CN110362856A - 荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，根据结构施工图，判断再生粗骨料混凝土所受应力为拉应力或压应力；步骤二，根据结构的恒载及活载数据，确定再生粗骨料混凝土所受应力比；步骤三，确定再生粗骨料混凝土的碳化时间；步骤四，通过数据测量，活动再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数；步骤五，通过再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式，预测荷载下再生粗骨料混凝土的碳化深度。本发明提供的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法考虑了荷载与碳化的共同作用对再生粗骨料混凝土碳化深度的影响，能准确地、有效地预测荷载作用下再生粗骨料混凝土的碳化深度。
Description
技术领域
本发明涉及再生粗骨料混凝土评估技术领域，具体涉及一种在荷载作用下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法。
背景技术
再生混凝土作为一种新型环保的建筑材料，正在逐步应用于建筑工程中，同时再生混凝土具有较好的社会、环境效益，已经引起了人们广泛的重视。由于再生混凝土本身的缺陷，使得其结构性能、耐久性能等方面较低于同水灰比、同配合比条件下的普通混凝土，尤其是耐久性能中的抗碳化性能更是如此。实际建筑工程中，混凝土结构大多承受各种荷载，基本不会出现无荷载的状态，且建筑物受荷载和碳化是同时作用发生的。孙伟院士曾指出：“当前关于混凝土损伤劣化过程的研究与实际工程所处环境实际不符，实际工程是在荷载因素与环境因素的双重和多重破坏因素作用下混凝土损伤劣化过程研究。”吴中伟院士也提出：“耐久性研究本身存在缺点，如习惯单一破坏因素的研究试验，与实际工程中多因素的联合作用脱节，工作缺少组织与联系，大量重复劳动；采用不正确的简化、外推、归纳甚至夸大的方法，得不到有用的结论。”
实际的工程建设中，混凝土结构基本上不会仅处于简单无荷载的理想状态下，而是受多种因素(荷载、环境等)的影响。混凝土的内部微观结构在荷载作用下会发生一系列的变化。其空隙、裂纹因受到荷载作用，可能闭合，可能扩张，可能产生新的裂纹等。所以进行荷载作用下的再生粗骨料混凝土抗碳化性能的研究是非常必要的。
同济大学的田浩等采用了加速碳化的试验方法，对受荷载作用下混凝土的碳化机理和规律进行了分析。得出：拉应力加快了混凝土碳化速度，且拉应力越大，碳化速度增加的越多，而压力与之相反。C50强度混凝土在相同碳化时间下，其碳化深度小于C30混凝土，表明高强度混凝土的耐久性好于低强度混凝土。C50混凝土在拉应力、压应力作用下，相对碳化深度的变化幅度要大于C30混凝土，且在压应力作用时表现的更为明显。此外混凝土试件在使用寿命周期内，裂缝对混凝土碳化深度的影响较小。
中南大学的罗小勇等研究了混凝土在应力和碳化共同作用下的损伤机理，采用无应力、拉应力、压应力3种荷载方式对试件进行快速碳化试验。测量了0,0.15,0.3,0.45，0.6，0.75极限荷载率的拉、压设计强度下混凝土的碳化深度。分析研究表明：C40混凝土在受压时的碳化速率要比其在无应力状态时小，压应力可以减缓混凝土表面的碳化，压应力越大，减缓的速度也越大。而拉应力可以加快混凝土表面的碳化，且拉应力越大，混凝土碳化速度越大。混凝土碳化深度随时间的增长而加深，前7d的混凝土碳化深度急剧增加，7d后混凝土的碳化速率趋于平缓。
同济大学杨德林等在综合考虑并选取了外荷载、碳化龄期等影响因素，通过将100mm×100mm×400mm的试件设计成牛腿型，采用后张预应力法的加力模式，结合应力传感器以实现加载拉、压应力的目的。比较拉应力、压应力、无应力这3种荷载情况下的混凝土碳化深度得出：混凝土碳化速度随时间逐渐减小；拉应力可以促进混凝土碳化，而压应力则会抑制混凝土碳化的进行。
东南大学涂永明等在碳化环境下进行了预应力混凝土耐久性的试验研究，通过对试块采用加速碳化并进行无应力、弯曲受拉、直接受压这3种荷载状态分析，建立了应力状态下多因素的混凝土碳化深度的预测模型。由其试验结果可知：拉应力加快了混凝土碳化速率，且拉应力越大，碳化速率越大，而压应力却与之相反。施加预应力能够较好的控制混凝土裂纹的发展和消除，并由此得出预应力混凝土结构比普通混凝土结构在耐久性等方面更胜一筹。
金祖权等研究混凝土在未加载和不同荷载率(25％、50％)和不同养护龄期(分别养护28d和90d)下的混凝土抗碳化性能，试验研究表明碳化深度随荷载增加而增加。未加载的混凝土，其碳化模型基本符合指数关系；而在在施加荷载后，混凝土的抗碳化性能有较大程度的劣化。
终上所述，混凝土碳化是混凝土内部发生物理、化学变化所造成的，影响因素众多，且相互影响。其中最主要的影响因素即混凝土的渗透性与Ca(OH)2等碱性物质的含量。目前，得到一致认可的是普通混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比，但再生混凝土的碳化深度预测模型至今仍无定论。另外，荷载作用下再生粗骨料混凝土碳化深度预测模型研究较少。
发明内容
针对背景技术中的不足，本发明提供了一种荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，能够有效地、准确地、定量地预测荷载作用下的再生粗骨料混凝土的碳化深度。
本发明提供的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，包括如下步骤：
步骤一，根据施工结构图，判断再生粗骨料混凝土所受应力为拉应力或压应力；
步骤二，确定再生粗骨料混凝土所受应力比；
步骤三，确定再生粗骨料混凝土的碳化时间；
步骤四，确定再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数；
步骤五，通过再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式，预测荷载下再生粗骨料混凝土的碳化深度；
所述的再生粗骨料混凝土所受应力比计算公式为：当混凝土所受应力为拉应力时，当混凝土所受应力为拉应力时，
其中，Sc为压应力比；σc为压应力；St为拉应力比；σt为拉应力；fc为再生粗骨料混凝土的轴心抗压强度设计值。
所述的再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数包括CO2的体积浓度、环境温度和环境相对湿度。
所述的再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式为：
当再生粗骨料混凝土所受压应力比为Sc∈[0,0.2]时：
当再生粗骨料混凝土所受压应力比为Sc∈(0.2,0.7]时：
当再生粗骨料混凝土所受拉应力为St∈[0,0.6]时：
其中，Xc为再生粗骨料混凝土的碳化深度；Sc为拉应力比；St为拉应力比；为CO2浓度影响系数；Kk1为位置影响系数；Kks为工作应力影响系数；T为环境温度(℃)；为再生粗骨料混凝土抗压强度平均值(MPa)；RH为相对湿度；t为碳化时间(加速碳化试验中的碳化时间单位为d；而实际工程中的碳化时间单位为年)；
所述的CO2浓度影响系数的计算公式为：其中Co为CO2体积浓度(％)；
所述的位置影响系数Kk1确定方法为：当被测混凝土位于构件角区时取1.4，位于非角区时取1.0；
所述的工作应力影响系数Kks确定方法为：当被测混凝土受压时取1.0，受拉时取1.7。
本发明提供的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，主要存在以下优点：考虑了荷载与碳化的共同作用对再生粗骨料混凝土碳化深度的影响，能准确地、有效地预测荷载作用下再生粗骨料混凝土的碳化深度。
附图说明
图1为韩口河大桥半幅桥墩立面图；
图2为韩口河大桥横断面简图；
图3为韩口河大桥纵断面简图。
具体实施方式
现将结合图1-3，对本发明的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围之内。
本发明提供的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，包括如下步骤：
步骤一，判断再生粗骨料混凝土所受应力为拉应力或压应力；
步骤二，确定再生粗骨料混凝土所受应力比；
步骤三，确定再生粗骨料混凝土的碳化时间；
步骤四，确定再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数；
步骤五，通过再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式，预测荷载下再生粗骨料混凝土的碳化深度；
所述的再生粗骨料混凝土所受应力比计算公式为：当混凝土所受应力为拉应力时，当混凝土所受应力为拉应力时，
其中，Sc为压应力比；σc为压应力；St为拉应力比；σt为拉应力；fc为再生粗骨料混凝土的轴心抗压强度设计值。
所述的再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数包括CO2的体积浓度、环境温度和环境相对湿度。
所述的再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式为：
当再生粗骨料混凝土所受压应力比为Sc∈[0,0.2]时：
当再生粗骨料混凝土所受压应力比为Sc∈(0.2,0.7]时：
当再生粗骨料混凝土所受拉应力为St∈[0,0.6]时：
其中，Xc为再生粗骨料混凝土的碳化深度；Sc为拉应力比；St为拉应力比；为CO2浓度影响系数；Kk1为位置影响系数；Kks为工作应力影响系数；T为环境温度(℃)；为再生粗骨料混凝土抗压强度平均值(MPa)；RH为相对湿度；t为碳化时间(加速碳化试验中的碳化时间单位为d；而实际工程中的碳化时间单位为年)；
所述的CO2浓度影响系数的计算公式为：其中Co为CO2体积浓度(％)；
所述的位置影响系数Kk1确定方法为：当被测混凝土位于构件角区时取1.4，位于非角区时取1.0；
所述的工作应力影响系数Kks确定方法为：当被测混凝土受压时取1.0，受拉时取1.7。
下面以韩口河大桥为例，依据本发明所提供的算法对其碳化深度进行计算：
韩口河大桥于2014年建成通车，全长为1157.2m，分左右两幅，为预制装配式简支箱型梁桥。由于临黄海而建，桥梁处于典型的海工环境。图1为韩口河大桥桥墩的半幅立面图，图2为韩口河大桥横断面图，图3为韩口河大桥纵断面图。
主梁形式：钢筋混凝土箱型简支梁；
车道数：2×3；
桥面总宽：32.5m，双向六车道+人非系统断面，横断面组成为：0.3m(人行栏杆)+4.2m(人非系统)+0.5m(防撞护栏)+11m(行车道)+0.5m(中分带)+11m(行车道)+0.5m(防撞护栏)+4.2m(人非系统)+0.3m(人行栏杆)。
板式墩的截面尺寸：4m×1.8m；
板式墩所用混凝土等级：C40海工混凝土。
桥墩轴向荷载计算：
(1)恒载的计算
钢筋混凝土容重：25kN/m3；
沥青混凝土容重：24kN/m3；
10cm厚沥青混凝土桥面铺装柔性防水层：g1＝0.1×16.25×24＝39kN/m；
8cm厚C40防水混凝土桥面现浇层：g2＝0.08×16.25×25＝32.5kN/m；
主梁及横隔板近似荷载：
g3＝[16.25×2-2×1/2×1.8×1.75-5×1/2×(1.75+1.25)×1.55-4×0.585×1.2+1.3×16.25+1.5×1/2×(16.25+4)]×25＝1283kN/m；
每延米板宽自重：g＝g1+g2+g3＝39+32.5+1283＝1354.5kN/m；
(2)活载的计算
本桥公路等级一级，以各车道及人行道均满布为最不利荷载布置，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，桥梁结构的整体计算采用车道荷载。
公路一级车道荷载中平均荷载qk＝10.5kN/m；
公路一级车道荷载中集中荷载pk＝2×(40+130)＝340kN；
在计算剪力效应时集中荷载标准值应乘以1.2的系数，即pk1＝340×1.2＝408kN；
该桥单侧采用3车道，横向车道折减系数取为0.78；
韩河口大桥计算跨径约为40m时，人群荷载标准值mk取为3.0kN/m；
(3)桥墩所受压应力比的计算：
按承载能力极限状态，结构重力对结构承载能力不利时计算剪力效应组合
Sud＝1.2D自重+1.4S汽+0.8×1.4S人
＝1.2×1354.5×40+1.4×(408+10.5×40)×0.78+0.8×1.4×3.0×40
＝66054.6kN；
墩柱截面所受压应力：σc＝Sud/bh＝66054.6/(4×1.8)＝9.2MPa；
C40混凝土抗压强度设计值：fc＝18.4MPa；
墩柱截面所受压应力比：Sc＝σc/fc＝9.2/18.4＝0.5。
由于韩口河大桥桥墩是用天然粗骨料建造而成，假定韩口河大桥全部由再生粗骨料建造而成，即再生粗骨料取代率为100％。韩口河大桥位于连云港市赣榆县，赣榆县年平均温度大约为13.7℃，年平均相对湿度大约为75％，桥墩实际碳化龄期为2年，CO2体积浓度为0.03％。由于韩口河大桥桥墩的压应力比为0.5。韩口河大桥采用的是8cm厚C40防水混凝土桥面现浇层，故为40MPa。而通过上述计算可得出韩口河大桥桥墩所受压应力比为0.5，则(2.000Sc+0.470)＝1.47；大气中Co一般情况下可取0.03，即为0.39；非角区Kk1＝1.0；受压时Kks＝1.0；将上述影响因子代入荷载下再生粗骨料混凝土碳化预测公式中：
表1为通过荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式得到的计算值与普通混凝土碳化深度的对比。
表1碳化深度预测模型的计算值
由表1可知，通过荷载作用下再生粗骨料混凝土碳化深度预测模型，其计算值比普通混凝土碳化深度数值稍大，但考虑到现实中韩口河桥每日所处环境的温度、相对湿度、所承受的压力等是在不断变化的，并且同强度下的再生混凝土相较于普通混凝土的孔隙率高，密实度低，所以再生混凝土碳化性能略低于普通混凝土，故通过荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法得到的结果与实际情况大致吻合，说明本发明方法可靠。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (6)
1.荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一，根据结构施工图，判断再生粗骨料混凝土所受应力为拉应力或压应力；
步骤二，根据结构的恒载及活载数据，确定再生粗骨料混凝土所受应力比；
步骤三，确定再生粗骨料混凝土的碳化时间；
步骤四，通过数据测量，活动再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数；
步骤五，通过再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式，预测荷载下再生粗骨料混凝土的碳化深度。
2.根据权利要求1所述的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，其特征在于，所述的再生粗骨料混凝土所受应力比计算公式为：当混凝土所受应力为拉应力时，当混凝土所受应力为拉应力时，
其中，Sc为压应力比；σc为压应力；St为拉应力比；σt为拉应力；fc为再生粗骨料混凝土的轴心抗压强度设计值。
3.根据权利要求1所述的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，其特征在于，所述的再生粗骨料混凝土所处环境的基本参数包括CO2的体积浓度、环境温度和环境相对湿度。
4.根据权利要求1所述的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，其特征在于，所述的再生粗骨料混凝土碳化深度计算公式为：
当再生粗骨料混凝土所受压应力比为Sc∈[0,0.2]时：
当再生粗骨料混凝土所受压应力比为Sc∈(0.2,0.7]时：
当再生粗骨料混凝土所受拉应力为St∈[0,0.6]时：
其中，Xc为再生粗骨料混凝土的碳化深度；Sc为拉应力比；St为拉应力比；为CO2浓度影响系数；Kk1为位置影响系数；Kks为工作应力影响系数；T为环境温度(℃)；为再生粗骨料混凝土抗压强度平均值(MPa)；RH为相对湿度；t为碳化时间。
5.根据权利要求3所述的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，其特征在于，所述的CO2浓度影响系数的计算公式为：其中Co为CO2体积浓度(％)。
6.根据权利要求4所述的荷载下再生粗骨料混凝土碳化深度计算方法，其特征在于，所述的位置影响系数Kk1确定方法为：当被测混凝土位于构件角区时取1.4，位于非角区时取1.0；
所述的工作应力影响系数Kks确定方法为：当被测混凝土受压时取1.0，受拉时取1.7。
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Citations (2)
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-
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|---|---|---|---|---|
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|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113959825A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-21 | 长安大学 | 一种混凝土梁碳化深度的计算方法 |
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