鋼纖維混凝土抗凍性能試驗研究

牛荻濤，姜 磊，白 敏

（西安建筑科技大學，土木工程學院，西安710055）

鋼纖維混凝土是近年來發展起來的一種性能優良的復合材料。隨著鋼纖維混凝土在工程中的廣泛應用，其耐久性問題將會是十分重要而迫切需要解決的問題。許多學者對鋼纖維混凝土做了大量試驗研究，然而多集中于力學性能方面［1－4］，鋼纖維對混凝土耐久性影響則研究較少。對于寒冷地區的建筑物而言，凍融作用是導致其結構性能損傷的主要原因［5－7］。凍融循環加劇了混凝土內部初始裂紋擴展并且誘發新裂紋出現和發展，這是混凝土凍融劣化破壞的本質。但是，鋼纖維的摻入有效限制了混凝土內部裂紋的形成與擴展，提高了混凝土的抗裂能力。因此，凍害地區鋼纖維混凝土耐久性能引起了眾多學者的廣泛關注。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部裂紋的形成與擴展，增強了混凝土基體的抗凍性能。Yang等［10］認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主要集中在宏觀層面，較少從微觀層面對其性能退化規律進行研究，且對鹽溶液環境下鋼纖維混凝土抗凍性能研究也較少。

本文針對不同摻量的鋼纖維混凝土，通過快速凍融試驗，從宏觀上研究了不同凍融循環次數下鋼纖維混凝土質量損失、相對動彈模量變化和劈裂強度損失，并通過壓汞和掃描電鏡試驗微觀分析了凍融循環前后混凝土內部微結構變化，分析了鋼纖維對混凝土增強作用原理和鋼纖維混凝土凍融破壞機理，旨在為凍融環境下鋼纖維混凝土耐久性設計提供基礎資料。

1 試驗概況

1．1 原材料和配合比

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

細集料采用普通河砂，細度模數2．69，表觀密度2．63 g／cm3。粗集料采用5～16 mm混合級配碎石。鋼纖維采用波浪形剪切鋼纖維，長度為30 mm，長徑比為60，截面形狀為矩形。減水劑采用高效減水劑，黃褐色、粉末狀。

本次試驗中，試驗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%。試驗用各種混凝土的配合比見表1。其中編號PC表示鋼纖維摻量為零的基準混凝土，SFC表示摻有鋼纖維的混凝土，“－”后面的數字表示鋼纖維體積率。

1．2 試驗方案

鋼纖維混凝土水凍試驗依據《鋼纖維混凝土試驗方法》中的快凍法進行，鹽凍試驗參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。試件標養24 d后，分別在水中和氯化鈉溶液中浸泡4 d，在第28 d時進行快速凍融試驗。氯化鈉溶液采用3．5%的濃度，與海水中鹽的濃度一致［11－12］。每凍融循環25次，測試試件劈裂強度、相對動彈模量、重量損失情況。

試驗中，相對動彈模量和質量損失測量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，共制備10組30個試件；劈裂強度測量采用100 mm×100 mm×100 mm立方體，共制備85組共255個試件。

2 試驗結果與分析

2．1 質量損失率

圖1為鋼纖維混凝土凍融循環后的質量損失。由圖1（a）可見，PC在凍融循環作用下，質量損失明顯，在未到300次凍融循環時質量損失超過5%，達到破壞。鋼纖維的摻入對混凝土質量損失率有明顯的抑制作用，經過300次凍融循環，SFC－1．5質量損失率只有2．28%，約為普通混凝土的一半。

但是，從圖1（b）可以看出鹽凍循環下的試件質量損失率明顯增大，凍融循環100次后，PC的質量損失達4．2%，接近破壞，SFC－1．5為2．5%；與此相對應的水中，PC和SFC－1．5的質量損失僅為2．1%和1．3%，明顯小于鹽凍循環。由于鹽凍破壞的特殊性和嚴酷性［13－14］，加速了表層混凝土的解體和剝離現象，混凝土中雜亂分布的鋼纖維對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，凍融剝落程度加重。

表1 基準混凝土與鋼纖維混凝土配合比

圖1 鋼纖維混凝土在溶液中凍融時的質量損失

2．2 相對動彈性模量的變化

圖2為鋼纖維混凝土凍融循環后的相對動彈模量損失。由圖可以看出，在300次凍融循環后，PC和SFC－1．5的相對動彈模量損失分別為35．2%和24．3%，PC接近破壞，而SFC－1．5凍融損傷得到明顯抑制。但是當鋼纖維摻量達到2．0%時，鋼纖維對混凝土的增強作用降低，對抗凍性能影響不明顯。總體來看，摻入鋼纖維后，抑制了混凝土內部微裂縫或缺陷的不斷產生，延緩了相對動彈模量的下降。

圖2 鋼纖維混凝土在水中凍融時的相對動彈模量損失

2．3 劈裂強度損失

圖3為鋼纖維混凝土凍融循環后的劈裂強度損失。從圖3（a）可以看出，鋼纖維的摻入提高了混凝土的劈裂強度，纖維摻量為1．5%時，劈裂強度最高，約為基準混凝土的2倍。同時，鋼纖維還降低了凍融后混凝土劈裂強度下降速率。其中，PC在凍融150次時，劈裂強度降低40%，在凍融200次時，達到破壞；SFC－1．5在凍融250次時，劈裂強度降低40%，明顯優于基準混凝土。從圖3（b）可以看出，鹽凍循環100次，PC和SFC－1．5劈裂強度分別降低34%和22%；與此相對應的水凍循環中，PC和SFC－1．5分別降低23%和9%，說明鹽凍破壞削弱了鋼纖維的阻裂增韌作用，加快了混凝土內部損傷，造成劈裂強度快速降低。

圖3 鋼纖維混凝土在溶液中凍融時的劈裂強度損失

3 微觀機理分析

3．1 孔結構分析

表2和表3為標準養護28 d后，壓汞法測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，合理摻量的鋼纖維減小了混凝土孔隙率，纖維摻量在0%～1．5%范圍內增加時，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，纖維摻量達到2．0%時，鋼纖維混凝土孔隙結構參數均有增大現象，孔結構表現出明顯劣化。由表3可以看出，纖維摻量從在0%～1．5%范圍內增加時，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。說明混凝土無害和少害孔增多，有害和多害孔減少，孔結構得到改善，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物互相膠結形成連續相，整體結構均勻密實，沒有微裂縫產生；50次鹽凍循環后，二者均出現微裂縫，但是SFC－1．5中微裂縫數量明顯少于PC；100次鹽融循環后，PC中微裂縫擴展加深，并且大部分相互貫通，結構出現明顯疏松，而SFC－1．5中裂縫數量和貫通程度均小于PC，沒有出現組織疏松。可以看出，鋼纖維限制了裂縫的發展與貫通，提高了混凝土的抗凍性能。

在凍融循環過程中，混凝土毛細孔壁同時承受膨脹壓力和滲透壓力［15－16］，當這兩種壓力所產生的拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土開裂，產生微裂縫。鋼纖維的彈性模量與強度高于混凝土［17］，而且具有較大變形能力，可以發揮增韌、阻裂作用，從而減小引發裂縫與促進裂縫開展的凍融破壞力。隨著鋼纖維摻量增加，混凝土中鋼纖維－水泥基體界面數量增多，這些界面是鋼纖維混凝土中的薄弱區域。通過SEM觀察發現，鋼纖維－水泥基體界面存在有片狀結構的Ca（OH）2（圖6）和簇狀結構的鈣礬石晶體（AFt）（圖7）。鈣礬石晶體主要存在于微小孔隙中和集料表面，說明鋼纖維混凝土界面區存在較大孔隙率和較為疏松的網絡結構，從而成為凍融過程中微裂縫產生和發展的敏感區域。凍融循環作用下，在界面過渡區產生的裂縫呈現增多、增寬的趨勢（圖8）。所以鋼纖維摻量較大的SFC－2．0抗凍能力反而降低。

表2 鋼纖維混凝土孔隙結構參數

表3 鋼纖維混凝土孔徑分布%

圖4 PC凍融前后SEM圖片

圖5 SFC－1．5凍融前后SEM圖片

圖6 界面處Ca（OH）2晶體

圖7 界面處鈣礬石晶體

圖8 SFC－2．0界面（鹽凍100次）

4 結論

1）在凍融環境中，鋼纖維混凝土的質量損失率和相對動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度，同時還延緩了凍融損傷后混凝土劈裂強度的降低速率。

2）鋼纖維對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部損傷，鹽凍循環次數明顯低于水凍循環次數。

3）鋼纖維摻量對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。當摻量為1．5%時，鋼纖維的增強效果最好；但是當摻量增大到2．0%時，混凝土抗凍性能降低。

4）孔結構和掃描電鏡分析表明，適量鋼纖維摻入后，混凝土內部孔結構改性良好，微裂縫發展速度緩慢，鋼纖維阻裂、增強作用明顯。

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