普通钢筋混凝土结构一般都是带裂缝工作,裂缝的存在,使CO2更易进入混凝土内部,导致裂缝处混凝土碳化深度加大,从而过早诱发钢筋的锈蚀,造成结构耐久性下降。对混凝土的碳化研究已较为成熟[1-5],但对带裂缝混凝土的碳化研究较少,雷涛[6]通过研究不同裂缝宽度混凝土试件在干燥环境(环境相对湿度20%)下碳化后裂缝处的碳化深度发现,在干燥环境下,开裂混凝土沿着裂缝壁发生碳化反应,碳化深度会直达裂缝前端,碳化深度与裂缝宽度关系不大。刘欣等[7]结合试验,分析了钢筋混凝土结构细微裂缝(0.10~0.20 mm)对碳化深度和钢筋锈蚀的影响,得出微裂缝处的碳化深度是非裂缝处碳化深度的1.4~1.8倍。Ann等[8]对桥梁墩柱上不同损伤程度的混凝土进行碳化深度测试,发现当混凝土裂缝宽度为0.10~0.20 mm时,裂缝处混凝土碳化深度大约是非裂缝处碳化深度的2.12倍。金祖权等[9]通过三点弯曲使混凝土试件产生裂缝,发现当裂缝宽度小于0.07 mm时,裂缝宽度对混凝土裂缝处碳化深度影响不大;当裂缝宽度大于0.07 mm时,碳化深度随裂缝宽度增加而呈二次函数增加。Zhang等[10]通过冻融循环使混凝土产生裂缝,发现当裂缝宽度在0~0.10 mm时,碳化深度随裂缝宽度增加而快速增加,当裂缝宽度超过0.10 mm时,碳化深度随裂缝宽度的变化量很小。学者们采用不同的实验方法,研究了相对湿度和裂缝宽度对碳化深度的影响,朱元祥等[11]对带裂缝混凝土碳化深度进行了理论分析,建立了裂缝处混凝土碳化深度的随机过程模型,但该模型仅考虑了基于概率的碳化速度经验系数及裂缝宽度,且其中的经验系数是由特定条件下的试验结果统计所得,不适用于条件变化的实际工程。笔者借鉴Jiang等[12]建立的疲劳损伤混凝土碳化模型,提出了裂缝对混凝土碳化的影响系数γc,在室内试验基础上,系统分析了水灰比、碳化时间、环境相对湿度、裂缝宽度、裂缝深度对γc的影响,建立了综合考虑环境相对湿度、裂缝宽度、裂缝深度的裂缝处混凝土碳化深度计算模型,并通过实际工程进行了验证。结果表明,模型计算结果与工程实际吻合良好,模型可用于带裂缝混凝土结构的寿命预测。
Jiang等[12]认为疲劳损伤混凝土的碳化深度取决于CO2在未损伤混凝土和裂缝中的扩散系数,并在Papadakis碳化模型基础上,结合混凝土梁疲劳损伤后的碳化试验结果,建立了疲劳损伤混凝土的碳化模型
式中:xc为疲劳损伤混凝土碳化深度,mm;x0为未损伤混凝土碳化深度,mm;x1为混凝土在疲劳荷载下最大应变时的CO2扩散系数计算得到的碳化深度,mm;α为与水灰比、相对湿度、碳化时间等因素有关的系数,无量纲。
因x0也受水灰比、相对湿度、碳化时间等因素的影响[2-5],取与各因素对x0、αx1影响程度有关的系数γ使γx0=αx1,并令1+γ=γc,式(1) 可以改写为
根据式(2) 的表达形式,定义Xc为裂缝处碳化深度,mm;X为非裂缝处碳化深度,mm;令γc=Xc/X,为裂缝对混凝土碳化的影响系数,即
式中:X可通过实验测得;γc通过试验研究及理论分析,综合确定γc与水灰比、相对湿度、碳化时间、裂缝宽度、裂缝深度之间的关系模型,从而建立裂缝处碳化深度计算模型。
采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体砂浆试件及尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的C40混凝土试件进行试验。砂浆与混凝土的配合比及其28 d抗压强度分别见表 1、表 2。
通过预置薄片法在砂浆和混凝土试件中预制裂缝。首先,将薄钢片固定在模板中,再拌制砂浆或混凝土,拆模后标准养护28 d,在混凝土养护结束后,借助电子万能试验机将薄片缓缓拔出。通过改变薄钢片的厚度、宽度来控制预制裂缝的宽度、深度。砂浆试件裂缝宽0.2 mm,裂缝深40 mm,水灰比为0.4、0.5、0.6,碳化时间为3、7、14 d,共9组,每组3个试件,合计27个试件(见表 3)。混凝土试件裂缝宽0.1、0.2、0.3mm,裂缝深10、20、30、40、50、60 mm,碳化时间为3 d,共18组,每组3个试件,合计54个试件(见表 4)。
依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009),对各试件进行加速碳化试验,在碳化箱内(湿度为70±5%)碳化至3、7、14 d时,取出试件,垂直于裂缝面切开,在切开面上喷洒质量分数1%酚酞酒精溶液,经30 s后,测量碳化深度。水灰比为0.6,碳化至14 d的单缝砂浆试件碳化图如图 1(a)所示,裂缝宽度0.3 mm,深度60 mm,碳化至14 d的混凝土试件碳化图如图 1(b)所示。
砂浆试件在不同水灰比W/C及碳化时间T下的Xc、X、γc的值如表 3所示,混凝土试件在不同裂缝宽度w及裂缝深度dc下的Xc、X、γc的值如表 4所示。
运用SPSS软件对表 3中数据进行分析,当其他因素一定的条件下,W/C、T对γc影响显著性水平α分别为0.831、0.571,即置信水平仅为0.169、0.429,裂缝处碳化深度未大于裂缝深度时,计算模型中可不考虑水灰比和碳化时间的影响。
根据表 4数据,绘制不同dc时w与γc关系曲线和不同w时dc与γc关系曲线,如图 2、图 3所示。
由图 2可见,在dc、环境相对湿度RH一定的情况下,γc随着w的增大而增加,但增加速度逐渐减小,与金祖权等[10]研究结果一致,增加速度逐渐减小的主要原因是CO2在裂缝内壁混凝土中的扩散速度逐渐接近于在外表面的扩散速度。
根据w与γc关系曲线图,取w影响系数γw形式为
因裂缝内部几乎无空气流动,且由于裂缝壁的吸附作用,水分子较难扩散到外界空气中,裂缝内的水分汽化比混凝土表面的水分汽化慢[12]。在混凝土中孔隙水不断蒸发情况下,裂缝内保持较高相对湿度,甚至达到100%,在裂缝开口位置,因与外界环境的蒸气压差会形成湿度梯度。当环境相对湿度在50%~70%时,混凝土碳化速度最大,在当环境相对湿度接近100%时,混凝土碳化几乎停止[13-14]。因此,存在一个临界裂缝深度d0,当dc<d0时,γc随着dc增加,当dc≥d0时γc变化量很小,视为定值。由图 3可知,当dc<30 mm时,γc随着dc以二次函数增加;当dc≥30 mm时,γc变化量较小。即在本试验条件下d0=30 mm。且当0.1 mm≤w≤0.3 mm时,w对d0影响不大。
雷涛[6]在湿度为20%的条件下,对带裂缝混凝土进行了碳化试验。当裂缝宽度大于0.13 mm、裂缝深度约66 mm时,裂缝尖端存在碳化痕迹,即当RH=20%时,d0≥66 mm。试验湿度为70%,即当RH=70%时,d0=30 mm。因此,可以认为RH影响d0的值,简化考虑两者关系为
在RH=70%情况下,当dc≥d0时,γc仅与w有关;当dc<d0时,γc受w、dc影响。则取γc的表达式为
同时,当dc<Xc时,裂缝位置碳化前端开始凸起,形状不再为图 1中的尖角状,Xc/X逐渐减小,表达式不再适用,因此其适用范围为Xc≤dc。
环境相对湿度越低,裂缝内失水速度越快,二氧化碳在裂缝内扩散速度越快,裂缝内壁混凝土还会保有一定水分,能保证初期碳化反应的进行。因此,裂缝处混凝土碳化深度随着环境相对湿度的降低而单调增加。借鉴文献[2-4]混凝土碳化模型中湿度与碳化速度的二次方程关系,及文献[5]混凝土碳化模型中湿度影响系数的形式,定义γRH为湿度修正系数,考虑边界条件:当RH为100%时,裂缝处混凝土碳化速度接近于0,取γRH为0;试验条件为RH=70%,不进行修正,即γRH为1。取γRH与RH关系式为
取表 4中dc≥30 mm时不同的w及对应的γc平均值(0.1, 1.308 5)、(0.2, 1.595 3)、(0.3, 1.706 7) 代入式(4) 中,求得aw=1.959 6、bw=0.082 7、cw=0.027,即
根据图 3中dc与γc关系曲线形状,令
式中:a、b、c为与w、d0有关的参数或常数。
将两个端点(0, 0)、(d0, 1),代入式(9) 中,求得$b =-\frac{{d_0^2a-1}}{{{d_0}}}, c = 0 $,即
因dc=10 mm时,dc<Xc,不参与计算。为简化计算,取dc=20 mm=2d0/3,求得各宽度下的γdc分别代入式(10),得:w=0.1 mm时,$ a = \frac{{1.83}}{{d_0^2}}$;w=0.2 mm时,$a = \frac{{0.53}}{{d_0^2}} $;w=0.3 mm时,$a = \frac{{-0.06}}{{d_0^2}}$。
从而拟合得到a与w的关系式
即裂缝处碳化深度计算模型
式中:γRH、γw、γdc分别通过式(7)、(8)、(10)、(5)、(11) 进行计算。
朱元祥等[11]认为影响裂缝处混凝土碳化深度的因素较多,每个影响因素都具有随机性,且它们相互影响,难以定量考虑,仅考虑了基于概率的碳化速度经验系数Acr及裂缝宽度w,建立了计算模型(以下简称朱元祥模型)为
式中:y为裂缝处碳化深度,mm;μAcr为Acr的均值,取42.59;σAcr为Acr的方差,取12.28;U按95%保证率取1.645;w为裂缝宽度,mm;T为碳化时间,a,加速试验14 d等效为实际碳化20.2 a。
将该计算模型与朱元祥模型分别结合表 4中试验数据(不含dc=10 mm)进行计算,并与试验值进行对比分析,计算结果如表 5所示。
由表 5可得γc计/γc试的平均值为1.001 1,标准差为0.025 1;γc朱/γc试的平均值为3.603 8,标准差为0.400 9。由图 4可明显看出,通过朱元祥模型计算结果与试验室预制裂缝碳化试验结果偏差较大,是因为其考虑的因素较少,在此基础上建立的概率模型很难适用于大多数情况;而本文模型综合考虑多个因素,计算结果与试验结果吻合程度较高。
为验证模型的可应用性,在不同地区、不同年份的混凝土桥梁主梁上选取了43条裂缝,裂缝分为正常受弯裂缝及预应力梁纵向裂缝2种类型。正常受弯裂缝为钢筋混凝土梁在荷载作用下,跨中附近产生的正常受力裂缝,桥梁运营时即会出现;预应力梁纵向裂缝主要由于泊松效应等原因,在混凝土较薄弱位置产生,如后张预应力空心板梁空心位置、预应力箱梁波纹管位置,此类裂缝一般在桥梁运营前即会出现。因此,裂缝产生的时间与桥梁混凝土开始碳化的时间比较接近,不考虑其时间差的影响。
在裂缝位置及相同环境条件下同一片梁非裂缝位置借助内径为5 cm的钻芯机钻取芯样,裂缝位置芯样钻取的长度大于超声波法测出的裂缝深度值,非裂缝位置芯样钻取5~10 cm。将芯样上下各垫一根钢筋,在压力试验机上劈裂,其中带裂缝芯样垂直于裂缝劈裂,如图 5(a)所示。劈裂前,可在两侧粘贴胶带,防止出现所取芯样强度低、骨料过多导致芯样碎裂、难以拼装等问题。将芯样劈裂后,进行碳化深度测量,方法同第2节。芯样测试情况如图 5(b)所示。根据本文模型及朱元祥模型,对各条裂缝的γc值进行计算,并与实测值进行对比,见表 6。
由表 6可知,43组试验的γc计/γc测平均值为1.076 6,标准差为0.054 8,略大于表 5中γc计/γc试的平均值1.001 1,可能是因为工程中裂缝为“V”形,且表面裂缝宽度与裂缝深度之间存在一定的相关性所致;γc朱/γc测平均值为1.746 9,标准差为0.640 0。通过SPSS软件分析,桥梁运营时间(2016减去桥梁建成年份)对γc测影响显著性水平α为0.665,即置信水平仅为0.335,故当Xc≤dc时,桥梁运营时间对γc影响不显著。由图 6可见,工程实例裂缝宽度范围为0.06~0.7 mm,本模型计算结果与试验结果吻合程度较高,裂缝宽度范围为0.06~0.7 mm。
通过理论与试验相结合的方法,定义并研究了与裂缝宽度、深度及环境相对湿度有关的裂缝对混凝土碳化的影响系数γc,得出了裂缝处碳化深度不大于裂缝深度,且裂缝宽度在0.1~0.3 mm范围的裂缝处混凝土碳化深度计算模型。通过工程实例验证,模型计算结果与实测值吻合程度较高。并得出以下结论:
1) 水灰比、碳化时间对γc影响不显著。
2) 桥梁运营时间对γc影响不显著。
3) 试验裂缝宽度范围为0.1~0.3 mm,工程实例裂缝宽度范围为0.06~0.7 mm,但提出的计算模型γc计算值与试验实测值和工程实例实测值均吻合较好,模型裂缝宽度范围为0.06~0.7 mm。