鋼纖維混凝土凍融后的力學性能研究

陳升平， 段小龍， 滕　飛， 張　巖

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

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鋼纖維混凝土凍融后的力學性能研究

陳升平， 段小龍， 滕飛， 張巖

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]為了研究鋼纖維混凝土的抗凍性能，通過對比不同鋼纖維體積率和凍融循環次數的混凝土，測定各種摻量鋼纖維混凝土凍融后的質量損失及相對動彈模損失率，分析鋼纖維摻量及凍融循環次數對混凝土的抗壓、抗折強度的影響，進行了鋼纖維混凝土在凍融循環作用后的力學性能研究。試驗結果表明，摻入鋼纖維后對凍融循環作用下的混凝土的抗壓強度影響較小。當凍融循環次數較少時，摻入鋼纖維后混凝土的抗折強度有較明顯的提高；當凍融循環次數增多時，鋼纖維對混凝土的增強作用較小。

[關鍵詞]凍融； 鋼纖維； 混凝土； 強度

隨著使用壽命的增長，混凝土結構建筑物的耐久性問題日漸突出。我國疆域遼闊，又有相當大一部分地區處于北方嚴寒地帶，而凍融破壞是引起這部分地區混凝土結構建筑物老化損壞的主要原因之一，凍融循環作用導致混凝土結構的耐久性降低，最終導致混凝土結構的破壞[1]。為此，我國每年都要消耗巨額的維修費用。因此，對混凝土抗凍性能的研究具有重要的實用價值和理論意義。混凝土凍融破壞最終表現為裂縫的出現和發展，而在混凝土中摻入鋼纖維可以有效阻止裂縫的產生和擴展。相對于普通混凝土來說，鋼纖維混凝土擁有更好的抗拉、抗折和抗劈裂性能，并且具有更好的韌性和延性[2]。因此，鋼纖維混凝土被廣泛應用于港口航道、公路橋涵、隧道工程及北方嚴寒地區的工業與民用建筑等混凝土結構中。本文以研究鋼纖維混凝土在凍融后的力學性能為目的，進行了混凝土凍融循環試驗，對比了不同摻量鋼纖維混凝土在不同循環次數下的質量損失，相對動彈模損失以及抗壓強度、抗折強度，分析了鋼纖維混凝土的凍融破壞機理，旨在為凍融環境下的鋼纖維混凝土耐久性設計提供依據。

1試驗方案

1.1試驗材料

采用華新水泥廠生產的標號為32.5級復合硅酸鹽水泥，中砂級配良好，細度模數為3.5，粗集料選用天然石灰巖碎石，粒徑不大于20 mm，鋼纖維選用銑削型鋼纖維，力學性能見表1。

表1　鋼纖維的主要力學性能

1.2試驗方案

凍融試驗以鋼纖維體積摻量及凍融循環次數為控制參數，試件尺寸分為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩個系列，前組用于測量凍融循環對試件強度的影響，后組用于三點彎曲抗折試驗，并測量質量損失率。試件按纖維體積摻量0、0.75%、1.5%分為3組，攪拌混凝土時，采用強制式電動攪拌機拌合。為了保證鋼纖維在混凝土中分布均勻，先將砂石和水泥加入到攪拌機中攪拌30 s，再將鋼纖維均勻撒入攪拌機中，全部投入后再攪拌2 min.澆筑試件后，在振動臺上振動直至試件表面沒有冒出氣泡為止。澆筑完24 h后拆模，放置室內標準蒸汽養護室養護28 d。鋼纖維混凝土配合比見表2。

表2　鋼纖維混凝土配合比　　　kg/m3

本試驗用快速凍融法進行，采用TDRF-1AF混凝土快速凍融試驗機，在水飽和狀態下進行凍融試驗，在凍結和融化結束時，混凝土試件的中心溫度應分別控制在-15℃±2℃和15℃±2℃。4 h左右完成一次凍融循環。達到養護齡期的前3 d時，將試件在25℃的水中完全浸泡3 d，3 d后取出試件，擦去表面水分后，測量對比組的動彈性模量以及試件的質量損失，再將試件放入凍融試驗機內，每經過50次、100次、150次、200次凍融循環后，取出試件，將表面沖洗干凈并擦干水分后，測量其動彈性模量及質量損失。

凍融循環次數為0、50、100、150、200次時，分別對每組不同摻量的混凝土試件進行測量。尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件按照GBJ81-1985《普通混凝土力學性能試驗方法》做立方體壓縮試驗，分別測量出不同凍融循環次數下不同鋼纖維摻量混凝土試件的抗壓強度，需要15組，共制備45個試件。尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，每循環50次分別進行三點彎曲抗折試驗，測出不同鋼纖維摻量的混凝土試件在不同凍融循環次數下的抗折強度，每組3個試件，共制備15個試件。

2試驗結果及分析

2.1破壞形態及質量損失率

在凍融循環作用下，混凝土表面均會出現不同程度的破壞，從試驗過程可以看出，凍融50次之后，由于循環次數較少，三種摻量的鋼纖維混凝土試件并沒有明顯的破壞現象，試件表面完整，質量損失幾乎為零；當凍融循環次數達到100次時，混凝土表面開始出現剝落，試件內部開始出現細小微裂縫，試件質量也有所降低；當凍融達到150次時，不摻入鋼纖維的混凝土試件破壞較為嚴重，試件表面掉渣較多，表面呈現出麻面狀，質量損失也較多；當凍融循環達到200次時，混凝土試件表面開始出現大面積的剝落，表面露出粗骨料和少許鋼纖維，質量損失也較高。

質量損失率是反映混凝土試件在凍融循環作用下抵抗剝落的重要指標之一，本試驗測量了鋼纖維混凝土在凍融作用前后的質量，并計算出了相應的質量損失率。圖1表明了鋼纖維體積摻量、凍融循環次數對混凝土的質量損失的影響。由圖中曲線可以看出，不摻加鋼纖維的混凝土試件在凍融循環作用下，質量損失約為鋼纖維混凝土質量損失的兩倍，表明摻入鋼纖維對質量損失有較明顯的抑制作用。從曲線變化趨勢來看，鋼纖維體積率越大，質量損失越小。在經過200次的凍融循環之后，質量損失已經出現超過5%，混凝土試件凍融已破壞。

圖 1　鋼纖維混凝土在凍融循環作用下的質量損失

2.2相對動彈性模量的變化

本試驗采用共振法測量試件的動彈性模量，使用儀器型號為DT-18動彈模量測量儀。圖2為鋼纖維混凝土試件動彈性模量損失變化曲線。由圖中曲線變化趨勢可以看出，在經過200次凍融循環之后，各個摻量的混凝土相對動彈性模量損失均滿足要求。不摻加鋼纖維的混凝土試件的相對動彈性模量損失已經達到31%，接近破壞。而摻量分別為0.75%和1.5%的鋼纖維混凝土的相對動彈模損失較小，分別為25%和23%，可見摻入鋼纖維后混凝土的凍融損傷得到了明顯的抑制。總體來看，在摻入了鋼纖維之后，混凝土內部微裂縫的發展得到抑制，混凝土的相對動彈性模量損失減小。

圖 2　鋼纖維混凝土在凍融循環作用下的相對動彈性模量損失

2.3抗壓強度

圖3為鋼纖維混凝土經過凍融作用后的抗壓強度變化曲線，從圖3中可以看出，凍融循環進行50次之后，各種鋼纖維摻量的混凝土試件抗壓強度均出現了不同幅度的下降。當凍融循環次數進一步增加，達到100次時，各種摻量的鋼纖維混凝土抗壓強度均出現了大幅下降，不摻加鋼纖維的混凝土和摻入鋼纖維的混凝土抗壓強度損失較為接近。從總體上來看，經過凍融循環作用之后，混凝土試件的抗壓強度均有所下降，各種摻量的混凝土抗壓強度損失差距較小，因此，鋼纖維的摻入對抗壓強度的影響較小。

圖 3　鋼纖維混凝土在凍融循環作用下的抗壓強度變化

2.4抗折強度

圖4為凍融循環之后鋼纖維混凝土的抗折強度變化曲線，從圖4中可以看出，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的抗折強度逐漸降低。鋼纖維體積摻量為1.5%的混凝土抗折強度損失較小，可見當提高鋼纖維體積摻量時，混凝土的抗折強度有所提高，因為在凍融循環作用下，鋼纖維對凍融產生的微裂縫起到了約束作用，從而提高了鋼纖維混凝土的抗劈裂能力。凍融作用使混凝土內部產生大量微裂縫，但由于鋼纖維的存在，鋼纖維與水泥砂漿之間存在粘結作用，仍然有一定的抗劈裂能力。在凍融循環進行200次之后，試件表面已經露出骨料和鋼纖維，并呈現出較多的微裂縫，混凝土試件已經接近破壞，各種鋼纖維摻量的混凝土抗折強度均大幅下降。總體來看，隨著鋼纖維體積率的增加，凍融次數較少時，鋼纖維對混凝土試件的增強作用比較明顯；但是隨著凍融次數的增加，鋼纖維混凝土內部凍脹破壞使缺陷增多，鋼纖維與水泥砂漿之間的粘結力也遭到破壞，鋼纖維對微裂縫發展的約束作用也減小，因此鋼纖維體積率的增加并不能顯著提高混凝土的抗折強度。

圖 4　鋼纖維混凝土在凍融循環作用下的抗折強度變化

3凍融循環破壞機理分析

混凝土的凍融破壞是一個比較復雜的變化過程，一般普遍認為混凝土凍融破壞的主要原因是由于其內部因凍脹而產生各種復雜的應力作用的結果。當環境溫度降低時，混凝土表面溫度下降較快，而內部溫度下降較慢，因此在混凝土試件內外之間形成了溫差階梯。當溫度降至0℃以下時，混凝土表面孔隙中的水分開始結冰，隨著溫度繼續降低，混凝土內部的細小孔隙中水分也逐漸開始凍結。此時，混凝土試件內外孔隙中的水結冰產生的體積膨脹，以及未凍結的過冷水分在微裂縫中的遷移，都會產生各種內部壓力。當內部壓力超過混凝土材料所能承受的極限時，內部就會產生細微裂紋。當溫度升高時，孔隙中凍結的水分逐漸開始解凍，解凍后的水分繼續滲透進入凍脹破壞產生的細微裂紋中，不斷的發生凍融循環過程，導致混凝土內部細小孔隙及微裂縫逐漸增大擴展，達到一定程度時，混凝土試件就會發生凍融破壞。當摻入鋼纖維后，鋼纖維與砂漿存在粘結作用，凍融次數較少時，鋼纖維與砂漿粘結力較強，鋼纖維對混凝土的力學性能影響較大，但當凍融循環次數增加，混凝土內部結構逐漸變為疏松狀態，并且隨著內部裂縫不斷增多，鋼纖維與水泥砂漿之間的粘結力隨之減小，鋼纖維對微裂縫的約束作用也逐漸減小，混凝土逐漸遭到破壞。

4結論

1)在凍融循環作用下，鋼纖維混凝土的質量損失率及相對動彈性模量損失率較素混凝土低，因此鋼纖維能顯著提高混凝土的抗凍性。

2)在凍融循環次數較少時，各種摻量混凝土的抗壓強度均有所降低，抗壓強度損失接近，此時鋼纖維的摻入對混凝土的抗壓強度影響作用不大，而鋼纖維體積摻量較高的混凝土抗折強度損失較小，因而摻入鋼纖維對混凝土抗折強度影響較顯著。而當凍融循環次數增多時，各種鋼纖維摻量的混凝土抗壓強度和抗折強度均大幅降低，損失較接近，因此鋼纖維體積率的增加并不能有效提高混凝土的抗折強度。

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[責任編校： 張巖芳]

Research on Mechanical Properties of Steel Fiber Reinforced Concrete after Freezing and Thawing Cycle

CHEN Shengping，DUAN Xiaolong，TENG Fei，ZHANG Yan

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture，HubeiUniv．ofTech． ，Wuhan430068，China)

Abstract：In order to research the frost resistance of steel fiber reinforced concrete, we made the comparison of concrete of different steel fiber volume ratio in the condition of different cycles of freezing and thawing. By measuring the mass loss and relative dynamic modulus loss rate of concrete of different steel fiber volume ratio, we analyzed the influence of steel fiber content and numbers of freezing thawing cycles on the compressive strength and the flexural strength of concrete, and we made the stay of the mechanical property of steel fiber reinforced concrete after freezing and thawing cycle. Experimental results show that the steel fiber has little influence on the compressive strength of concrete after freezing and thawing cycles. When the number of freeze-thaw cycles is small, the incorporation of steel fiber can enhance the flexural strength of concrete obviously. With the increase of freeze-thaw cycle number, the reinforcement of flexural strength decreases gradually.

Keywords：freezing and thawing，steel fiber，concrete，intensity

[中圖分類號]TU528

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0094-04

[作者簡介]陳升平(1965-)， 男， 湖南醴陵人，工學博士，湖北工業大學教授，研究方向為結構工程

[基金項目]湖北省科技廳項目(2012FFB00607)

[收稿日期]2015-02-02