纖維混凝土抗凍性能及損傷劣化模型研究

趙小明，李?yuàn)W陽，喬宏霞，李江川，王新科

(1.甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，蘭州 730046;2.蘭州理工大學(xué),西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，混凝土材料作為基本建筑材料，因原材料普通常見，且具有優(yōu)良的可塑性、耐久性和強(qiáng)度高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。對(duì)一些特殊地區(qū)、特殊建筑來說，普通混凝土已經(jīng)無法滿足使用要求，為尋求更具特色且適用性強(qiáng)的混凝土材料，纖維混凝土因此而產(chǎn)生。纖維主要是通過橋接作用來限制微觀裂縫的發(fā)展[1]，從而改善混凝土的強(qiáng)度及耐久性。在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土建筑因長期處于低溫環(huán)境，凍融循環(huán)經(jīng)常發(fā)生，由于溫度影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)過多裂縫，嚴(yán)重影響了建筑的安全和使用壽命[2]。因此，在混凝土凍融循環(huán)后，考慮如何預(yù)防和阻斷裂縫的出現(xiàn)顯得十分重要。

趙燕茹等[3]對(duì)凍融循環(huán)作用后玄武巖纖維混凝土的斷裂性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，玄武巖纖維混凝土的斷裂性能大幅度下降，玄武巖纖維不能較好地抑制凍融循環(huán)給混凝土帶來的損傷。程紅強(qiáng)等[4]進(jìn)行了聚丙烯纖維混凝土凍融損傷試驗(yàn)，在凍融循環(huán)作用下，聚丙烯纖維混凝土損傷不斷累加，質(zhì)量損失率和劈拉強(qiáng)度不斷降低，隨著纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強(qiáng)度不斷提高。嚴(yán)武建等[5]探討了凍融循環(huán)作用下聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)摻加引氣劑的聚丙烯纖維混凝土在經(jīng)過凍融后，引氣劑對(duì)聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度具有不利影響，摻入引氣劑的C30聚丙烯纖維混凝土的質(zhì)量損失率更低。陳升平等[6]研究了凍融環(huán)境下纖維混凝土的損傷模型，根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的損傷度逐漸增大，且動(dòng)彈性模量所定義的損傷變量更能直觀地反映混凝土的凍融損傷程度。其他學(xué)者關(guān)于纖維混凝土抗凍性的研究也有不同看法[7-11]。混凝土的破壞過程主要表現(xiàn)為裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)大[12]，因此，加入纖維能有效抑制裂縫發(fā)展，對(duì)混凝土的性能具有顯著提升作用。

目前對(duì)單摻纖維混凝土抗凍性研究成果頗豐，而對(duì)混雜纖維混凝土抗凍性研究較少。因此本文通過鋼纖維(SFs)和PVA纖維混合摻入混凝土，采用正交配比制成混凝土試件，采集相應(yīng)凍融次數(shù)的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，分析不同比例的纖維對(duì)混凝土抗凍性的影響，然后通過二次函數(shù)擬合得出凍融次數(shù)與相對(duì)動(dòng)彈性模量、強(qiáng)度的衰減模型。同時(shí)根據(jù)損傷理論，建立纖維混凝土凍融損傷模型，可為凍融循環(huán)作用下混雜纖維混凝土的試驗(yàn)研究提供有效參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料和配合比

水泥選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用直徑為5～20 mm，表觀密度為2 700 kg/m3的碎石；細(xì)骨料選用河砂，細(xì)度模數(shù)3.18；減水劑選用羥系減水劑，減水率為20%；水選用蘭州普通自來水；纖維選用鋼纖維(SFs)和PVA纖維，來源于河北某纖維廠，其物理性能見表1；依據(jù)JGJ 55—2011《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[13]制備標(biāo)準(zhǔn)混凝土，其配合比見表2；粉煤灰選用Ⅱ級(jí)粉煤灰，由甘肅蘭州某廠提供，其主要指標(biāo)見表3。

表1 纖維主要物理性能參數(shù)Table 1 Main physical property parameters of fiber

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

表3 粉煤灰主要指標(biāo)Table 3 Main indicators of fly ash

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及方法

混雜纖維混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)以纖維的摻入量為基本變化數(shù)，按預(yù)先制定的配合比來制備混凝土試件。首先，按計(jì)算配合比稱取所需混凝土材料用量，將碎石、砂、水泥和粉煤灰倒入攪拌機(jī)，先干拌30 s后加入3/4的水，開始濕拌，再按不同配比加入纖維攪拌均勻，然后把剩余的水、減水劑倒入攪拌機(jī)，攪拌完成后倒入準(zhǔn)備好的規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試模內(nèi)，把模具中的混凝土振動(dòng)均勻密實(shí)，最后把模具表面抹平。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行拆模，拆模后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。取出試件，在凍融循環(huán)試驗(yàn)開始之前，將試件放在(20±3) ℃的水中，試件的上表面應(yīng)距水面20 mm左右，浸泡4 d做凍融試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中需要保證纖維混凝土試件一直處于全浸水狀態(tài)。凍融試驗(yàn)過程中，最低中心溫度和最高中心溫度應(yīng)分別控制在(-17±2) ℃和(8±2) ℃。每凍融循環(huán)25次為一階段，測量所需的數(shù)據(jù)，一次凍融循環(huán)大約2～4 h，凍融次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，試驗(yàn)終止。

對(duì)于混凝土在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，凍融損傷的兩個(gè)重要參數(shù)分別為質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，定義質(zhì)量損失率為Wn和相對(duì)動(dòng)彈性模量為Pn，如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中：G0為凍融前試件的質(zhì)量;Gn為凍融n次后試件的質(zhì)量;f0為凍融前試件橫向共振頻率;fn為凍融n次后試件橫向共振頻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融循環(huán)下混凝土質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量分析

圖1為不同摻量下纖維混凝土的凍融次數(shù)和質(zhì)量損失率之間的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，凍融次數(shù)達(dá)到25次時(shí)，試件的質(zhì)量損失率曲線逐步降低，表明試件在經(jīng)過凍融循環(huán)后，質(zhì)量有了一定的負(fù)增長，從質(zhì)量損失率程度來看，JZ>SPC-4>SPC-3>SPC-2>SPC-1,其主要原因是試件內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，這些微裂縫隨凍融次數(shù)的增加開始逐漸擴(kuò)大且吸收水分，試件外部趨于完整，混凝土脫落的質(zhì)量小于吸收水分的質(zhì)量，從曲線變化可以看出，試件在凍融循環(huán)初期，質(zhì)量都會(huì)因內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫吸水而增加；凍融25次至100次，試件的質(zhì)量損失率曲線表現(xiàn)為增長趨勢，即質(zhì)量開始正增長，原因是隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土外部出現(xiàn)損傷，表面裂縫逐步擴(kuò)大，開始出現(xiàn)明顯的水泥砂漿脫落，混凝土脫落的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微裂縫吸收水分的質(zhì)量。從圖中曲線可以看出，JZ不摻加任何纖維，質(zhì)量損失率最多，為1.86%，SPC-3質(zhì)量損失率最少，為1.16%，原因是SFs-PVA纖維在混凝土中亂向分布，對(duì)開裂具有抑制效果，約束了外部損傷，摻入纖維可以有效降低質(zhì)量損失率。SPC-1和SPC-4對(duì)比SPC-2和SPC-3的曲線，顯然SPC-2和SPC-3的質(zhì)量損失率更少。試件在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失率為：JZ>SPC-4>SPC-1>SPC-2>SPC-3。

圖1 纖維混凝土的質(zhì)量損失率與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.1 Relationship curves between mass loss rate of fiber reinforced concrete and number of freeze-thaw cycles

圖2為不同摻量下纖維混凝土的凍融次數(shù)和相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系曲線圖。凍融次數(shù)從0次到100次期間，相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線不斷下降，下降幅度明顯不同。凍融次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，JZ和SPC-4組試件下降幅度最大，都發(fā)生了嚴(yán)重的損傷，相比來看，SPC-1、SPC-2和SPC-3的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度相對(duì)平緩，損傷均小于前兩組。對(duì)比JZ和SPC-1、SPC-2、SPC-3的曲線來看，JZ的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失速率最快，抗凍性較差，其他三組相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線平緩下降，損失速率較慢，說明纖維能夠改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，防止微裂縫增大，降低混凝土凍融損傷程度，對(duì)于混凝土的抗凍性起到有利效果[14]；對(duì)比SPC-1和SPC-2，粉煤灰可使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，摻量的增加對(duì)減小相對(duì)動(dòng)彈性模量損失具有積極影響；SPC-4相較于其他三組，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降的幅度最大且損傷最嚴(yán)重，表明SFs和PVA纖維阻斷混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫的性能減弱，導(dǎo)致試件的強(qiáng)度和密實(shí)性下降。試件在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量為：SPC-4

圖2 纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.2 Relationship curves relative dynamic elastic modulus of fiber reinforced concrete and number of freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)下混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度分析

圖3和圖4分別為不同摻量下纖維混凝土的凍融次數(shù)和抗壓、抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，試件抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線均在同步下降，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，其強(qiáng)度大小從高到低依次為：SPC-4>SPC-3>SPC-2>SPC-1>JZ。從開始凍融到試驗(yàn)結(jié)束，JZ的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度損失率分別是19%和45%,含有纖維的試件SPC-1、SPC-2、SPC-3和SPC-4的強(qiáng)度損失率明顯低于JZ，說明在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，纖維能夠有效地提高混凝土的抗凍性和強(qiáng)度。基于圖中曲線的變化規(guī)律，SPC-1和SPC-2對(duì)比SPC-3和SPC-4，在經(jīng)過100次凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，SPC-3和SPC-4的抗壓、抗拉強(qiáng)度始終高于SPC-1和SPC-2，即在一定條件下，SFs摻入量越多，試件強(qiáng)度的提升越大，這是因?yàn)镾Fs能約束混凝土的橫向膨脹力[15]，同時(shí)抑制裂縫的出現(xiàn)，進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度。通過SPC-1和SPC-2強(qiáng)度變化曲線趨勢可以看出，在凍融循環(huán)初期，由于混凝土試件損傷并不嚴(yán)重，抗壓和抗拉強(qiáng)度差值不大，隨著凍融循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，混凝土試件的損傷逐漸增加，導(dǎo)致抗拉和抗壓強(qiáng)度的差值逐步擴(kuò)大。凍融循環(huán)50次到100次期間，試件抗壓、抗拉強(qiáng)度曲線下降速率逐步加快，下降斜率大于凍融循環(huán)初期，說明隨著凍融次數(shù)的增加，SFs和PVA纖維與混凝土之間的橋接作用和粘結(jié)性遭到破壞，試件內(nèi)部損傷進(jìn)一步加劇，通過纖維來提高混凝土抗凍性能的作用逐步削弱。但總而言之，在混凝土中摻入纖維，能夠減緩強(qiáng)度損失速率，減小混凝土橫向膨脹速度，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗凍性。

圖3 纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.3 Relationship curves between compressive strength of fiber reinforced concrete and number of freeze-thaw cycles

圖4 纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線 Fig.4 Relationship curves between tensile strength of fiber reinforced concrete and number of freeze-thaw cycles

3 混雜纖維混凝土凍融損傷模型分析

混凝土試件在制備過程中，由于粗骨料、細(xì)骨料等材料形狀不規(guī)則，大小不統(tǒng)一，在攪拌過程中不能完全無縫銜接，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)孔隙，這些孔隙微小且數(shù)量很多，是影響混凝土抗凍性的一個(gè)重要因素。凍融損傷是混凝土在凍融循環(huán)過程中，由于外界環(huán)境的變化，內(nèi)部孔隙產(chǎn)生了一定的橫向膨脹力，導(dǎo)致這些孔隙逐漸發(fā)展為微裂縫而出現(xiàn)耐久性問題[16]，凍融次數(shù)不斷增加，凍融損傷就不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致混凝土表面開裂，出現(xiàn)骨料或者砂漿的脫落。

相對(duì)動(dòng)彈性模量能夠有效反映出混凝土的凍融損傷程度[17-18]，可較好地對(duì)損傷度進(jìn)行評(píng)價(jià)。基于相對(duì)動(dòng)彈性模量的數(shù)據(jù)變化，根據(jù)混凝土損傷力學(xué)，混凝土的凍融循環(huán)損傷程度D可用式(3)表示。

(3)

式中：En為凍融n次后試件的動(dòng)彈性模量；E0為凍融前試件的初始動(dòng)彈性模量。

將混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量數(shù)據(jù)代入式(3)可以得出隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融循環(huán)損傷程度的變化趨勢，如圖5所示。

圖5 損傷程度D和凍融次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between damage degree D and number of freeze-thaw cycles

從圖5中可以看出，所有試件的凍融循環(huán)損傷程度曲線均表現(xiàn)為上升趨勢，凍融次數(shù)越多，損傷程度越大。和圖2相比可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)動(dòng)彈性模量越大，試件的損傷就越小。凍融循環(huán)100次后，SPC-4損傷程度最大，凍融損傷速率上升最快；SPC-3損傷程度最小，凍融損傷速率上升最慢。

為考慮凍融循環(huán)與混凝土力學(xué)性能衰減規(guī)律的變化，分析抗壓、抗拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)損傷程度之間的關(guān)系，定義DC為抗壓或抗拉下凍融循環(huán)損傷程度，可用式(4)表示。

(4)

式中：fcn為凍融n次后試件的抗壓或抗拉強(qiáng)度；fc0為凍融前試件的抗壓或抗拉強(qiáng)度。

將混凝土試件的抗壓、抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)代入式(4)可以得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)損傷程度的變化趨勢，如圖6、圖7所示。

圖6 抗壓強(qiáng)度下凍融循環(huán)損傷程度和凍融次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between the degree of freeze-thaw cycle damage and the number of freeze-thaw cycles under compressive strength

圖7 抗拉強(qiáng)度下凍融循環(huán)損傷程度和凍融次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between the degree of freeze-thaw cycle damage and the number of freeze-thaw cycles under tensile strength

從圖6和圖7中可以看出，抗壓、抗拉強(qiáng)度下凍融循環(huán)損傷程度最大的是JZ，其次是SPC-1。抗壓、抗拉強(qiáng)度的損失速度與凍融損傷是相關(guān)聯(lián)的，凍融損傷越大，孔隙和微裂縫越多，試件內(nèi)部破壞越嚴(yán)重，抗壓、抗拉強(qiáng)度下降越快。

為了能夠更加準(zhǔn)確地反映混雜纖維混凝土的凍融損傷程度，因此構(gòu)建混雜纖維混凝土的二次函數(shù)衰減模型,如式(5)所示。

Y=aN2+bN+c

(5)

式中：a、b、c為材料系數(shù)；N為凍融次數(shù)。

將動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的凍融損傷程度分別代入式(5)進(jìn)行擬合，處理擬合結(jié)果，得到衰減模型如表4～表6所示。

表4 凍融循環(huán)損傷程度二次函數(shù)衰減系數(shù)Table 4 Attenuation coefficient of quadratic function of damage degree of freeze-thaw cycle

表5 抗壓強(qiáng)度下凍融循環(huán)損傷程度二次函數(shù)衰減系數(shù)Table 5 Attenuation coefficient of quadratic function of damage degree of freeze-thaw cycle under compressive strength

表6 抗拉強(qiáng)度下凍融循環(huán)損傷程度二次函數(shù)衰減系數(shù)Table 6 Attenuation coefficient of quadratic function of damage degree of freeze-thaw cycle under tensile strength

從表4～表6中可以看出，擬合系數(shù)R2最低為0.969 52，大部分?jǐn)M合系數(shù)均在0.99以上，表明建立的二次函數(shù)衰減模型具有很高的精準(zhǔn)度，與試驗(yàn)結(jié)果有較好的擬合程度，對(duì)混雜纖維混凝土的凍融循環(huán)損傷程度能夠起到很好的預(yù)測效果。

4 結(jié) 論

(1)試件的質(zhì)量損失率在凍融初期呈現(xiàn)為負(fù)增長趨勢；隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率曲線逐步上升，相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線逐步下降；通過對(duì)比分析，SFs和PVA纖維的摻入能夠有效降低質(zhì)量損失率，提高相對(duì)動(dòng)彈性模量，其中以SPC-3的摻量得到的性能最優(yōu)；摻入適量粉煤灰可有效提高混凝土密實(shí)性，抑制試件損傷開裂。

(2)隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土試件的強(qiáng)度不斷下降，摻入混雜纖維的試件強(qiáng)度要高于標(biāo)準(zhǔn)試件，其中以SPC-4的摻入方式得到的抗壓、抗拉強(qiáng)度最大，抗凍性最優(yōu)。

(3)基于試驗(yàn)得到的相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓、抗拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行凍融循環(huán)損傷程度分析，結(jié)果表明混凝土中摻入纖維及粉煤灰可以降低損傷程度；根據(jù)數(shù)據(jù)擬合的二次函數(shù)衰減模型，其擬合系數(shù)大部分均在0.99以上，可較好地反映纖維混凝土凍融損傷變化規(guī)律。