CN113959825A - 一种混凝土梁碳化深度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土梁碳化深度的计算方法,包括如下步骤:S1、对反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁的碳化深度与碳化时间的平方根两者之间进行拟合,得到碳化深度的公式;S2、对同时期受碳化侵蚀未疲劳损伤混凝土梁的碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到未疲劳损伤混凝土的碳化系数;S3、计算得到疲劳损伤影响系数、疲劳损伤度;并建立两者的关系式;S4、未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0采用修正后Papadakis公式中的碳化系数kP进行表达;S5、代入S1中的公式中,得到混凝土梁碳化深度的计算公式。本发明提供了一种混凝土梁碳化深度的计算方法,该方法能够有效地、准确地、定量地计算反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土碳化深度评估技术领域,具体涉及一种混凝土梁碳化深度的计算方法。
背景技术
实际运营的混凝土梁既要受到车辆荷载的反复作用,又要受到外界二氧化碳的不断侵蚀。车辆荷载的反复作用会导致混凝土内部原有的微裂纹和孔隙不断发生或发展,这些孔隙和裂缝为二氧化碳进入混凝土内部提供了便利的通道,进而引起混凝土的疲劳损伤,从而加速碳化进程。然而,混凝土的疲劳损伤的量化表征仍然是一个不成熟的领域,尤其是混凝土梁在承受反复的弯曲拉应力之后。
周艳霞等基于残余应变定义的疲劳损伤度,研究了在疲劳荷载作用下,不同疲劳损伤度的混凝土的碳化深度,同时研究了疲劳损伤混凝土碳化后的抗折强度。结果表明,混凝土碳化深度随疲劳损伤度的增加而增大,疲劳损伤对混凝土受拉区和受压区碳化影响显著。
汪彦斌开展了弯曲荷载作用下的箱梁快速碳化试验研究,研究应力水平对混凝土碳化深度的影响。研究认为,箱梁所受荷载水平较高时,拉应力对碳化的促进作用表现为碳化深度随着拉应力的增加而增大。针对荷载作用下混凝土箱梁的碳化深度,提出了碳化模型。
逯静洲等研究了不同程度的疲劳荷载作用后的混凝土试件在经受不同周期的加速碳化试验后的力学性能变化规律。他们的研究结果表明,疲劳损伤混凝土的碳化深度与碳化时间呈正比关系;碳化系数随着疲劳损伤度的增大而增大,二者基本呈线性关系。疲劳损伤后的混凝土试件的抗压强度随着碳化作用的进行不断加强。
目前来看,混凝土结构在静载作用下的碳化研究比较充分,而反复荷载引起的疲劳损伤作用下的碳化研究比较少。针对实际运营中的钢筋混凝土梁,不仅要受到二氧化碳的侵蚀,还要承受车辆荷载引起的应力循环。即使是低应力水平的反复荷载也会导致混凝土中微裂纹和孔隙的疲劳增长,从而进一步加速钢筋混凝土梁的碳化。因此可靠地表征混凝土的疲劳损伤程度、全面地考虑疲劳损伤对碳化的本质影响、谨慎地建立疲劳损伤作用下混凝土梁的碳化模型对于混凝土梁的耐久性研究非常重要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题,提供了一种混凝土梁碳化深度的计算方法,该方法能够有效地、准确地、定量地计算反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种混凝土梁碳化深度的计算方法,包括如下步骤:
S1、采集反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁的碳化深度与碳化时间数据,对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到碳化深度的公式为:
其中,xD为疲劳损伤混凝土的碳化深度,单位为mm;k0为未疲劳损伤混凝土的碳化系数;kD为疲劳损伤影响系数,t为碳化时间,单位为d;
S2、采集同时期受碳化侵蚀未疲劳损伤混凝土梁的碳化深度与碳化时间数据,对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0;
S3、通过采集的相关数据,计算得到疲劳损伤影响系数kD、疲劳损伤度DF;并建立疲劳损伤影响系数kD与疲劳损伤度DF的关系式;
S4、未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0采用修正后Papadakis公式中的碳化系数kP进行表达,形成k0的表达式;
S5、将步骤S3中疲劳损伤影响系数kD与疲劳损伤度DF的关系式,以及所述步骤S4中未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0的表达式代入所述步骤S1中的公式(1)中,得到反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度的计算公式。
进一步的,所述步骤S2中,经拟合,得到k0为1.13696。
进一步的,所述步骤S3中kD通过将采集数据和k0=1.13696,代入公式(1)中求得;
所述DF通过公式:
DF=σ/f+0.0431(lgN)1.24 (2)
计算所得;其中,σ为施加的弯曲应力,单位为MPa;f为弯曲强度,单位为MPa;N为荷载循环次数;
将所述kD和DF进行拟合,得到两者的关系式:
进一步的,所述步骤S4中Papadakis公式中碳化系数kP的修正通过引入协调系数kc完成,所述碳化系数kP的表达式为:
进一步的,所述协调系数kc通过试验测得的碳化深度与Papadakis模型的碳化深度的比值得到。
进一步的,将所述协调系数kc、公式(4)、公式(3)以及公式(2)代入公式(1)中,得到反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁修正碳化深度的计算公式。
进一步的,所述协调系数kc为2,得到反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁修正碳化深度的计算公式为:
进一步的,对反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度公式计算得到的结果与试验数据进行对比验证。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的混凝土梁碳化深度的计算方法,通过进行反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁的碳化深度与碳化时间平方根的拟合,采用未疲劳损伤混凝土的碳化系数计算获得疲劳损伤影响系数,并通过建立疲劳损伤影响系数与疲劳损伤度之间的关系,采用经典的未疲劳损伤混凝土的碳化系数模型Papadakis公式进行修正,量化了疲劳损伤程度对疲劳损伤混凝土碳化深度的影响,该计算方法考虑了反复荷载与碳化侵蚀耦合作用对混凝土梁碳化深度的影响,可以准确地、有效地预测反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度。
进一步的,通过DF=σ/f+0.0431(lgN)1.24公式计算获得疲劳损伤度,并建立与疲劳损伤影响系数的关系,使得疲劳损伤影响系数与反复荷载施加的应力水平、加载次数有关,进一步量化了疲劳损伤程度对疲劳损伤混凝土碳化深度的影响,提高了计算方法的准确性。
进一步的,通过引入协调系数对经典的未疲劳损伤混凝土的碳化系数模型Papadakis公式进行修正,使得未疲劳损伤混凝土的碳化系数是基于已有理论基础进行展开,参数计算明确,使得计算方法可靠性、有效性以及准确性提高。
进一步的,通过对反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度公式计算得到的结果与试验数据进行对比验证,以证明混凝土梁碳化深度的计算方法的合理性、可行性以及准确性。
附图说明
图1是疲劳损伤影响因子kD和疲劳损伤度DF的拟合曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
一种混凝土梁碳化深度的计算方法,包括如下步骤:
S1、采集反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁的碳化深度与碳化时间数据,对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到碳化深度的公式为:
其中,xD为疲劳损伤混凝土的碳化深度,单位为mm;k0为未疲劳损伤混凝土的碳化系数;kD为疲劳损伤影响系数,t为碳化时间,单位为d;
S2、采集同时期受碳化侵蚀未疲劳损伤混凝土梁的碳化深度与碳化时间数据,对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0;经拟合,得到k0为1.13696。
S3、通过采集的相关数据,计算得到疲劳损伤影响系数kD、疲劳损伤度DF;并建立疲劳损伤影响系数kD与疲劳损伤度DF的关系式;
DF通过公式:DF=σ/f+0.0431(lgN)1.24(2)计算所得,其中,σ为施加的弯曲应力,单位为MPa;f为弯曲强度,单位为MPa;N为荷载循环次数;将所述kD和DF进行拟合,得到两者的关系式:
S4、未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0采用修正后Papadakis公式中的碳化系数kP进行表达,形成k0的表达式;Papadakis公式中碳化系数kP的修正通过引入协调系数kc完成,协调系数kc通过试验测得的碳化深度与Papadakis模型的碳化深度的比值得到,所述碳化系数kP的表达式为:
试验所得碳化深度是依据酚酞试剂测出的,基于相关的研究结果和试验数据,酚酞试剂测出的碳化深度与Papadakis模型的碳化深度的比值为2,故协调系数2。
S5、将步骤S3中kD与DF的关系式,以及所述步骤S4中k0的表达式代入所述步骤S1中的公式(1)中,具体的,将协调系数kc、公式(4)、公式(3)以及公式(2)代入公式(1)中,得到反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁修正碳化深度的计算公式:
本发明提供的混凝土梁碳化深度的计算方法,通过进行反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁的碳化深度与碳化时间平方根的拟合,采用未疲劳损伤混凝土的碳化系数计算获得疲劳损伤影响系数,并通过建立疲劳损伤影响系数与疲劳损伤度之间的关系,采用经典的未疲劳损伤混凝土的碳化系数模型Papadakis公式进行修正,量化了疲劳损伤程度对疲劳损伤混凝土碳化深度的影响,该计算方法考虑了反复荷载与碳化侵蚀耦合作用对混凝土梁碳化深度的影响,可以准确地、有效地预测反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度。
为了验证本发明混凝土梁碳化深度的计算方法的可行性以及准确性,使用本发明计算方法计算出的理论计算值与试验实测值进行对比,试验实测的碳化深度是依据酚酞试剂测出的,详细对比验证过程如下:
其中W/C为水灰比;RH为环境相对湿度,%;该公式记载在张誉、蒋利学,基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模型[J].工业建筑,1998(01):16-19+47文献中,经过计算得到的值为5.659×10-10m2/s。
其中kσ为应力水平影响系数,由于已经考虑了疲劳损伤,此处取0.982;kT为温度影响系数,kT=0.02K-4.86;kRH为相对湿度影响系数,kRH=[1-RH/(1-RH0)]2.2,RH0为70%;fcu,k为混凝土的立方体抗压强度,MPa。该公式记载在陈立亭,混凝土碳化模型及其参数研究[D].西安建筑科技大学,2007文献中,经过计算得到的值为8.548×10-10m2/s。
其中,单位体积混凝土吸收二氧化碳的量m0通过现有技术公式三和基于普通硅酸盐水泥提出的公式取均值得到。
公式三:m0=8.03CγHDγc
其中C为单位体积混凝土的水泥用量,kg/m3;γHD为水化程度修正系数,90天养护龄期取1,28天养护龄期取0.85;γc为水泥品种的修正系数,硅酸盐水泥取1,其它品种水泥用1减去掺合料的含量,此处取值0.85。
该公式记载在蒋利学、张誉、刘亚芹、张雄、谢华芳、王劲.混凝土碳化深度的计算与试验研究[J].混凝土,1996(04):12-17文献中,经过计算得到m0的值为2668.771mol/m3。
基于普通硅酸盐水泥提出的公式:m0=8.22(1-α)C
其中α为矿物掺和量,范围为6~15%,一般情况下取15%,m0的计算结果为3214.02mol/m3。
因此,m0最终取值为2668.771mol/m3和3214.02mol/m3的平均值,计算得出平均值为2941.396mol/m3。
将碳化时间的单位均换算成d,代入上述公式,得到:
使用本发明计算方法计算出的理论计算值相关参数的取值如表1所示:
表1参数取值
使用本发明计算方法计算出的理论值与试验实测值对比结果如表2所示:
表2理论计算值与试验实测值对比表
通过本发明的混凝土梁碳化深度的计算公式计算出的碳化深度与试验测出的碳化深度平均误差为3.46%。总体来看,误差在合理范围之内,通过本发明的混凝土梁碳化深度的计算公式计算出的碳化深度与试验测出的碳化深度吻合度较好,从而证明了本发明的混凝土梁碳化深度计算公式的合理性、有效性和准确定性。
然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施方式,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可以做出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种混凝土梁碳化深度的计算方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1、采集反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁的碳化深度与碳化时间数据,对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到碳化深度的公式为:
其中,xD为疲劳损伤混凝土的碳化深度,单位为mm;k0为未疲劳损伤混凝土的碳化系数;kD为疲劳损伤影响系数,t为碳化时间,单位为d;
S2、采集同时期受碳化侵蚀未疲劳损伤混凝土梁的碳化深度与碳化时间数据,对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合,得到未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0;
S3、通过采集的相关数据,计算得到疲劳损伤影响系数kD、疲劳损伤度DF;并建立疲劳损伤影响系数kD与疲劳损伤度DF的关系式;
S4、未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0采用修正后Papadakis公式中的碳化系数kP进行表达,形成k0的表达式;
S5、将步骤S3中疲劳损伤影响系数kD与疲劳损伤度DF的关系式,以及所述步骤S4中未疲劳损伤混凝土的碳化系数k0的表达式代入所述步骤S1中的公式(1)中,得到反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度的计算公式。
2.根据权利要求1所述的混凝土梁碳化深度的计算方法,其特征在于,所述步骤S2中,经拟合,得到k0为1.13696。
5.根据权利要求4所述的混凝土梁碳化深度的计算方法,其特征在于,所述协调系数kc通过试验测得的碳化深度与Papadakis模型的碳化深度的比值得到。
6.根据权利要求5所述的混凝土梁碳化深度的计算方法,其特征在于,将所述协调系数kc、公式(4)、公式(3)以及公式(2)代入公式(1)中,得到反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁修正碳化深度的计算公式。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的混凝土梁碳化深度的计算方法,其特征在于,对反复荷载与碳化侵蚀耦合作用下混凝土梁碳化深度公式计算得到的结果与试验数据进行对比验证。
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周艳霞 等: "疲劳损伤混凝土碳化试验研究", 《工业建筑》, vol. 46, no. 8, pages 123 - 125 * |
宋守波;朱国飞;崔宏志;: "不同显色试剂测量混凝土碳化深度的研究", 混凝土, no. 07 * |
李浩;施养杭;: "混凝土碳化深度预测模型的比对与分析", 华侨大学学报(自然科学版), no. 02 * |
杨绿峰;成荻;刘才勇;余波;: "矿物掺合料混凝土碳化分析的实用预测模型", 混凝土, no. 07 * |
罗大明 等: "荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究进展", 《工程力学》, vol. 36, no. 1, pages 1 - 5 * |
逯静洲 等: "疲劳荷载和碳化联合作用下混凝土损伤特性试验研究", 《混凝土》, no. 1, pages 65 * |
郑付刚;冯宇强;: "多因素协同作用下混凝土碳化深度预测模型研究", 人民长江, no. 14, pages 86 - 88 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115615820A (zh) * | 2022-08-11 | 2023-01-17 | 河海大学 | 早龄期混凝土相对湿度-拉应力耦合模型的构建方法 |
CN115615820B (zh) * | 2022-08-11 | 2023-05-16 | 河海大学 | 早龄期混凝土相对湿度-拉应力耦合模型的构建方法 |
CN116432284A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-07-14 | 燕山大学 | 一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113959825B (zh) | 2024-04-19 |
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