 境 相 对 湿 度 为 水灰比； 为二氧化碳体积浓度， ;y HD为水泥水化 程度修正系数， 养护龄期90 d取 1;28 d取 0.85,中 间线性内插； 7 f为水泥品种修，正系数， 硅酸盐水泥取 1， 其 它 品 种 的 水 泥 取 = 1水_派_中惨和料含量。 Accelarated carbonation age/d Carbonation age/d Accelarated carbonation age/d (a Accelarated carbonation age/d Carbonation age/d Accelarated carbonation age/d (a普通混凝土C43F10 (b)C43F10 (b)普通喷射混凝土S43F10 (cS43F10 (c钢纤维喷射混凝土S43F10SF50S43F10SF50 图9不同弯曲应力下试件深度变化规律 Fig 9 The carbonation depth change law of specimen under bending stress 为了定量分析弯曲应力水平对喷射混凝1： 碳化加 速作用， 采用弯曲应力水平影响系数进行表征。弯 曲应力水平影响系数定义为弯曲应力水平为a时 喷射混凝土受拉区碳化深度与无应力时碳化深度比 值， 其关系示于图10。 Fig 10 Relationship of carbonation ratio and bending stress 从图10可以看出， 不仅与应力水平相关， 而1 与碳化时间相关。对 实 验 数 据 进 行 拟 合 得 到 与 应 力水平a之间的关系 at 1 + kata (1.239 0.008T) (4) 式中，a为弯曲应力水平。 钢纤维影响系数定义为钢纤维喷射混凝土的碳化 深度与普通喷射混凝土碳化深度的比值。由f本文仅 研究了钢纤维掺量为0 及 50 kg/m3 时对喷射混凝北 碳化深度的影响， 因此假定钢纤维掺量对碳化深度的 影响关系为线性 s 1 0.006w (5) 式中，w为钢纤维渗量，kg/m30 施I工艺影响系数定义为喷射混凝土碳化深度与 普通混凝土的碳化深度比值， 通过对实验数据进行拟 合， 得出 0.535,喷射混凝土 (6) 1， 模筑混凝土 模型调节系数主要考虑实验过程中所用材料、 试 件制作过程、 碳化环境等的不一致性所造成的碳化深 度的差异， 通过试算， 模型调节系数取 ” .=0.8 (7) 将上述系数代人式（ 2)及（ 3)， 得出弯曲应力作用 下喷射混凝土碳化深度预测模型为 X c= 0.8 h 1 + (1.239 0.008T)士 (1 . 6w) 839(1 RH) IW /(7 ,C )-J i V 7m7cC n rT (8) ff=0;test 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d (a普通混凝土C43F10 图 11 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d (b普通喷射混凝土S43F10 试件碳化深度实测值与计算值对比 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d 7 14 28 42 56 Accelarated carbonation age/d (c(c钢纤维喷射混凝土S43F10SF50S43F10SF50 Fig 11 Comparison on test value and calculated value of specimen w ith and w ith o u t steel fiber 从 图i i可以看出， 计算值与实测值相差处宁 1 0 % 以内， 其平均值为1.002,标准差为0.066,通过此 模型可较好的进行弯曲应力作用下喷射混凝土碳化深 度预测。 4结 论4结 论 ( 1 ) 弯曲应力作用下混凝土碳化深度经时变化 符合F ic k第一定律， 且随着弯曲应力比増大， 试件碳 化深度增大。同条件作用下， 喷射混凝土碳化深度小 于普通混凝土， 这由喷射混凝土配合比、 水化过程及施 工方式的特殊性所决定； 钢纤维的加人可改善喷射混 凝土内部孔结构并减少试件受拉区微裂缝数量和开裂 深度， 使喷射混凝土碳化深度进一步减小。 ( 2 ) 喷射混凝土拉应力影响系数不仅与弯曲应 力比和是否添加钢纤维有关， 且随着碳化龄期的增大 而增大； 同时， 与相关文献对比分析可以看出， 弯曲应 力作用下混凝土相对碳化深度同样受水灰比、 掺和料 及埋设钢筋等因素影响， 这为后期实验的开展提供方 向。 ( 3 ) 在引入弯曲应力影响系数、 施工： r艺影响系 数及钢纤维影响系数基础上， 对普通混凝土碳化深度 预测模型进行修正， 使之适用于喷射混凝t,同时与实 测值进行对比， 其吻合程度较高。 致 谢 ： 感 谢 西 安 建 筑 科 技 大 学 博 士 创 新 基 金 项 目 的 大 力 支 持！ 参考文献： 1 Austin S A? 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Influence of accelerated carbonation on shotcrete at tensile area under bending stress WANG Jiabin,NIU Ditao,ZHANG Yongli (School of C ivil Engineering，X i an U niversity of A rchitecture and Technology，X i an 710055，China) Abstract：In order to research the carbonation of shotcrete single-layer lining in tu n n e l9 the accelerator carbona tion of shotcrete w ith and w ith o u t steel fiber under bending stress which the ratios of flexural strength were 0 ? 0.25 0.5 and 0.75 9 respectively were studied. The carbonation depth of shotcrete obeys Ficks firs t law and in creased w ith the carbonation age and bending stress im proved. In the sim ilar experim ent conditions 9 the carbon ation depth of shotcrete was sm all than ordinary concrete. M eanwhile 9 the carbonation depth of steel fiber rein forced shotcrete was much less than ordinary shotcrete at the same age. Based on the influence coefficients of bending stress? steel fiber and construction m ode9 the carbonation depth prediction model of ordinary concrete was m odified. Key words ： ： tunn