凍融作用下聚丙烯纖維混凝土力學性能

滕 飛，陳升平，段小龍

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

凍融破壞是混凝土結構的主要病害之一，我國北方地區大型混凝土結構常受到凍融循環作用而產生不同程度的破壞，因而混凝土的抗凍性能被看作寒冷地區混凝土耐久性最重要的指標之一［1］。混凝土凍融過程伴隨著一定程度的混凝土力學性能衰退現象［2］，研究力學性能的衰減規律是分析混凝土凍融耐久性能的重要途徑。

聚丙烯纖維具有抑制裂紋產生，阻止裂紋擴散，改善混凝土結構長期工作性能，提高結構耐久性等特點。聚丙烯纖維混凝土抗凍性能研究也得到許多國內外學者的重視，國內外在混凝土凍融性能方面已經取得了豐碩研究成果［3－13］，但纖維混凝土在凍融作用下的力學性能衰減規律及相關數學模型分析方面的研究較少。本文通過進行聚丙烯纖維混凝土凍融循環試驗，對聚丙烯纖維混凝土抗凍性能進行研究。凍融循環后混凝土內部產生損傷，從宏觀物理性能上來看，主要表現為動彈性模量的下降、表面剝落造成質量損失；從力學性能上來看，主要表現為抗壓強度、抗折強度等力學性能指標的降低。本文通過改進相關力學性能隨凍融次數衰減模型，在聚丙烯纖維混凝土凍融循環試驗數據的基礎上，對不同纖維摻量條件下混凝土的力學性能凍融衰減規律進行研究，通過試驗數據擬合得出不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、抗折強度隨凍融次數累積的衰減模型。

1 凍融試驗概況

1.1 試驗方法及試件設計

聚丙烯纖維混凝土設計強度等級C45，采用42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為中粗河沙，粗骨料采用最大粒徑不超過20mm的頁巖；聚丙烯纖維選擇長度為19mm的細纖維。

混凝土配合比見表1。

表1 纖維混凝土配合比設計

按照配合比加入砂石水泥和聚丙烯纖維先干攪30s再加水攪拌，使纖維充分分散，攪拌均勻后裝模，用濕布蓋住，放置室溫20±5℃，相對濕度大于50%的室內兩晝夜，然后拆模，外觀檢查，編號，放入養護室內養護28d。

1.2 凍融試驗

試驗分為兩個系列試件，對第一個系列試件測定其抗壓強度，采用100mm×100mm×100mm混凝土試件；第二個系列試件用于測量相對動彈性模量、質量損失率以及抗折強度，尺寸為100mm×100mm×400mm，試件按0，0.75%，1.5%不同纖維體積摻量分為P1，P2，P3三組，做凍融循環試驗，根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082－2009）的快速凍融法，利用上海三好制冷設備廠的全自動凍融儀進行測試。在試驗之前試件需在溫度為20～25℃水中浸泡4d，并且在凍融試驗的整個過程中處于完全浸水狀態，每一次凍融循環時間為4h左右。試件在完全凍結時，其中心溫度控制在－17℃左右；完全融化時，試件的中心溫度控制在8℃左右。凍融循環次數每隔25次時，分別對每組不同摻量混凝土試件進行測量，最高凍融次數為200，試件尺寸為100mm×100mm×100mm的試件按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081－2002）做抗壓強度試驗，分別測量不同凍融循環次數下不同纖維摻量混凝土試件的抗壓強度；試件尺寸為100mm×100mm×400mm的試件每凍融循環25次將試件取出測量一次，用共振法測其橫向共振頻率，用臺秤稱其質量，以便得出試件的相對動彈性模量和質量損失率；試件尺寸為100mm×100mm×400mm的試件每循環25次分別進行三點彎抗折試驗測出不同纖維摻量不同凍融循環次數下的抗折強度。

2 試驗結果及分析

2.1 實驗現象

凍融循環次數為50次時，三組試件外觀沒有出現明顯變化，只有少量薄皮脫落，纖維混凝土中聚丙烯纖維沒有明顯外露，試塊的質量損失很小，甚至有些稍微增加的趨勢，說明經凍融后混凝土表面出現細微裂紋，造成試塊內部吸水，說明破壞程度較輕；當凍融循環到達100次時，試塊表面的保護層開始明顯剝落，剝落下來的粉末狀殘渣明顯增多，纖維混凝土表面由于聚丙烯纖維的作用還殘留沒有完全脫落下來的碎塊，開始裸露少量骨料；凍融循環150次，試塊表面保護層大量剝落，內部骨料大部分已裸露在外，0.75%纖維摻量的試塊表面損傷程度要明顯好于素混凝土，由于聚丙烯纖維可緩解溫度變化所引起的混凝土內部應力作用，阻止微裂縫的擴展，試件表面會殘留大量已產生裂縫卻沒有完全脫落的結構，隨著纖維摻量的增加，這一現象也越發明顯，因而質量損失率也越小；凍融循環200次，試塊表面保護層已基本完全剝落，內部骨料完全裸露，甚至有少量體積較小的骨料也脫落下來，內部纖維外露，產生大量粉末狀殘渣，隨著纖維摻量的增加，試塊表面損傷程度已沒有明顯區別。

2.2 質量損失率和相對動彈模

每凍融25次將試件拿出用臺秤測量質量，用共振法測其橫向共振頻率；混凝土相對動彈性模量

其中:Pn表示經n次凍融循環后試件的相對動彈性模量，%；fn表示n次凍融循環后試件橫向共振頻率，Hz；f0表示凍融循環試驗前試件橫向共振頻率，Hz。數據見表2。

表2 相對動彈性模量

混凝土凍融作用下的質量損失率

式中:G0為試塊的初始質量；Gn為試塊經n次凍融循環后的質量。試驗數據見表3。

表3 質量損失率

圖1、圖2反映了隨著凍融循環次數的積累聚 丙烯纖維對相對動彈性模量和質量損失率的影響。隨著凍融循環次數的遞增，材料的動彈性模量和質量不斷損失，從圖中可以看出，摻入聚丙烯纖維的P2，P3組，在凍融循環次數超過50次之后的每個階段，其動彈模損失和質量損失要小于不摻纖維的混凝土，且高纖維摻量的材料其增益效果要高于低纖維摻量的材料。這說明摻入聚丙烯纖維可以有效改善混凝土材料的抗凍性能。凍融次數在0到25次之間，質量損失率不降反升，這是由于混凝土表面并未出現明顯剝落，而表面裂縫開裂導致試件吸水所引起的。

圖1 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環作用下的相對動彈性模量

圖2 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環作用下的質量損失率

2.3 凍融作用下混凝土強度衰減規律

隨著凍融循環次數的增長，材料的內部損傷逐漸累積，混凝土抗壓和抗折強度也逐漸降低，圖3、圖4較為直觀地反映了隨著凍融循環次數的增加，不同聚丙烯纖維摻量的混凝土強度的變化趨勢。對于抗壓強度，0.75%纖維摻量的混凝土雖然在初始強度上有所增強，但是隨著凍融次數的積累，強度衰減速度較快，凍融200次以后強度反而最低，而1.5%纖維摻量的試件，在不同凍融循環次數下強度都要高于不加纖維的混凝土，雖然遞減速率上并沒有明顯慢于普通混凝土，但是摻加聚丙烯纖維確實能夠增加混凝土在凍融循環條件下的抗壓強度，且1.5%纖維摻量較0.75%纖維摻量擁有更好的抗凍性能。而如圖5所示，相比抗壓強度，加入纖維對于混凝土的抗折強度有著更為顯著的效果，摻入纖維能夠顯著增加混凝土的抗折能力，兩種不同纖維摻量對于混凝土的抗折強度影響卻并不顯著。總體來講，加入聚丙烯纖維能夠在強度方面顯著增加材料的抗凍性能，但對于不同的強度類型，不同的纖維摻量所帶來的強度增益也是不同的。對于抗壓強度，1.5%摻量要優于0.75%摻量；對于抗折強度，0.75%摻量要略優于1.5%摻量。

纖維混凝土凍融循環作用下抗壓強度，抗折強度變化規律見圖3、圖4。

圖3 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環作用下的抗壓強度

圖4 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環作用下的抗折強度變化

3 凍融作用下纖維混凝土強度衰減模型

大量試驗研究表明，混凝土強度與凍融次數可采用以下模型［13］

由于該模型需滿足當N＝0時，A＝1的邊界條件，不能很好地擬合強度隨凍融次數的衰減規律，所以將該模型改進為

式中:f試件在凍融之前的強度，fD為凍融循環次數為N時混凝土的強度值；A、B是與材料、溫度等有關的常數。

對式（1）等號兩邊兩次取對數得

令ln ［ln （f/fD） ］＝Y，lnN ＝X，即式（2）可以寫為一階線性函數

將實測不同凍融次數下的材料抗壓強度和抗折強度分別帶入相關模型做線性回歸及參數估計，材料參數及相關系數見表4、表5。

表4 材料抗壓強度相關參數

圖5 材料抗壓強度衰減規律線性回歸圖

表5 材料抗折強度相關參數

圖6 材料抗折強度衰減規律線性回歸圖

線性擬合相關系數R2均在0.95以上，說明纖維混凝土抗壓強度和抗折強度均符合該模型。通過有關參數分別得出P1、P2、P3不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度衰減模型

不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土的抗折強度衰減模型

式中:fc、ft分別為試件在凍融之前的抗壓強度、抗折強度，fDc、fDt分別為凍融循環次數為N 時混凝土的抗壓強度、抗折強度。

但需要指出的是，本次試驗數據中凍融循環次數均未超過200次，所以該模型無法預測材料破壞時的凍融循環次數。

由該力學性能衰減模型可以發現，1.5%纖維摻量的混凝土與普通混凝土具有相似的力學性能衰減規律，而0.75%纖維摻量的混凝土力學性能衰退速率較快。

4 結論

1）摻入聚丙烯纖維在結構上阻礙了混凝土內部水壓力的滲透，從內部結構上增強了混凝土的抗凍性能；隨著纖維摻量的增加，混凝土結構的質量損失率和動彈模的損失率隨著凍融循環次數的累積而變緩，說明了摻入聚丙烯纖維可以很好地增加混凝土試件的抗凍性能。

2）摻入纖維能夠提高混凝土在凍融循環作用下的強度，但隨著凍融次數的累積，聚丙烯纖維對于混凝土抗壓強度下降的阻礙并不是十分明顯，但是摻入纖維可以顯著提高抗折強度，纖維摻量對于抗折強度的提高作用不明顯。

3）改進混凝土力學性能衰減模型，通過試驗數據擬合，得出不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土抗壓強度 、抗折強度衰減模型。通過分析相關系數，認為聚丙烯纖維混凝土凍融之后的抗壓強度和抗折強度帥衰減規律比較符合該模型。

［1］ 亢景富，馮乃謙.水工混凝土耐久性問題與水工高性能混凝土［J］.混凝土與水泥制品，1997（04）:4-10.

［2］ 衛 軍，張曉玲，趙霄龍.混凝土結構耐久性的研究現狀和發展方向［J］.低溫建筑技術，2003，92（02）:1-3.

［3］ 牛荻濤，肖前慧.混凝土凍融損傷特性分析及壽命預測［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2010（03）:319-322，328.

［4］ 冀曉東，宋玉普，劉 建.混凝土凍融損傷本構模型研究［J］.計算力學學報，2011（03）:461-467.

［5］ 羅 昕，衛 軍.凍融條件下混凝土損傷演變與強度相關性研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2006（01）:98-100.

［6］ 程紅強，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融損傷試驗研究［J］.東南大學學報（自然科學版），2010（S2）:197-200.

［7］ 劉衛東，蘇文悌，王依民.凍融循環作用下纖維混凝土的損傷模型研究［J］.建筑結構學報，2008（01）:124-128.

［8］ 姚 武.纖維混凝土的低溫性能和凍融損傷機理研究［J］.冰川凍土，2005，27（08）:545-549.

［9］ 陳愛玖，章青，王靜，蓋占方.再生混凝土凍融循環試驗與損傷模型研究［J］.工程力學，2009（11）:102-107.

［10］Yazdani S，Schreyer H L.Combined plasticity and damage mechanics model for plain concrete［J］.Jour-nal of Engineering Mechanics，1990，116（07）:1405-1450.

［11］龍 源，萬文乾，紀 沖，等.基于 WEIBULL概率分布的鋼纖維混凝土材料損傷演化分析［J］.材料科學與工程學報，2007（06）:830-832.

［12］嚴佳川，鄒超英.凍融循環作用下混凝土材料壽命評估方法［J］.哈爾濱工業大學學報，2011（06）:11-15.

［13］鄒超英，趙 娟，梁 鋒，等.凍融作用后混凝土力學性能的衰減規律［J］，建筑結構學報，2008，29（01）:117-123.