凍融循環下玄武巖纖維混凝土抗凍性能試驗研究及灰色預測

許新勇，劉漢聲，蔣莉

（華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

為優化中國西部地區水土資源的空間配置，修建了大量的水工建筑物，但在高寒、高鹽堿環境下混凝土易產生結構破壞。因此，對于現場環境進行模擬并預測混凝土力學性能衰減規律及損傷機理進行研究對實際工程意義重大。

玄武巖纖維抗腐蝕性能優異，常被使用在特殊工況中。孫斯慧等的研究得出玄武巖纖維不能有效增強混凝土的抗壓性能但能夠通過控制其摻量來實現改善抗折強度以及抗拉強度。Cory High等以玄武巖纖維棒代替抗彎鋼筋，發現玄武巖纖維棒大大降低使用載荷水平下的撓度，顯著提高混凝土構件彎曲模量。Mehran Khan等探究摻量對玄武巖纖維混凝土的影響，得出當摻量超過0.68%后，混凝土的力學性將不再有明顯的提升。對于實際工程背景下的玄武巖纖維混凝土力學性能、破壞機理以及衰減規律研究較少。因此，以玄武巖纖維混凝土作為研究對象，以凍融循環數、凍融介質和玄武巖纖維組織摻量作為改變量，進行凍融循環試驗，探究其抗凍、抗侵蝕性和相關力學性能損傷規律，為實際情況下的玄武巖纖維混凝土奠定一定的理論和試驗基礎。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

采用PO42.5級水泥；細骨料為天然河砂，其細數模度為2.74；粗骨料粒徑5～20 mm，為連續級配且無針片狀顆粒；外加劑采用JDU-1的混凝土專用引氣劑，含量為0.01%；試驗用水選取普通自來水；采用天津致遠制作的無水硫酸鈉和無水氯化鈉。其相關材料指標見表1。

表1 玄武巖纖維性能指標表

1.2 試驗配合比設計

實驗選用C30混凝土配比作為本次試驗參照基準，不同百分比的纖維摻量為試驗變量。實驗步驟：首先向基礎配比的5個實驗對象中加入不同摻量的短切玄武巖纖維，摻量為0.05%～0.25%。以清水凍融、3%的氯化鈉和5%的硫酸鈉混合溶液為兩組凍融工況。測試五種不同摻量玄武巖纖維混凝土在清水凍融和溶液凍融兩種不同工況下的耐久性規律。以PC代表普通混凝土，BFRC代表玄武巖纖維混凝土。

1.3 室內快速凍融實驗

試驗以《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》為基準，試驗過程為：制作好的試件標準養護24 d后，將試件分別浸泡在不同凍融介質中96 h，當試件達到28 d后開始凍融試驗。首先將試件取出放入配置好相應鹽溶液的試模中進行標號。實驗中要保證液面高度穩定在試件上方0.50～1.00 cm；凍融液始終保持高于試模內液面的高度。一次循環4 h，試件融化的時間須大于整個凍融時長的25%。最后，實驗環境以低溫-20℃～-16℃和高溫8℃～4℃為宜，溫度變化的時間須超過單個過程時長的50%。為在同等條件下實現相同的凍融效果，從而獲得更精準的數據，凍融機在試驗全程必須滿負荷運作。

2 試驗結果分析

2.1 質量損失率分析

由PC和BFRC在兩種凍融介質中的質量損失率可知（圖1），兩種介質的侵蝕機理不同所造成的質量損失也有所差異。測試部件的實際質量損失都會伴隨著凍融數目的增長而逐步增多，這是因為凍融循環容易導致混凝土內部形成細小裂縫，并且隨著次數的增加，內部損傷會逐漸外化為表層裂縫，甚至會導致水泥砂漿脫落、骨料掉落等現象的發生。PC與BFRC相比其質量損失總是較高，說明玄武巖纖維的摻入可以使其在時間內布縱橫交錯，增強了混凝土的聯結能力并減少了表層材料的劣化與脫落，對適量損失起到了一定的抑制作用；而對于玄武巖纖維摻量而言，摻量過小則表達效果不明顯，過大則會產生較多孔洞及微小裂縫，進而削弱纖維拉結能力。

圖1 混凝土質量損失率變化曲線圖

2.2 抗壓強度分析

圖2為PC和玄武巖纖維混凝土在兩種凍融介質中抗壓強度的變化曲線圖，摻加玄武巖纖維對混凝土初始強度的影響不明顯，在凍融后的提升較為顯著。

圖2 混凝土抗壓強度變化曲線圖

綜上可知，抗壓強度的降低可能是由于凍融循環對試件內部造成損傷所導致。兩種介質中BFRC的抗壓強度下降速率低于PC，并伴隨凍融次數的增加，產物也隨之遞增并產生膨脹反應和凍脹反應，測試部件內部之間的纖維組織絲狀結構抗壓能力實現最高有效數值，對混凝土測試部件的損害逐步轉為推動作用，說明玄武巖纖維的摻入在初始階段對抗壓強度的提升效果略小，單可以減緩和鹽侵對混凝土所帶來的影響。

2.3 抗折強度分析

圖3為PC和玄武巖纖維混凝土在兩種凍融介質中抗折強度的變化曲線圖。混凝土試件在凍融侵蝕作用下，與PC相比較，摻加纖維的混凝土抗折性能較好，且鹽溶液凍融的條件下的破壞程度較為嚴重。其作用原理在于隨著凍融循環增加，試件內部逐漸產生損傷，許多微小裂紋隨之出現，最終形成大量裂縫導致水泥和漿體流失。另外，鹽溶液滲透入內部與之進行一系列水化反應后生成結晶或一些膨脹性物質，并伴隨凍融次數增加，膨脹性產物相應增多，內部損傷逐漸變大。而摻入玄武巖纖維組織后，纖維組織在基體內部的亂向分散可以遏制由塑性收縮作用及干縮而形成的微小裂縫，并且在凍融作用下纖維連接于裂縫之間使裂紋路徑的曲折性提升，阻礙裂縫的擴張，抑制水泥和砂漿的脫落，減緩混凝土動彈性模量的下降速率，使其抗折性能得到有效提升。

圖3 混凝土抗折強度變化曲線圖

3 灰色理論模型預測結果對比

在研究階段會由于各種因素的影響，導致最終獲得的結果比較片面，存在部分尚未清晰的信息，因此采用灰色模型客觀地揭示所需要的內容。該模型屬于模糊預測領域，依靠灰色理論，可以將系統中未知元素推導得出，依據不完全信息最后推出最終具有一定模糊性的完整信息。詳細記錄清水和鹽溶液兩種凍融條件下的預測模型與精度，同時依照預測出的混凝土抗壓強度結果與實測時抗壓強度數據相比對（見圖4）。

圖4 實際抗壓強度與模擬抗壓強度比值曲線圖

結果可得：不同工況下的混凝土預測出的混凝土抗壓強度結果與實測時抗壓強度數據相比對，驗證了模型滿足檢驗要求，預測精度高。

4 結論

①相同凍融條件下，摻加纖維混凝土的耐久性能下降速率比PC低。與纖維混凝土相比，PC的脆性更高，但含纖維摻量的混凝土能夠延緩發生脆性破壞的過程，較普通混凝土的實用性更高。對鹽溶液凍融的工況下不同實驗組內抗凍性能進行比較獲取了最優纖維摻量。試驗數據顯示，加入摻量為0.15%的實驗組混凝土抗凍效果最佳，0.20%次之，0.25%位于第三，并且PC的性能最低。②與清水凍融相比，混凝土在鹽溶液中會受到更加劇烈的破壞。對此研究發現，在其中加入適量的玄武巖纖維能夠起到有效的防護作用，該作用是通過降低鹽凍狀況中各項力學性能的下降速率得以實現。試驗結果證明，將混合摻量控制在0.15%～0.20%時最為適當，此時其抗凍效果最優。摻量過小其效果不明顯，過大反而會影響混凝土的力學性能。③灰色預測模型在混凝土各項耐久性預測方面具有良好的精度，因此在實際工程中，可針對不同混凝土結構所處的服役條件對其力學性能進行模擬預測。