基于孔結構分形的混雜纖維混凝土抗凍性能研究

王春曉，董建明，李得勝,2

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.長安大學,特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

混凝土作為最常用的工程材料，具有強度高、價格低廉、生產工藝簡單、適用性強等顯著優勢，但其同時具有脆性高、韌性差的缺陷。隨著目前高強混凝土的發展和應用，混凝土中的水灰比降低造成其韌性更低。研究者們發現在混凝土中加入纖維材料能顯著改善混凝土的脆性，提高彎曲及斷裂韌性[1-3]。目前常用的纖維種類從模量劃分可分為兩大類，高模高強纖維和低模低強纖維。鋼纖維及聚丙烯纖維是工程中最常用的兩種纖維材料。研究發現，不同種類纖維在混凝土中增韌作用發揮時效有所不同，聚丙烯纖維模量低，在混凝土早期抗塑性開裂時作用顯著，而鋼纖維則在后期受力時發揮關鍵的增加斷裂韌性的作用[4-5]。相較于單一纖維的單一層次提高作用，混雜纖維則能多方面、多層次地改善和強化混凝土的性能。

孔祥清等[6-8]對鋼-聚丙烯混雜纖維的力學性能進行了深入研究，發現與單摻鋼纖維、單摻聚丙烯纖維的混凝土相比，鋼-聚丙烯混雜纖維具有更高的抗沖擊耗能、斷裂韌性和斷裂能，同時確定了最優的鋼纖維及聚丙烯纖維摻量。張廣泰等[9]研究了摻入鋰渣的鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的抗鹽凍性能，發現與鋰渣混凝土相比，混雜纖維能顯著改善混凝土在鹽侵蝕作用下的內部損傷，降低其強度損失率。朱安標[10]通過設置不同鋼纖維與聚丙烯纖維的摻配比例，研究了不同鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的耐久性，建立了混雜纖維混凝土耐久性評價體系。結果表明，混雜纖維混凝土較單一纖維混凝土在抗凍及抗滲性中均表現出良好的混雜正效應。

綜上，鋼-聚丙烯纖維混凝土較單摻鋼纖維或單摻聚丙烯的混凝土具有更優的力學性能和耐久性能。研究者們發現在纖維混凝土中引入粉煤灰能有效增加纖維與混凝土的界面黏結，提高其力學性能和耐久性。同時，纖維的摻入會在一定程度上改變混凝土內部的孔結構，而孔結構與抗凍性能關系極為密切。本文對凍融、鹽凍循環前后不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土進行三點彎曲試驗，并以峰值荷載及能量吸收值評價其抗凍性能，同時通過基于熱力學關系的孔結構分形模型計算分形維數，建立混雜纖維混凝土凍融循環前后孔結構及彎曲韌性之間的關系。

1 實 驗

1.1 原材料

制備混雜纖維混凝土的材料組成如下：水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥；砂選用細度模數為2.5的河砂；粗骨料最大粒徑為19.5 mm；粉煤灰選用河南鄭州生產的Ⅰ級粉煤灰；鋼纖維(wavy steel fiber, SF)選用河北衡水晟澤建材有限公司生產的長徑比為50的波浪形鋼纖維；聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PPF)選用河北廊坊鶴翔建材有限公司生產的抗裂聚丙烯纖維。兩種纖維的物理性能指標如表1所示。

表1 兩種纖維物理性能指標Table 1 Physical properties of two fibers

1.2 混雜纖維混凝土配合比

試驗采用的混凝土等級為C40，聚丙烯纖維質量摻量為0.9 kg/m3,鋼纖維體積摻量為1.5%、粉煤灰摻量為0%的混雜纖維混凝土配合比如表2所示。試驗設置6種粉煤灰替代率，分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%(質量百分比，下同)，在制備混雜纖維混凝土時，將其等質量替代水泥。

表2 混雜纖維混凝土配合比Table 2 Mixture ratio of hybrid fiber reinforced concrete /(kg·m-3)

1.3 試驗方法

成型鋼-聚丙烯纖維混凝土棱柱體試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，脫模后將其放入(20±2) ℃的水中浸泡至28 d，取出后擦干其表面水分，進行初始質量及動彈模量測定，測定完成后進行抗凍試驗。每種粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土設置3個平行試件，測試結果取平均值。

1.3.1 抗凍性能試驗

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)采用快凍法測試混雜纖維混凝土的抗凍性能，凍融循環溫度為-18～5 ℃，凍融循環每完成25次后將試件取出擦干，測試試件質量及動彈模量。全部完成凍融循環后采用三點彎曲試驗測試混雜纖維混凝土試件的彎曲韌性。

1.3.2 抗鹽凍性能試驗

考慮到冬季鋪灑除冰鹽對混凝土的破壞情況，參考混凝土快凍試驗方法，將水溶液換為3.5%的氯化鈉溶液，研究鹽凍循環作用下混雜纖維混凝土的質量及強度變化規律。完成200次鹽凍循環后，采用三點彎曲試驗測試混雜纖維混凝土的彎曲韌性。

1.3.3 三點彎曲韌性試驗

參考《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)采用三點彎曲試驗測試凍融前后混雜纖維混凝土的彎曲韌性。儀器選用最大量程為100 kN的SANS靜態加載萬能試驗機，加載速率為0.02 mm/min，三點彎曲試驗示意圖如圖1所示。

1.3.4 孔結構測試

彎曲韌性測試完畢后，取3～5 mm混凝土小塊清洗并烘干至恒重，采用Micromeritic Auto Pore IV 9510型全自動壓汞測孔儀測定混雜纖維混凝土的孔結構。

2 結果與討論

2.1 抗凍性試驗

圖2為不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土隨凍融循環次數增加的質量損失率和相對動彈模量變化情況。分析可知，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的質量損失率逐步升高，說明混凝土表面逐步脫落，內部變得疏松，在凍脹力的作用下逐步損傷。經過300次凍融循環后，混雜纖維混凝土最大質量損失率均小于0.8%，遠小于普通混凝土，說明鋼纖維和聚丙烯纖維的摻入能有效降低混凝土在凍融循環過程中的質量損失。

圖2 不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土凍融循環質量損失及相對動彈模量變化Fig.2 Mass loss and relative dynamic elastic modulus in freeze-thaw cycle of hybrid fiber reinforced concrete with different fly ash content

隨著粉煤灰摻量的增加，混雜纖維混凝土的質量損失率整體呈現先降低后升高的趨勢。粉煤灰摻量由0%增加至15%時，混雜纖維混凝土的質量損失率持續降低，繼續增加粉煤灰用量至20%，混雜纖維混凝土的質量損失率開始升高，25%粉煤灰替代率的混雜纖維混凝土在100～200次凍融循環過程中質量損失率甚至高于基準混凝土。粉煤灰摻量為15%的混雜纖維混凝土在凍融循環全過程均具有最小的質量損失率。通過圖2(b)分析不同粉煤灰替代率的混雜纖維混凝土的相對動彈模量隨凍融循環次數的變化趨勢可知，在0～100次凍融循環過程中，10%粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土相對動彈模量最高，繼續增加凍融循環次數至200次，5%粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土相對動彈模量保留最多，凍融循環末期15%粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土相對動彈模量最高。整體上來說，當粉煤灰摻量高于20%后，混雜纖維混凝土的質量損失率開始提升，相對動彈模量開始降低。

為評價凍融循環作用對混雜纖維混凝土韌性的影響，采用三點彎曲韌性測試凍融前及300次凍融循環后混雜纖維的彎曲韌性，得到其荷載-撓度曲線如圖3所示。

圖3 凍融循環前后混雜纖維混凝土荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curves of hybrid fiber reinforced concrete before and after freeze-thaw cycles

由圖3可以看出，混雜纖維混凝土在彎曲荷載作用下表現出優異的韌性，有別于普通混凝土明顯的脆性破壞曲線，混雜纖維混凝土在達到峰值荷載后，荷載撓度曲線下降緩慢。摻入粉煤灰后，混雜纖維混凝土的峰值荷載略有下降，主要是由于粉煤灰替代了部分水泥，造成早期水化反應降低。摻入粉煤灰能使混雜纖維混凝土的曲線下降段更加延展，粉煤灰摻量為5%～15%的混雜纖維峰值撓度高于0%粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土，同時前者能量吸收值大于基準混凝土。粉煤灰的填充作用使得纖維與混凝土的整體結構更加密實，兩者之間黏結強度相應提升，在受到外力作用時，纖維更難從混凝土中拔出，能吸收更多的能量。凍融后的混雜纖維混凝土峰值荷載明顯下降，但仍然表現出較好的延性破壞特征。

表3為凍融循環前后混在纖維混凝土的彎曲韌性測試結果，分析表3數據可以得出，經過凍融循環后混雜纖維混凝土的峰值荷載最高下降42.47%，下降率最低的為粉煤灰替代率為10%的混雜纖維混凝土。

表3 凍融前后混雜纖維混凝土彎曲韌性特征值Table 3 Test results of bending toughness of hybrid fiber reinforced concrete before and after freeze-thaw cycles

2.2 抗鹽凍試驗

不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土隨鹽凍次數增加的質量損失率及相對動彈模量變化規律如圖4所示。對比混雜纖維混凝土經過凍融循環后的質量損失及相對動彈模量變化規律可知，鹽溶液對混凝土的損傷更大，僅經過200次循環，混雜纖維混凝土的質量損失率及相對動彈模量的下降均高于水凍循環。同時，混雜纖維混凝土的質量損失率在100次循環后有顯著增大。粉煤灰摻量在5%～15%時，混雜纖維混凝土隨鹽凍循環次數增加的質量損失率及相對動彈模量均高于不摻粉煤灰的混雜纖維混凝土。主要是由于粉煤灰的填充作用細化了混凝土中的孔結構，阻斷了鹽溶液滲入的通道，減小了混凝土內部的滲透壓及結冰壓。鋼纖維及聚丙烯纖維的摻入不可避免地引入了更多孔隙，當鹽溶液通過表面裂縫進入混凝土內部時，孔隙水結冰壓造成混凝土內部地損傷，粉煤灰的摻入彌補了這一缺陷。而過多的摻入粉煤灰一方面降低了混凝土強度，也降低了纖維與混凝土的黏結強度，使其在混凝土中成為薄弱點，增大了鹽凍破壞的可能。

圖4 不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土鹽凍循環質量損失率及相對動彈模量變化Fig.4 Mass loss rate and relative dynamic elastic modulus in salt-freeze-thaw cycle of hybrid fiber reinforced concrete with different fly ash content

鹽凍循環后，采用三點彎曲試驗評價混雜纖維混凝土的剩余彎曲韌性，受彎過程中的混凝土荷載-撓度曲線如圖5所示，從圖中提取峰值荷載及能量吸收值評價混凝土韌性，結果如表4所示。對比鹽凍循環前后混雜纖維混凝土的荷載-撓度曲線可以看出，混雜纖維混凝土仍具有良好的延性破壞特征。隨著粉煤灰摻量的增加，鹽凍循環后混雜纖維混凝土的峰值荷載先增加，直至粉煤灰摻量增至20%時，混凝土的峰值荷載開始降低。粉煤灰摻量為25%的混雜纖維混凝土峰值荷載僅為7.73 kN，其荷載-撓度曲線的下降段也較為陡峭，且荷載-位移曲線所圍面積也最小，說明混凝土出現宏觀裂縫后纖維增韌作用減弱。分析原因在于當粉煤灰摻量由5%增至15%時，混雜纖維混凝土內部逐漸密實，纖維與砂漿之間的孔隙部分被粉煤灰填充，兩者黏結性以及整體結構的致密性均不斷增高。當粉煤灰摻量超過15%后，一方面粉煤灰早期水化作用不明顯，降低了纖維砂漿界面及混凝土的早期強度，同時過多的粉煤灰相當于混凝土中引入的雜質，混凝土整體受力薄弱點增多。鹽凍循環過程中，孔隙水壓力逐漸使混凝土內部薄弱區疏松破壞，在后期承受荷載作用下，混雜纖維混凝土整體強度下降，纖維也極易拔出失效。

圖5 鹽凍循環前后不同混雜纖維混凝土荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of hybrid fiber reinforced concrete before and after salt-freeze-thaw cycles

表4 鹽凍循環前后不同混雜纖維混凝土彎曲韌性特征值Table 4 Test results of bending toughness of hybrid fiber reinforced concrete before and after salt-freeze-thaw cycles

2.3 孔結構

孔結構分形維數計算模型多依據測定方法而建立，Zhang等[11]于1995年提出基于熱力學關系的分形模型，由于其模型的構造過程與壓汞法的測試過程極為相似，因而在分析壓汞法得出的孔結構數據方面得到廣泛應用，其準確性也在相關論文[12-13]中得到有效驗證。模型的計算公式如公式(1)所示：

(1)

不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土凍融前孔結構的分形維數計算結果如圖6所示。圖6中所示計算結果表明，采用此種計算模型得到的分形維數結算結果可靠，其相關系數均為0.99以上。

圖6 不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土孔分形維數計算結果Fig.6 Caculation results of Ds of hybrid fiber reinforced concrete with various fly ash content

表5為混雜纖維混凝土凍融前后孔結構參數及分形維數計算結果，其中孔結構參數包括孔隙率和孔徑分布占比。吳中偉院士將混凝土中的孔分為四類，分別為無害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)及多害孔(>200 nm)[14]。

表5 混雜纖維混凝土的孔徑分布及孔分形維數Table 5 Aperture distribution ratio and Ds of hybrid fiber reinforced concrete

分析表5可以看出，粉煤灰的摻入增大了混雜纖維混凝土的分形維數，同時顯著增加了混凝土中無害孔和少害孔的比例，說明粉煤灰優化了混雜纖維混凝土中的孔徑分布，將大孔結構變為小孔，增大了混凝土內部孔結構的復雜程度。這主要是由粉煤灰的微集料填充效應造成的。粉煤灰摻量增至20%時，混凝土分形維數開始降低，無害孔和有害孔比例也下降，與彎曲韌性變化趨勢一致。經過300次凍融循環后，混雜纖維混凝土的無害孔及少害孔比例、孔隙率及分形維數均有降低，這主要是由于凍融循環作用產生的結冰壓使得混凝土內部孔徑不斷擴展。經過鹽凍循環后的混雜纖維混凝土孔隙率進一步增大，其內部無害孔、少害孔比例進一步降低，說明氯離子加速了凍融循環過程對混凝土內部的損傷作用，這一結果與鹽凍循環后混雜纖維混凝土彎曲韌性測試結果一致。

圖7為分形維數與無害少害孔比例及多害孔占比的關系，通過分析孔隙率及不同孔徑分布占比與分形維數的關系可知，分形維數與孔隙率相關性不高，而與孔徑小于50 nm的無害少害孔總占比以及孔徑大于200 nm的多害孔占比密切相關，線性關系見圖7所示。分析圖7可以發現，分形維數隨無害少害孔比例增加而增加，隨多害孔比例增加而降低，因而在一定條件下可通過分形維數判斷混凝土內部孔徑分布情況。

圖7 分形維數與無害少害孔比例及多害孔占比的關系Fig.7 Relationship between Ds and porosity of harmless and less harmful pores and more harmful pores

混凝土凍融循環破壞與內部孔結構關系極為密切，圖8為混雜纖維混凝土分形維數與彎曲韌性測試中峰值荷載的關系。從圖8中擬合結果可知，分形維數與峰值荷載呈線性相關，且相關系數較高。混雜纖維混凝土在凍融前、后及鹽凍循環后的峰值荷載均隨孔分形維數增大而增大，這主要由于分形維數與無害少害孔比例呈現正相關，分形維數越大，無害少害孔比例越高，混凝土抵抗凍融破壞能力越強，因而性能保留越多，彎曲荷載作用下峰值荷載越高。

圖9為粉煤灰摻量為5%～25%的混雜纖維混凝土凍融循環前、后及鹽凍循環后分形維數與能量吸收值的相關關系。分析圖9可知，不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土凍融循環前后的分形維數與能量吸收值具有顯著的正相關關系，混雜纖維混凝土的分形維數越大，彎曲荷載作用下的能量吸收值越大，韌性越好。15%粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土分形維數最高，因此其凍融循環后的能量吸收值最大。

圖8 分形維數與峰值荷載的關系曲線Fig.8 Relationship between Ds and peak load of hybrid fiber reinforced concrete

圖9 分形維數與能量吸收值的關系曲線Fig.9 Relationship between Ds and energy absorption value of hybrid fiber reinforced concrete

3 結 論

(1)粉煤灰摻量對混雜纖維混凝土抗凍性影響顯著，在5%～15%粉煤灰摻量范圍內，隨粉煤灰摻量增加，混凝土在凍融循環或鹽凍循環后的峰值荷載和能量吸收值均升高，但當粉煤灰摻量超過15%后，混雜纖維混凝土彎曲韌性特征參數開始顯著下降。

(2)通過對比鹽凍循環及凍融循環前后不同粉煤灰摻量的混雜纖維混凝土的彎曲韌性可以發現，鹽凍循環對混雜纖維混凝土的韌性損傷更顯著，粉煤灰摻量為25%的混雜纖維混凝土峰值荷載及能量吸收值均為最低。

(3)5%～15%摻量的粉煤灰摻入能增加混雜纖維混凝土內部的致密性，同時還能改善混凝土內部的孔分布，增大無害孔及少害孔占比。

(4)混雜纖維混凝土內部孔結構表現出明顯的分形特征，分形維數與孔徑小于50 nm的無害少害孔占比呈正相關，與孔徑大于200 nm的多害孔占比呈負相關。同時，分形維數與混凝土峰值荷載、能量吸收值呈密切的正相關，分形維數越大，混凝土峰值荷載越高、能量吸收值越大。