玄武巖纖維長度對噴射混凝土抗凍性能影響的試驗研究

王先剛， 楊 柳

(四川炬原玄武巖纖維科技有限公司，四川達州 635000)

噴射混凝土材料因其內部結構，在凍融循環條件下，耐久性會受到破壞[1-3]，而合適摻量的玄武巖纖維加入噴射混凝土后，其性能會得到提高。

對于噴射混凝土的抗凍性能，已有許多學者開展了研究。許麗萍等[4]認為影響耐久性指數的主要要素為混凝土含氣量和水灰比，通過大量的室內試驗，建立了混凝土含氣量、水灰比對混凝土耐久性影響的經驗模型。李金玉等[5]學者開展了大量室內試驗，根據試驗數據，得到了一種可以預測混凝土凍融損傷的經驗模型。王立久等[6]認為相對動彈性模量損傷加速度eg對于混凝土相對動彈性模量損傷的影響最大，并且會導致E/E0非線性減少。霍俊芳[7]、溫家寶[8]等學者基于損傷力學基本理論，在大量試驗研究的基礎上，定義了混凝土損傷因子。牛荻濤[9]、劉亞平等[10]在已有試驗的基礎上，應用相關理論，開展了噴射混凝土抗凍性能的研究。通過試驗數據的回歸分析，擬合得到了一個一元三次函數，用于反應相對動彈性模量與凍融循環次數之間的關系。劉崇熙等[11]基于Isaac Newton的物質冷卻定律，開展室內試驗，得到了混凝土凍融損傷的指數模型。此外，寧作君[12]、郝偉[13]、周志云等[14]學者的研究也提出了類似的指數模型，其中寧作君同霍俊芳、溫家寶等學者一樣，同樣基于動彈性模量定義了混凝土損傷因子。賀東青等[15]提出了損傷演變模型，在凍融試驗數據的基礎上，運用P值法確定混凝土的初劣點，以初劣點劃分損傷初始階段和擴展階段，得到了混凝土在疲勞作用下的損傷演變規律。

目前，關于玄武巖纖維對于混凝土抗凍性能的研究還未成熟。本文通過設計包括不同摻量玄武巖纖維長度的5組混凝土工況的室內凍融循環試驗，研究混凝土質量損失規律、相對動彈性模量并基于試驗數據建立了損傷預測模型。

1 試驗設計

本次試驗旨在測定在凍融循環下，混凝土試件能經受的循環次數，以及在凍融循環后其質量和相對動彈性模量的數值變化，并以此來反映混凝土抗凍性能。試件盒設計和混凝土快速凍融試驗機如圖1所示。

圖1 試驗設計

試驗共設5組工況，包括鋼纖維噴射混凝土、普通噴射混凝土以及摻入不同長度(6 mm、16 mm、50 mm)的玄武巖纖維噴射混凝土，其中，摻入的玄武巖纖維的材料特性如表1所示。每組工況各制作3塊試件，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，試件的配合比詳見表2。同時，測溫試件采用相同的尺寸，且在其中心埋設溫度傳感器，并采用防凍液作為凍融介質。

表1 玄武巖纖維性能指標

表2 各組試件配合比 單位：kg/m3

2 試驗流程

試驗流程見圖2，凍融循環過程中，每2～4 h完成一次凍融循環，并控制用于融化的時間在整個凍融循環時間的1/4左右。試驗過程中，凍融轉換的時間不超過10min，并且嚴格控制試件中心最低(-18±2)℃和最高溫度(5±2)℃。在凍融循環次數達到200～300次，或試件的動彈性模量下降到60%時結束試驗。

圖2 試驗流程

試驗結果及處理：

(1)相對動彈性模量按式(1)計算。

(1)

式中：Pi為第i個試件的相對動彈性模量(%)在經過N次凍融循環后的數值，保留一位小數；fni為第i個試件的橫向基頻(hz)在經過N次凍融循環后的數值；f0i為第i個試件的橫向基頻凍融循環在試驗前的初始值(Hz)。P為各組試件的相對動彈性模量(%)經N次凍融循環后的數值，保留一位小數按式(2)計算。

(2)

(2)單個試件的質量損失率為式(3)。

(3)

式中：ΔWni為第i個試件的質量損失率(%)經N次凍融循環后的數值，保留一位小數；W0i為第i個試件的質量(g)在凍融循環試驗前的初始值；Wni為第i個試件的質量(g)經過N次凍融循環后的數值。

(3)一組試件的平均質量損失率按式(4)計算。

(4)

式中：ΔWn為各組試件的平均質量損失率(%)經N次凍融循環后的數值，保留一位小數。

試驗結果理論上不會出現負值，若出現，則取0替換，再取3個試件的平均值。

(4)混凝土抗凍等級用符號F表示，評價標準是在試件滿足相對動彈性模量下降值大于60%以及質量損失率小于5%的條件下，其能承受住的最大凍融循環次數。

3 試驗結果及分析

3.1 凍融循環后噴射混凝土質量損失規律

當凍融循環100次后，取出試件，按照式(3)、式(4)計算質量損失率，并取算術平均值，由所得數據繪制成圖，得到如圖3、圖4所示的混凝土質量損失規律曲線。

圖3 凍融循環后噴射混凝土質量損失(含BF50)

圖4 凍融循環后噴射混凝土質量損失(無BF50)

從圖4可以看出，總體上質量損失率與凍融循環次數呈現正相關趨勢。

橫向對比各噴射混凝土工況來看，BF50纖維噴射混凝土質量損失率在同期都遠大于普通噴射混凝土，其對抗凍性的增強為負作用。原因是50 mm玄武巖纖維長徑比過大，與噴射混凝土接觸面更多，薄弱面相對混凝土基體與纖維本身強度更低，在凍融循環過程中，更容易遭受破壞。

由于BF50纖維噴射混凝土與其他工況不具備可比性，在剔除其數據后，根據圖4對其余工況進一步分析。

在凍融循環次數50次之前，各組噴射混凝土較為穩定，質量損失率較小，但在此階段6 mm玄武巖纖維與鋼纖維摻入，導致噴射混凝土質量損失率稍有增加，僅有16 mm玄武巖纖維，在一定幅度上降低了質量損失。在凍融循環次數超過50達到100次凍融循環結束，6 mm玄武巖纖維由于纖維長度過短無法有效粘結混凝土基體與表層混凝土漿體，因此相比于普通噴射混凝土的質量損失率反而稍大。鋼纖維噴射混凝土凍融循環次數50次之后，質量損失得到控制，但當次數達到100次時質量損失率相比普通噴射混凝土降低12.94%。16 mm玄武巖纖維效果最佳，100次時質量損失率相比普通噴射混凝土降低37.6%。

綜上所述，16 mm玄武巖纖維能有效控制質量損失，在凍融循環次數增大的全過程中，都有效降低了質量損失率，效果最佳。鋼纖維效果次之，且在凍融循環次數50次之后才逐漸降低質量損失率。6 mm玄武巖纖維與普通噴射混凝土表現相差無幾，略有增大。而50 mm玄武巖纖維效果不佳，加劇質量損失。

3.2 凍融循環后噴射混凝土相對動彈性模量降低規律

混凝土動彈性模量的大小取決于其內部組成，其大小與混凝土內部結構呈正相關；混凝土內部結構的密實程度取決于微裂縫和微孔洞的大小和數量，并且呈負相關。在凍融循環中，混凝土內部微裂紋在凍脹力的作用下不斷擴展，并且有害微孔洞含量也隨之增加，進而導致混凝土動彈性模量減小。凍融循環100次后，按照式(1)、式(2)計算相對動彈性模量。并取算術平均值，由所得數據繪制成圖5。

圖5 凍融循環后噴射混凝土相對動彈性模量變化折線

從圖5可以看到，噴射素混凝土在凍融循環過程中，相對動彈性模量的降低呈現初期快速，中期穩定，后期增大的趨勢。噴射素混凝土內部存在初始缺陷，在凍脹力的作用下，前期發展迅速，導致試件相對動彈性模量在初期呈現快速下降的趨勢。而隨著凍融循環的進行，內部缺陷發展速度漸緩，相對動彈性模量下降幅度減小，趨于穩定。當凍融循環繼續，內部損傷積累到一定值的時候，在膨脹壓力和滲透壓力的作用下，微裂紋和微孔洞不斷發展，同時初始缺陷也開始繼續發展，進而導致凍融循環后期試件的相對動彈性模型驟降。

當摻入鋼纖維后，試件相對動彈性模量下降幅度相對噴射素混凝土有所改善，但變化趨勢與噴射素混凝土相同。

摻入玄武巖纖維后，試件相對動彈性模量隨凍融循環的下降值相比噴射素混凝土、鋼纖維混凝土進一步改善。BF6表現與SF相差無幾，兩者對于相對動彈性模量的影響極為接近。BF16表現效果最佳，相比噴射素混凝土全面提升，最終循環次數100次時，相對動彈性模量下降至86.0，相比噴射素混凝土，提升幅度為31.99%。

3.3 玄武巖纖維噴射混凝土損傷預測模型

由于試驗設置，只進行了100次凍融循環下混凝土試件的強度試驗，因此其數據不足以支撐損傷模型的建立。最終參考寧作君[12]對于損傷因子的定義，采用動彈性模量為參考依據，確定損傷因子見式(5)。

(5)

式中：D(N)為第N次凍融后混凝土損傷度；EN為第N次凍融后混凝土動彈性模量；E0為凍融循環前混凝土的動彈性模量。

由于以動彈性模量作為損傷因子判定依據，根據規范[16]規定，動彈性模量公式見式(6)：

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(6)

因此根據結合損傷因子定義可得式(7)：

(7)

式中：P為相對動彈性模量。

由于相對動彈性模量不允許低于60%，所以凍融損傷因子最大為0.4。

對于噴射混凝土在凍融過程中的損傷研究，作出幾點假設：

(1)噴射混凝土的初始凍融損傷為0。

(2)損傷值是隨著噴射混凝土凍融循環次數的增加而逐漸增加的。

(3)僅考慮凍融損傷是凍融循環次數的函數，不考慮凍融速率、孔隙率等其他因素對凍融損傷的影響。

通過對試驗數據的整理，得到凍融損傷因子隨凍融循環次數增加試驗結果曲線，見圖6。

圖6 凍融損傷因子曲線

根據凍融損傷因子試驗數據曲線，決定采用一元三次型凍融損傷模型見式(8)。

D(N)=A+BN+CN2+DN3

(8)

據此對試驗數據進行擬合，擬合結果見表3。

表3 經驗損傷擬合結果

由于相對動彈性模量不允許低于60%，根據前面公式推導，即凍融損傷因子最大不超過64%，據此得到凍融循環最大次數預測值，見表4。

表4 凍融損傷經驗模型凍融損傷最大次數預測值

4 結論

本文在噴射混凝土中摻入摻量相同(4 kg/m3)不同長度(6 mm，16 mm，50 mm)的玄武巖纖維(BF)，通過室內快速凍融循環試驗，與鋼纖維噴射混凝土(SF)以及普通噴射混凝土(PC)進行對比，得到結論：

BF50對噴射混凝土抗凍性能的提高不明顯，在對混凝土的質量損失的貢獻中，相較于PC和SF為負作用。

BF6能對噴射混凝土在凍融循環中的質量損失和抑制相對動彈性模量的下降中起到一定的作用，但改善效果與SF相近。

BF16在整個凍融循環中，相較于PC和SF，能有效地控制質量損失以及改善噴射混凝土相對動彈性的下降，并且根據建立的凍融損傷經驗模型，其最大凍融循環次數預測值達到了149次，為5種工況中最高。說明16 mm長度玄武巖纖維對增強噴射混凝土的抗凍性能效果最佳。