鋼纖維混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究

摘 要：為了研究鋼纖維混凝土的抗凍性能，采用快凍法進(jìn)行了0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%五種不同鋼纖維摻量的混凝土在水中和3.5%氯化鈉溶液中凍融試驗(yàn)。通過(guò)分析凍融循環(huán)次數(shù)和鋼纖維體積率對(duì)鋼纖維混凝土凍融后質(zhì)量損失、劈裂強(qiáng)度損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化的影響，分析了凍融環(huán)境下鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理。并且用壓汞法和SEM從微觀上研究了鋼纖維混凝土的孔徑分布特征，討論了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其抗凍性能的影響。研究表明，在凍融循環(huán)作用下?lián)饺脒m量的鋼纖維能夠減小混凝土內(nèi)部的孔隙率、增加密實(shí)度，有效阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，提高混凝土的抗凍性能。鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗凍性影響顯著，摻量為1.5%時(shí)，鋼纖維對(duì)混凝土抗凍性能改善效果最好。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；混凝土；抗凍性能；凍融循環(huán)

中圖分類號(hào)：TU528.572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2012）04-0080-05

Experimental Analysis on the Frost Resistance of Steel Fiber Reinforced Concrete

NIU Ditao， JIANG Lei， BAI Min

（School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， P.R. China）

Abstract:The frost resistance of steel-fiber reinforced concrete (SFRC) was studied based on the fast freeze-thaw tests in water and in a 3.5% sodium chloride solution， with different mass fraction of steel fiber in concrete at 0%， 0.5%， 1.0%， 1.5% and 2.0%， respectively. The effects of the number of freeze-thaw cycles and the volume fraction of steel fiber on the mass lose rate， the splitting strength loss rate and the dynamic modulus of elasticity of SFRC were analyzed. The reinforcement mechanism of the steel fiber under the action of freeze and thaw was also discussed. Moreover， mercury intrusion method and SEM analysis were carried out to study the pore size distribution features and the performance of microstructure on the impact of frost resistance of SFRC. The results show that adding an appropriate amount of steel fiber into concrete can reduce the pore porosity and improve the compactness of concrete. Furthermore， the presence of steel fiber proves to shrink the porosity and improve evidently the frost resistance of concrete. It is also shown that the steel fiber content has a great influence on the frost-resisting property of SFRC. The best performance of SFRC can be achieved when the volume fraction of steel fiber is 1.5%.

Key words:steel fiber; concrete; frost resistance; freeze-thaw cycle



鋼纖維混凝土是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種性能優(yōu)良的復(fù)合材料。隨著鋼纖維混凝土在工程中的廣泛應(yīng)用，其耐久性問(wèn)題將會(huì)是十分重要而迫切需要解決的問(wèn)題。許多學(xué)者對(duì)鋼纖維混凝土做了大量試驗(yàn)研究，然而多集中于力學(xué)性能方面［1-4］，鋼纖維對(duì)混凝土耐久性影響則研究較少。對(duì)于寒冷地區(qū)的建筑物而言，凍融作用是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能損傷的主要原因［5-7］。凍融循環(huán)加劇了混凝土內(nèi)部初始裂紋擴(kuò)展并且誘發(fā)新裂紋出現(xiàn)和發(fā)展，這是混凝土凍融劣化破壞的本質(zhì)。但是，鋼纖維的摻入有效限制了混凝土內(nèi)部裂紋的形成與擴(kuò)展，提高了混凝土的抗裂能力。因此，凍害地區(qū)鋼纖維混凝土耐久性能引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。謝曉鵬等［8］和康晶［9］研究表明，鋼纖維的摻入延緩了混凝土內(nèi)部裂紋的形成與擴(kuò)展，增強(qiáng)了混凝土基體的抗凍性能。Yang等［10］認(rèn)為鋼纖維的摻入降低了混凝土的抗鹽凍剝蝕性能，特別是引氣混凝土的抗鹽凍剝蝕性能。目前，鋼纖維混凝土抗凍性能研究的重點(diǎn)主要集中在宏觀層面，較少?gòu)奈⒂^層面對(duì)其性能退化規(guī)律進(jìn)行研究，且對(duì)鹽溶液環(huán)境下鋼纖維混凝土抗凍性能研究也較少。

本文針對(duì)不同摻量的鋼纖維混凝土，通過(guò)快速凍融試驗(yàn)，從宏觀上研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)下鋼纖維混凝土質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈模量變化和劈裂強(qiáng)度損失，并通過(guò)壓汞和掃描電鏡試驗(yàn)微觀分析了凍融循環(huán)前后混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化，分析了鋼纖維對(duì)混凝土增強(qiáng)作用原理和鋼纖維混凝土凍融破壞機(jī)理，旨在為凍融環(huán)境下鋼纖維混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料和配合比

試驗(yàn)中所采用的水泥為陜西秦嶺水泥股份有限公司生產(chǎn)的秦嶺牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥。

細(xì)集料采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.69，表觀密度2.63 g/cm3。粗集料采用5～16 mm混合級(jí)配碎石。鋼纖維采用波浪形剪切鋼纖維，長(zhǎng)度為30 mm，長(zhǎng)徑比為60，截面形狀為矩形。減水劑采用高效減水劑，黃褐色、粉末狀。

本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)用混凝土的水膠比為0.45，鋼纖維體積率分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%和20%。試驗(yàn)用各種混凝土的配合比見(jiàn)表1。其中編號(hào)PC表示鋼纖維摻量為零的基準(zhǔn)混凝土，SFC表示摻有鋼纖維的混凝土，“-”后面的數(shù)字表示鋼纖維體積率。

1.2 試驗(yàn)方案

鋼纖維混凝土水凍試驗(yàn)依據(jù)《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》中的快凍法進(jìn)行，鹽凍試驗(yàn)參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試件標(biāo)養(yǎng)24 d后，分別在水中和氯化鈉溶液中浸泡4 d，在第28 d時(shí)進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。氯化鈉溶液采用3.5%的濃度，與海水中鹽的濃度一致［11-12］。每?jī)鋈谘h(huán)25次，測(cè)試試件劈裂強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈模量、重量損失情況。

試驗(yàn)中，相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失測(cè)量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，共制備10組30個(gè)試件；劈裂強(qiáng)度測(cè)量采用100 mm×100 mm×100 mm立方體，共制備85組共255個(gè)試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

圖1為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失。由圖1（a）可見(jiàn)，PC在凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失明顯，在未到300次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)量損失超過(guò)5%，達(dá)到破壞。鋼纖維的摻入對(duì)混凝土質(zhì)量損失率有明顯的抑制作用，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)，SFC-1.5質(zhì)量損失率只有2.28%，約為普通混凝土的一半。

但是，從圖1（b）可以看出鹽凍循環(huán)下的試件質(zhì)量損失率明顯增大，凍融循環(huán)100次后，PC的質(zhì)量損失達(dá)4.2%，接近破壞，SFC-1.5為2.5%；與此相對(duì)應(yīng)的水中，PC和 SFC-1.5的質(zhì)量損失僅為21%和1.3%，明顯小于鹽凍循環(huán)。由于鹽凍破壞的特殊性和嚴(yán)酷性［13-14］，加速了表層混凝土的解體和剝離現(xiàn)象，混凝土中雜亂分布的鋼纖維對(duì)表層漿體拉接作用有限，因此，鋼纖維混凝土在遭受鹽凍破壞時(shí)，凍融剝落程度加重。

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化

圖2為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈模量損失。由圖可以看出，在300次凍融循環(huán)后，PC和SFC-1.5的相對(duì)動(dòng)彈模量損失分別為35.2%和24.3%，PC接近破壞，而SFC-1.5凍融損傷得到明顯抑制。但是當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到2.0%時(shí)，鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用降低，對(duì)抗凍性能影響不明顯。總體來(lái)看，摻入鋼纖維后，抑制了混凝土內(nèi)部微裂縫或缺陷的不斷產(chǎn)生，延緩了相對(duì)動(dòng)彈模量的下降。

圖2 鋼纖維混凝土在水中凍融時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈模量損失

2.3 劈裂強(qiáng)度損失

圖3為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度損失。從圖3（a）可以看出，鋼纖維的摻入提高了混凝土的劈裂強(qiáng)度，纖維摻量為1.5%時(shí)，劈裂強(qiáng)度最高，約為基準(zhǔn)混凝土的2倍。同時(shí)，鋼纖維還降低了凍融后混凝土劈裂強(qiáng)度下降速率。其中，PC在凍融150次時(shí)，劈裂強(qiáng)度降低40%，在凍融200次時(shí)，達(dá)到破壞；SFC-1.5在凍融250次時(shí)，劈裂強(qiáng)度降低40%，明顯優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。從圖3（b）可以看出，鹽凍循環(huán)100次，PC和SFC-1.5劈裂強(qiáng)度分別降低34%和22%；與此相對(duì)應(yīng)的水凍循環(huán)中，PC和SFC-1.5分別降低23%和9%，說(shuō)明鹽凍破壞削弱了鋼纖維的阻裂增韌作用，加快了混凝土內(nèi)部損傷，造成劈裂強(qiáng)度快速降低。

圖3 鋼纖維混凝土在溶液中凍融時(shí)的劈裂強(qiáng)度損失

3 微觀機(jī)理分析

3.1 孔結(jié)構(gòu)分析

表2和表3為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，壓汞法測(cè)試的鋼纖維混凝土孔體積和孔徑分布情況。由表2可以看出，合理?yè)搅康匿摾w維減小了混凝土孔隙率，纖維摻量在0%～1.5%范圍內(nèi)增加時(shí)，混凝土總孔隙率、總孔體積和總孔面積分別減少3213%、2854%和42.78%，混凝土平均孔徑和最可幾孔徑均有下降。但是，纖維摻量達(dá)到2.0%時(shí)，鋼纖維混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均有增大現(xiàn)象，孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯劣化。由表3可以看出，纖維摻量從在0%～15%范圍內(nèi)增加時(shí)，孔徑為d＜20 nm、20 nm≤d＜50 nm的孔所占比例增大；孔徑為50 nm≤d＜200 nm、d≥200 nm的孔所占比例減少。說(shuō)明混凝土無(wú)害和少害孔增多，有害和多害孔減少，孔結(jié)構(gòu)得到改善，有利于提高混凝土的抗凍性能。

3.2 掃描電鏡分析

圖4和圖5是PC和SFC-1.5凍融前后SEM圖片，可以看出，凍融前二者的各水化產(chǎn)物互相膠結(jié)形成連續(xù)相，整體結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)，沒(méi)有微裂縫產(chǎn)生；50次鹽凍循環(huán)后，二者均出現(xiàn)微裂縫，但是SFC-1.5中微裂縫數(shù)量明顯少于PC；100次鹽融循環(huán)后，PC中微裂縫擴(kuò)展加深，并且大部分相互貫通，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯疏松，而SFC-1.5中裂縫數(shù)量和貫通程度均小于PC，沒(méi)有出現(xiàn)組織疏松。可以看出，鋼纖維限制了裂縫的發(fā)展與貫通，提高了混凝土的抗凍性能。

在凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土毛細(xì)孔壁同時(shí)承受膨脹壓力和滲透壓力［15-16］，當(dāng)這兩種壓力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土開(kāi)裂，產(chǎn)生微裂縫。鋼纖維的彈性模量與強(qiáng)度高于混凝土［17］，而且具有較大變形能力，可以發(fā)揮增韌、阻裂作用，從而減小引發(fā)裂縫與促進(jìn)裂縫開(kāi)展的凍融破壞力。隨著鋼纖維摻量增加，混凝土中鋼纖維-水泥基體界面數(shù)量增多，這些界面是鋼纖維混凝土中的薄弱區(qū)域。通過(guò)SEM觀察發(fā)現(xiàn)，鋼纖維-水泥基體界面存在有片狀結(jié)構(gòu)的Ca(OH)2（圖6）和簇狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石晶體（AFt）（圖7）。鈣礬石晶體主要存在于微小孔隙中和集料表面，說(shuō)明鋼纖維混凝土界面區(qū)存在較大孔隙率和較為疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而成為凍融過(guò)程中微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的敏感區(qū)域。凍融循環(huán)作用下，在界面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生的裂縫呈現(xiàn)增多、增寬的趨勢(shì)（圖8）。所以鋼纖維摻量較大的SFC-2.0抗凍能力反而降低。

4 結(jié)論

1）在凍融環(huán)境中，鋼纖維混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量損失率明顯降低，抗凍性能得到提高。而且，鋼纖維的摻入不僅提高了混凝土的劈裂強(qiáng)度，同時(shí)還延緩了凍融損傷后混凝土劈裂強(qiáng)度的降低速率。

2）鋼纖維對(duì)遭受鹽凍破壞的混凝土表面剝蝕改善作用有限，并且鹽凍破壞加快了鋼纖維混凝土內(nèi)部損傷，鹽凍循環(huán)次數(shù)明顯低于水凍循環(huán)次數(shù)。

3）鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗凍性能影響顯著，隨著摻量的增加，混凝土抗凍性能增強(qiáng)。當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，鋼纖維的增強(qiáng)效果最好；但是當(dāng)摻量增大到2.0%時(shí)，混凝土抗凍性能降低。

4）孔結(jié)構(gòu)和掃描電鏡分析表明，適量鋼纖維摻入后，混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)改性良好，微裂縫發(fā)展速度緩慢，鋼纖維阻裂、增強(qiáng)作用明顯。

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（編輯 羅 敏）