基于快凍法的纖維摻量混凝土耐久性試驗(yàn)研究

王躍東，郭小帥，趙 超

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

0 前 言

JosephMonier[1]于1867年獲得鋼筋混凝土專利，混凝土結(jié)構(gòu)由價(jià)格低廉、就地取材、分布廣泛的材料構(gòu)成，而且與鋼筋、型鋼或者鋼管可以粘結(jié)牢固；作為材料之間能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)的承重結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)民用建筑、道路橋梁隧道工程、大壩港口和塔架基礎(chǔ)工程。截至目前，我國(guó)高速鐵路、高速公路、城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程均居世界第一，但在“一帶一路”戰(zhàn)略中的陸上絲綢之路和草原絲綢之路的嚴(yán)寒地區(qū)，亟需考慮混凝土結(jié)構(gòu)材料的抗凍性。

Mehta[2]提出：“在世界范圍內(nèi)，造成混凝土喪失結(jié)構(gòu)承載力的原因有，氯離子滲透引起的鋼筋銹蝕、凍融破壞、混凝土碳化以及堿集料反應(yīng)等。”嚴(yán)寒地區(qū)冬季道路除冰需使用含鹽類融雪劑，在凍融和氯離子侵蝕下，混凝土結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年限已經(jīng)失效，嚴(yán)重危害使用安全并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

T.C.Powers[3-5]和R.A.Helmuth從物理模型出發(fā)，經(jīng)假設(shè)和推導(dǎo)提出靜水壓力假說(shuō)和滲透壓理論；李金玉等[6]進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，采用高壓水銀測(cè)孔儀、電鏡掃描測(cè)試和X射線衍射分析，從宏觀和微觀闡述混凝土中的緊密水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)逐漸演變成稀疏狀態(tài)，靜水壓和滲透壓促使微孔結(jié)構(gòu)的增加，誘發(fā)微裂縫的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，引起混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度的下降。為提高混凝土材料的耐久性，增強(qiáng)其抗凍性，結(jié)合凍融破壞機(jī)理和相關(guān)試驗(yàn)研究，通過(guò)適當(dāng)增加纖維摻量，改變其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，在提升耐久性體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)混雜纖維混凝土的研究?jī)?nèi)容有纖維類別、尺寸、體積率等基本參數(shù)對(duì)纖維混凝土的影響和不同環(huán)境工況下的物理和力學(xué)性能[7-9]。對(duì)于環(huán)境特殊地區(qū)的纖維混凝土研究較少，基于這種情況，本試驗(yàn)采用本地區(qū)原材料配制C30纖維摻量混凝土與普通混凝土，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)與纖維摻量對(duì)混凝土的質(zhì)量損失率、立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出纖維摻量混凝土與普通混凝土抗凍性能和基本力學(xué)性能的差異，具有一定的工程借鑒意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料選用

因地取材，P·C32.5級(jí)水泥由本地區(qū)的天瑞集團(tuán)水泥有限公司提供，水泥質(zhì)量如表1所示；粗集料選用粒徑為4.75～31.5 mm的碎石；細(xì)集料采用本地區(qū)汝河河砂，細(xì)度模數(shù)為2.67，屬中砂；聚丙烯纖維(PPF)由湖南省某聚丙烯纖維工廠提供，單絲短纖維，其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2；水采用市政用水。所選用原材料均符合現(xiàn)行國(guó)家及相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表2 聚丙烯纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比

本試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)進(jìn)行，把不同摻量聚丙烯纖維混凝土構(gòu)件作為研究對(duì)象。其中：R0作為對(duì)照組，PPF0.9、PPF1.8為實(shí)驗(yàn)組。其中PPF0.9代表0.9 kg/m3的聚丙烯纖維摻量的混凝土，其具體配合比見(jiàn)表3。

表3 混凝土配合比 單位：kg·m-3

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

耐久性試驗(yàn)考慮纖維摻量和凍融循環(huán)次數(shù)為控制變量，制備不同配合比的新拌混凝土拌合物。制備過(guò)程中，按照材料均勻混合原則，先將水泥與細(xì)集料、纖維干拌1 min，再加粗骨料和水?dāng)嚢? min，故攪拌時(shí)間比普通混凝土有些延長(zhǎng)。預(yù)先設(shè)定坍落度為55～70 mm，選用規(guī)格為100×100×100 (mm)的立方體混凝土試模和100×100×400 (mm)的棱柱體混凝土試模，在內(nèi)表面均勻涂抹脫模劑以備用，將混凝土拌合物一次性澆筑兩種規(guī)格試模內(nèi)，用機(jī)械振動(dòng)平臺(tái)將其振搗密實(shí)并抹平試件表面，制成試驗(yàn)試塊。

依據(jù)快凍法的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行抗凍試驗(yàn)。采用杭州九環(huán)富琪實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)高低溫凍融試驗(yàn)箱，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、25、50、100、200次。凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后立即按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：將規(guī)格為100 mm的立方體試塊正中放置在壓力試驗(yàn)機(jī)的承載平臺(tái)上，以0.5 MPa/s的速度持續(xù)加荷，使其側(cè)面受壓破壞，記錄五種凍融循環(huán)次數(shù)和三類纖維摻量混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。棱柱體抗折強(qiáng)度試驗(yàn)：將長(zhǎng)邊為400 mm、短邊為100 mm的棱柱體混凝土試件放置四點(diǎn)彎曲的抗折裝置正中間，以0.05 MPa/s的速度持續(xù)加荷，使棱柱體被完全有效折斷，記錄五種凍融循環(huán)次數(shù)和三類纖維摻量混凝土試件的抗折強(qiáng)度。

圖1 新拌纖維混凝土拌合物

圖2 混凝土凍融試驗(yàn)箱

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土外觀現(xiàn)象

混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，室溫靜水浸泡24 h后，完全處于飽水狀態(tài)。在混凝土凍融循環(huán)之初，混凝土內(nèi)部骨料界面處，含量稀少的水泥漿層被凍融交替作用破壞開(kāi)裂，試塊表面呈現(xiàn)微小間斷細(xì)紋。隨凍融循環(huán)次數(shù)持續(xù)增多，如達(dá)到100次或200次時(shí)，間斷細(xì)紋開(kāi)始連續(xù)擴(kuò)展，外表面發(fā)生疏松和剝落現(xiàn)象，凍融損傷由外向內(nèi)逐漸擴(kuò)展，微裂縫顯著增多，最終導(dǎo)致混凝土試塊的凍融破壞，降低承載能力。

2.2 質(zhì)量損失率

按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13—2009)定義纖維混凝土凍融后質(zhì)量損失率，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，ΔWi為n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率；|ΔMn|為n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量變化量；M0為原始質(zhì)量。

依據(jù)多組試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出各組的質(zhì)量損失率，從而構(gòu)建不同摻量和不同凍融循環(huán)次數(shù)下纖維混凝土的質(zhì)量損失率的規(guī)律。圖3反映出50次內(nèi)的凍融循環(huán)，普通混凝土和兩種不同摻量的纖維混凝土三者之間的質(zhì)量損失率差別非常小；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)經(jīng)歷100次、甚至200次后，普通混凝土的質(zhì)量損失率顯著增大，已接近0.5%和超過(guò)0.8%，但纖維混凝土凍融后的質(zhì)量損失率增長(zhǎng)幅度較小，纖維摻量多的混凝土的質(zhì)量損失率要低于摻量少的。

圖3 質(zhì)量損失率

2.3 力學(xué)性能指標(biāo)

抗壓強(qiáng)度損失率應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，Δfce為n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失率；fc0為未凍融的抗壓強(qiáng)度平均值；fcn為n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度平均值。

圖4反映出凍融循環(huán)次數(shù)與不同纖維摻量混凝土抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系。25次內(nèi)的凍融循環(huán)，纖維摻量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率影響不大；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)經(jīng)歷50次、100次和200次后，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率和纖維混凝土的差別逐漸增大，纖維摻量多的混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率卻要高于摻量少的。

圖4 抗壓強(qiáng)度損失率

相對(duì)抗折強(qiáng)度應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，Rf為n次凍融循環(huán)后的相對(duì)抗折強(qiáng)度；ffn為n次凍融循環(huán)后的抗折強(qiáng)度平均值；ff0為未凍融的抗折強(qiáng)度平均值。

圖5反映出不同凍融循環(huán)次數(shù)與纖維摻量下混凝土相對(duì)抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律。25次內(nèi)的凍融循環(huán)，普通混凝土和兩種不同摻量的纖維混凝土三者之間的相對(duì)抗折強(qiáng)度差別很小；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)經(jīng)歷25次、100次、甚至200次后，普通混凝土的相對(duì)抗折強(qiáng)度迅速減少，已下降為初始值的71%，不同摻量的纖維混凝土的相對(duì)抗折強(qiáng)度初期下降緩慢后期下降速度明顯，纖維摻量少的混凝土的相對(duì)抗折強(qiáng)度要低于摻量多的。

圖5 相對(duì)抗折強(qiáng)度

3 結(jié) 論

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較低時(shí)，普通混凝土具有一定的抗凍性。雖然摻入一定量的聚丙烯纖維，可以改善混凝土的抗凍性，但從質(zhì)量損失率角度考慮，想要獲得更高的抗凍等級(jí)，僅從摻入纖維這一方面提升其耐久性具有一定困難。纖維摻量的改變對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有一定影響，雖然纖維的摻入可以約束混凝土受壓過(guò)程中內(nèi)部的橫向膨脹，但隨摻入量持續(xù)增多，同時(shí)增多了纖維-基體的界面薄弱層和影響界面過(guò)渡區(qū)，導(dǎo)致其度的損失也有所增大，后期試驗(yàn)可探尋纖維的最優(yōu)摻量。纖維顯著地提升了混凝土抗折強(qiáng)度，纖維的摻入就如同構(gòu)造了無(wú)數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)微單元，由細(xì)小纖維承擔(dān)骨料界面處的拉應(yīng)力。凍融循環(huán)次數(shù)迅速增加，纖維混凝土相對(duì)抗折強(qiáng)度也明顯降低，說(shuō)明纖維與骨料間的粘結(jié)界面已部分損壞，纖維的增強(qiáng)功能被弱化，后期可探討摻入何種類型外加劑可進(jìn)一步提升界面粘結(jié)性能。

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