鋼纖維對混凝土抗凍耐久性影響的研究

李冬， 劉世

（遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

凍融循環作用是導致寒冷地區混凝土結構破壞的最主要原因之一。已有研究表明纖維的加入對混凝土的抗凍性有積極影響[1，2]。曹梓煜等[3]研究了碳纖維混凝土的抗凍性能，發現摻入碳纖維可使混凝土抵抗凍融循環的次數提高一倍。王利強[4]研究了玄武巖纖維對混凝土抗凍性能的影響，結果表明玄武巖纖維加入后，試件的質量損失和動彈性模量損失均顯著下降，混凝土的抗凍性能提高。Zeng等學者[5]研究了鋼纖維混凝土的抗凍性能，發現較普通混凝土，鋼纖維混凝土的動彈性模量下降緩慢，抗凍融循環次數提高。Karimipour等[6]研究了鋼纖維橡膠混凝土的抗凍性能，發現纖維的加入可以消除橡膠對混凝土抗凍性能的負面影響。Richardson等學者[7]研究了聚丙烯纖維對早齡期（5d）混凝土抗凍性能的影響，結果表明聚丙烯纖維對早齡期混凝土的質量損失和動彈性模量損失有抑制作用，可提高基體的抗凍性能。現有研究主要依據質量損失和動彈性模量損失兩個指標來反應纖維對混凝土抗凍性能的影響，并未對其凍融損傷規律進行深入分析和探討。

水是多種材料破壞的主要介質，對于混凝土而言，水作為侵蝕性離子遷移的載體，控制著大多數混凝土的耐久性問題[8]。因此，混凝土的水分傳輸性能受到了學者們的重點關注[9-15]。為反映服役狀態下的混凝土結構的水分傳輸性能，Wang等[16]研究了荷載作用后混凝土的毛細吸水性能，發現荷載作用對混凝土的吸水性有顯著的影響，當作用0.7～0.9倍的極限荷載后，基體的吸水率可提高一倍。Zhang等學者[17]研究了凍融循環作用對混凝土的水分傳輸性能的影響，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的毛細吸水性能逐漸增大。但涉及凍融循環作用后鋼纖維對混凝土內水分傳輸性能的研究還未見報道。因此，研究鋼纖維對混凝土抗凍耐久性的影響，對鋼纖維混凝土在寒冷地區的應用具有促進作用。

文中采用GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[18]中的快凍法開展鋼纖維混凝土凍融循環試驗，通過對比相對動彈性模量的變化情況評價鋼纖維對混凝土抗凍性能的影響，引入Weibull分布探討了凍融損傷概率模型；通過毛細吸水量和毛細吸水系數的變化規律評估鋼纖維對凍融循環作用后混凝土內水分傳輸性能的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 原材料及配合比

膠凝材料為普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R）；礦物摻合料為Ⅰ級粉煤灰；粗骨料為碎石，級配為5～20mm；細骨料為天然河砂，細度模數2.6；鋼纖維的物理力學性質見表1。各組試件混凝土配合比見表2。

表1 鋼纖維物理性質

表2 鋼纖維混凝土配合比k g·m-3

1.2 凍融循環試驗

按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法開展融循環試驗，每組3個試件，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，在標準養護室養護24d，隨后將試件放在（20±2）℃水中浸泡4d，試件在28d齡期后進行試驗。每25次凍融循環后測量試件的質量損失和動彈性模量，當試件的相對動彈性模量低于60%或質量損失超過5%時停止試驗。相對動彈性模量和質量損失的計算依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

1.3 毛細吸水試驗

鋼纖維混凝土毛細吸水試驗參照美國材料實驗協會推薦的方法進行，采用立方體試件（100mm×100mm×100mm）。當考慮重力的影響，混凝土毛細吸水量與時間平方根之間滿足如下關系式。

式中，ΔW為混凝土單位面積毛細吸水量，g/m2；t為毛細吸水時間，h；a，b為系數，通過試驗值擬合求得。

不同時刻毛細吸水系數可通過下式得到：

式中，A（t）為不同時刻的毛細吸水系數，g/（m2·h0.5）。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度

采用立方體試件（100mm×100mm×100mm）進行抗壓強度試驗，試件在標準養護室養護28d，抗壓強度按照標準[19]進行測試，各組試件的抗壓強度如圖1所示。

圖1 各組試件的抗壓強度

從圖1中可以看出，PC，SFRC20，SFRC40 和SFRC60的抗壓強度分別為 37.1、37.6、38.2MPa和 36.5、37.1MPa。與PC試件相比，SFRC20，SFRC40 和SFRC60試件的抗壓強度變化很小（最大僅為2%），表明鋼纖維的加入對混凝土的抗壓強度沒有顯著的影響。這與Ding等[20]的研究結論較為一致。

2.2 相對動彈性模量

各組試件的相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化情況如圖2所示。

圖2 鋼纖維混凝土相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化

從圖2中可以看出，隨著凍融循環次數的增加，各組試件的相對動彈性模量均呈下降趨勢，PC試件的相對動彈性模量的下降速率大于摻加鋼纖維的試件；隨著鋼纖維摻量的增加，試件的相對動彈性模量下降速率逐漸延緩，表明鋼纖維的加入可顯著提高混凝土的抗凍性能。

依照標準，混凝土的抗凍等級F為相對動彈性模量下降至不低于60%時的最大凍融循環次數，從圖中可以看出，PC試件的抗凍等級 F為 100，SFRC20、SFRC40和SFRC60試件的抗凍等級F分別為150、200和225，與PC試件相比，鋼纖維摻量為60kg/m3時，混凝土的抗凍等級F提高了125%。這是因為鋼纖維的加入限制了凍融循環過程中試件內部微裂縫的發展；另外，鋼纖維的加入使混凝土內部封閉孔的數量增加，可緩解內部結冰時對混凝土產生的凍脹壓力，從而減小了凍融循環作用對基體的損傷程度[21]。

2.3 凍融損傷概率模型

混凝土受凍融損傷的過程與其疲勞破壞的過程相似，因此，可采用Weibull分布來描述凍融循環次數與基體損傷的關系。凍融循環作用下混凝土的損傷量Dn可用下式表示[22]。

式中，En表示凍融循環n次后，混凝土的動彈性模量；E0表示混凝土初始動彈性模量。

根據Weibull分布，混凝土凍融損傷的概率分布函數可表示為[23]

式中，F（n）為基體的損傷量；n為凍融循環次數；η為特征壽命參數；β為Weibull形狀參數。
令 X=ln（n），Y=ln[-ln（1-Dn）]，則式（4）可寫成

式中，a為與壽命有關的常數。

從表3中可以看出，各組擬合的相關系數R2都大于0.950，說明應用Weibull分布作為凍融損傷量Dn與凍融循環次數n的概率分布模型是可行的。

表3 各組凍融損傷量的擬合結果

2.4 毛細吸水規律

由于素混凝土PC試件所能承受的最大凍融循環次數為100，為了進行對比，在毛細吸水試驗時，各組試件的最大凍融循環次數設定為100。在凍融循環為0、25、50、75、100 次后，各組試件毛細吸水量的對比如圖3所示。

圖3 不同凍融循環次數下各組試件毛細吸水量對比

從圖3可以看出，對于未受凍融循環作用時，各組試件的毛細吸水量隨時間平方根逐漸增加，但是，通過對比各組試件毛細吸水量的結果發現，鋼纖維的加入對混凝土毛細吸水量沒有顯著的影響見圖5（a）。隨著凍融循環次數的增加，各組試件的毛細吸水量逐漸增大，鋼纖維的加入可延緩毛細吸水量的增速。這主要是因為凍融循環作用會引起混凝土內部微裂縫的產生和發展，從而使毛細吸水量顯著增加，而鋼纖維的加入降低了凍融對基體產生的損傷從而限制了混凝土內部微裂縫的發展，進而降低了試件的毛細吸水量。

按照式（1）對圖3中的曲線進行擬合，可得到系數a、b及毛細吸水量與時間平方根的相關系數R2，見表4。

表4 毛細吸水量與時間平方根的擬合結果

從表4中可以看出，不同凍融循環次數后的20組試件擬合得到的相關系數R2均較高，僅三組的相關系數 R2＜0.990，分別為 0.960、0.988 和 0.985，表明鋼纖維混凝土的毛細吸水量與時間平方根符合式（1）。利用表3中的結果，根據式（2）可以得到試件毛細吸水系數隨時間平方根的變化規律。凍融循環為0、25、50、75、100次后，各組試件毛細吸水系數隨時間平方根的變化情況如圖4所示。

圖4 不同凍融循環次數下試件毛細吸水系數對比

從圖4中可以看出，隨時間的延長各組試件的毛細吸水系數逐漸減小。對于未受凍融循環作用時，各組試件初期的毛細吸水系數有一定差異，隨著毛細吸水的進行，各組試件的毛細吸水系數逐漸趨同。隨著凍融循環次數的增加，各組試件的初期毛細吸水系數顯著增大，后期毛細吸水系數仍未出現顯著差異。與PC試件相比，鋼纖維的摻入可顯著降低初期的毛細吸水系數。以毛細吸水時間在0h0.5，凍融循環次數達到75次為例，從圖4（d）中可以看出，PC，SFRC20，SFRC40和SFRC60試件的毛細吸水系數5681、4741、1744g/（m2·h0.5）和1539g/（m2·h0.5）。與PC相比，SFRC20，SFRC40和SFRC60試件的毛細吸水系數分別降低17%，69%和73%。

3 結語

（1） 鋼纖維的加入可降低混凝土的凍融損傷。對于動彈性模量，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的動彈性模量下降速度顯著降低，當鋼纖維摻量為60kg/m3時，混凝土的抗凍等級可提高125%。

（2） 鋼纖維混凝土的凍融損傷量與凍融循環次數之間服從Weibull分布。

（3） 凍融循環作用對混凝土的毛細吸水性能有顯著的影響，隨著凍融循環次數的增加，試件的累積吸水量逐漸增大，初始階段的毛細吸水系數顯著提高。鋼纖維的加入可顯著改善凍融循環作用后混凝土的毛細吸水性能，提高其抗凍耐久性。