混雜纖維/束高強混凝土的抗凍性

李趁趁，馬 嬌，張 普，*，張 冬，邵景干

（1.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001；2.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108；3.河南交院工程技術集團有限公司，河南 鄭州 450015）

如何提高混凝土材料的抗凍性一直是業(yè)界關注的重點.研究表明，將具有優(yōu)良阻裂、增強作用的纖維均勻分散于混凝土中，可以阻礙現有裂縫的擴展并且預防新裂縫的產生，提高混凝土的力學性能和耐久性［1-6］.玄武巖纖維作為環(huán)境友好型纖維，以其優(yōu)異的耐化學腐蝕及力學性能備受關注.將短切玄武巖纖維（CBF）合理地摻入到混凝土中，可以顯著提高混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度以及抗凍性能［5-8］.但部分文獻表明，CBF 摻量大于0.2%時容易結團，影響其增強增韌的效果［9-11］.將普通玄武巖（BMF）纖維單絲進行加捻合股后浸入丙烯酸乳液中冷壓成型，然后短切處理得到玄武巖纖維束.BMF 既保留了CBF 的優(yōu)異特性，又改善了其大摻量時在混凝土中分散不均的情況，可以對混凝土更好地增強增韌［12-15］.

目前，BMF 對混凝土抗凍性影響的探究比較缺乏.為了促進BMF 的應用，本文對此開展研究，變化參數為BMF 的長度和體積摻量.同時，考慮到纖維混雜可以在不同結構層次和混凝土應力階段發(fā)揮它們的協同效應，以更進一步地提高混凝土的力學性能和抗?jié)B性［16-18］，將CBF 與BMF 混摻有望制備出抗凍性更好的混凝土，本文將二者混雜摻入混凝土中，研究其對混凝土抗凍性的影響，探索其較優(yōu)混摻比例，并與單摻BMF 的混凝土進行對比.

硫酸鈣晶須（CSW）是由工業(yè)副產品石膏制備而成，既具有纖維增強特性，又具有“微觀骨料”的填充作用.將其應用于混凝土中，不僅可以提高混凝土的抗壓強度、抗折強度、抗?jié)B性與耐水性等，還可以緩解中國工業(yè)廢料石膏的存放壓力，減少環(huán)境污染［19-22］.

因此，本文在混摻BMF 以及CBF 的基礎上加入亞納米級的CSW，使其在微觀層次發(fā)揮作用來提高混凝土的抗凍性能，研究三者混摻對高強混凝土抗凍性能的影響，并與單摻CSW、BMF 及雙摻二者的混凝土進行對比.

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，其粒徑分布如圖1 所示；細骨料為天然河砂，細度模數為2.85，其顆粒級配組成如表1 所示；粗骨料為粒徑5～20 mm、級配良好的碎石，其級配組成如表2 所示；減水劑為粉末狀聚羧酸減水劑.BMF 和CBF 均來自浙江石金玄武巖纖維有限公司，其外觀如圖2 所示.其中：BMF 直徑為0.2 mm，長度分別為20、30、40 mm，CBF 直徑為13 μm，長度為18 mm，單絲玄武巖纖維的物理力學性能見表3.

表1 細骨料的級配組成Table 1 Gradation of fine aggregates

表2 粗骨料的級配組成Table 2 Gradation of coarse aggregates

表3 單絲玄武巖纖維的物理力學性能Table 3 Physical and mechanical properties of single basalt fiber

圖1 水泥的粒徑分布Fig.1 Size distribution of cement particles

圖2 玄武巖纖維束與短切玄武巖纖維的外觀Fig.2 Morphology of basalt macro-fibers and chopped basalt fibers

CSW 外觀呈白色松散性粉末，在掃描電子顯微鏡（SEM）下呈纖維狀（見圖3），其化學式為CaSO4·0.5H2O，物理力學性能見表4.

表4 硫酸鈣晶須的物理力學性能Table 4 Physical and mechanical properties of calcium sulfate whisker

圖3 硫酸鈣晶須的形貌Fig.3 Morphology of calcium sulfate whiskers

水泥和CSW 的化學組成（質量分數）見表5，其中SO3總含量不超過GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中規(guī)定的3.5%.

1.2 試驗配合比

試驗C60 混凝土（PC）基準配合比（質量比）為m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）=1.00∶0.34∶1.56∶2.43.在此基礎上設計單摻玄武巖纖維束混凝土（BMFRC）、雙摻短切玄武巖纖維和玄武巖纖維束混凝土（CBF/BMFRC）、三摻短切玄武巖纖維、玄武巖纖維束和硫酸鈣晶須混凝土（CSW/CBF/BMFRC）這3 個試驗體系.

單摻玄武巖纖維束混凝土的配合比如表6 所示，研究BMF 摻量（φf，體積分數）和長度（L）對高強混凝土抗凍性能的影響.基于單摻的試驗結果確定雙摻試驗中BMF 長度為30 mm，將CBF 和BMF 以1∶1、1∶2 的比例混雜且纖維總摻量（φhf，體積分數）與單摻BMF 混凝土保持一致，參數設計如表7 所示.基于雙摻的試驗結果選擇1 組較好的配合比，摻入不同質量分數的硫酸鈣晶須，即為三摻的試驗配合比，如表8所示.為滿足新拌混凝土的工作性能，控制混凝土坍落度在80～160 mm，減水劑用量隨著纖維摻量的增加而增加.

表6 單摻玄武巖纖維束混凝土的配合比Table 6 Mix proportions of single basalt macro-fibers concretes

表8 三摻短切玄武巖纖維、玄武巖纖維束和硫酸鈣晶須混凝土的配合比Table 8 Mix proportions of concretes with chopped basalt fiber，basalt macro-fibers and calcium sulfate whiskers

1.3 試驗方法

試驗參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》和GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用快凍法對混雜纖維/束高強混凝土進行凍融循環(huán)試驗.試驗采用2 種試件尺寸：尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的試件用于測試經歷不同凍融循環(huán)次數（N）后的相對動彈性模量（Er），當Er下降到60%或N達到300次時停止試驗；尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的試件用于測試經歷0、150次凍融循環(huán)后的立方體抗壓強度（fcu）.

2 結果與分析

2.1 BMFRC 的相對動彈性模量

圖4 為單摻BMF 對高強混凝土相對動彈性模量的影響.由圖4 可見：

圖4 單摻BMF 對高強混凝土相對動彈性模量的影響Fig.4 Effect of BMF on relative dynamic elastic modulus of high strength concrete

（1）隨著凍融循環(huán)次數的增加，BMFRC 的Er值的變化規(guī)律與PC 相似，均呈下降趨勢，且下降速率先慢后快，說明混凝土受凍融劣化的程度在不斷加深.在凍融循環(huán)初期（前50 次），各類別混凝土試件Er值降低程度的差異不大；當N=75 次時，PC 的Er值為90.9%，下降幅度明顯大于BMFRC（Er值為95.9%～98.2%）；當N=125 次 時，φf為0.15% 的BMFRC 的損傷速率快于φf為0.30%～0.60% 的BMFRC.PC 和φf為0.15%的BMFRC 在經歷150、200 次凍融循環(huán)后的Er值分別為52.4%、49.8%，低于60%，視為凍融破壞；φf為0.30%～0.60% 的BMFRC 在經歷250 次凍融循環(huán)后的Er值為50.1%～55.4%，發(fā)生破壞.結果表明，摻入BMF 有利于改善高強混凝土的抗凍性能，但當BMF 摻量達到0.30%后，隨著纖維摻量的繼續(xù)增加，混凝土Er值的下降幅度差別不大.

對試驗結果分析可知，混凝土在持續(xù)經受凍融循環(huán)作用后，內部的原始孔隙反復承受凍脹壓力的作用，逐漸擴展形成貫通的大孔隙.隨著凍融循環(huán)次數的增加，混凝土構件的表觀漿體流失，內部結構疏松，最終發(fā)生凍融破壞.首先，摻入適量BMF 可以改變混凝土內部的孔徑分布，將大孔隙優(yōu)化成小孔隙，從而降低冰點［23］，減小混凝土內部的凍脹壓力；其次，BMF 在混凝土內部發(fā)揮搭橋連接作用，有效地抑制了混凝土經受凍融循環(huán)過程中的開裂，從而提高了混凝土的抗凍性能.在合理的摻量范圍內，隨著BMF摻量的增大，參與阻裂的纖維根數增多，對高強混凝土抗凍性能的提升效果更好；但當纖維摻量繼續(xù)增大時，雖然參與阻裂的纖維繼續(xù)增多，但纖維在基體內的分散性降低，會在混凝土內部引入新的缺陷，導致BMF 對高強混凝土抗凍性能的提升效果不再增加.

（2）摻入不同長度的BMF（φf均為0.30%）對混凝土的抗凍性能有不同程度的改善作用，BMF 長度為20、30、40 mm 的BMFRC 在分別經歷225、250、200次凍融循環(huán)后的Er值下降到60%以下，發(fā)生凍融破壞.由此可見，BMF 長度對高強混凝土抗凍性能影響的優(yōu)劣排序為：30 mm＞20 mm＞40 mm.這是因為，隨著凍融循環(huán)次數的增加，混凝土的內部損傷逐漸增大，水泥漿體與骨料及BMF 間的黏結力降低.當BMF 的長徑比較小（L=20 mm）時，在基體中容易拔出，難以發(fā)揮橋連作用來抵抗混凝土的凍脹開裂.當BMF 的長徑比增加，其在基體中的分散性降低，對混凝土抗凍性能的提升效果會變差.同時，在相同體積摻量下，40 mm 長度BMF 的根數最少，在凍融循環(huán)過程中能抑制高強混凝土凍脹開裂的纖維數量較少.

2.2 CBF/BMFRC 的相對動彈性模量

圖5 為混雜玄武巖纖維/束摻量對相對動彈性模量的影響.由圖5 可見：

圖5 混雜玄武巖纖維/束摻量對相對動彈性模量的影響Fig.5 Effect of hybrid basalt fiber/bundle content on relative dynamic elastic modulus

（1）在1∶1 混雜體系中，隨著凍融循環(huán)次數的增加，Er值降低速率最快的為素高強混凝土，其次為φhf=0.150%的纖維混凝土.但是，當經歷150 次凍融循環(huán)后，φhf為0.150%、0.450%、0.600%的3 組混凝土的Er值隨著凍融循環(huán)次數的增加，變化規(guī)律趨于統(tǒng)一，最終經受200 次凍融循環(huán)后均發(fā)生破壞；當φhf為0.300%時，混凝土Er值的損失幅度最小，最終可承受的凍融循環(huán)次數最多，在經受225 次凍融循環(huán)后發(fā)生凍融破壞.

（2）CBF 和BMF 按照1∶2 的比例摻入高強混凝土后，在不同φhf下對混凝土的抗凍性能有不同程度的提高.當φhf為0.150%、0.300%、0.450%、0.600%時，高強混凝土在分別經歷了175、250、300、275次凍融循環(huán)后，Er值下降到60%以下，發(fā)生凍融破壞.2 種混雜方式都呈現出隨著φhf的增加，高強混凝土的抗凍性能先增加后降低的趨勢，1∶1和1∶2混雜體系對高強混凝土抗凍性能提升效果最優(yōu)的φhf分別為0.300%和0.450%.總體來看，當φhf相同時，CBF 和BMF 按照1∶2 的比例摻入高強混凝土時的抗凍性能更好.

向高強混凝土中混雜摻入CBF 和BMF 時，首先在混凝土攪拌過程中互相黏連接觸的CBF 阻礙了混凝土內部空氣的外溢，增大了混凝土中的含氣量，有效緩解了混凝土在凍融初始階段毛細孔中的靜水壓力和膨脹壓力［23］.另一方面，CBF 和BMF 相互搭接形成了三維網狀結構，發(fā)揮了支撐骨料的作用.在混凝土經受凍融循環(huán)的過程中，細觀尺寸的CBF 阻止了原始孔隙受凍脹壓力的作用而形成大量的細觀裂縫；隨著凍脹壓力的持續(xù)作用，細觀裂縫形成宏觀裂紋，此時宏觀尺寸BMF 可以有效橋接裂縫，提高混凝土的抗拉強度，減緩混凝土內部的凍脹開裂.在最佳摻量范圍內，隨著φhf的增加，單位體積內的CBF和BMF 數量增加，更有利于高強混凝土抵抗凍融疲勞損傷.但隨著φhf的繼續(xù)增加，過量的CBF 和BMF 給基體引入了更多新的缺陷，對基體與BMF之間的黏結強度造成了負面影響，降低了BMF 在凍融循環(huán)后期橋接宏觀裂縫的作用，因此試件CBF0.225BMF0.225 和CBF0.3BMF0.3 在經歷150次凍融循環(huán)后Er值的下降速率很快，試件CBF0.2BMF0.4 在經歷175 次凍融循環(huán)后Er值的下降速率很快.

2.3 CSW/CBF/BMFRC 的相對動彈性模量

圖6 為三摻短切玄武巖纖維、玄武巖纖維束和硫酸鈣晶須高強混凝土的相對動彈性模量.由圖6 可見：與PC 相比，CBFRC、BMFRC、CBF/BMFRC 和所有的CSW/CBF/BMFRC 試件均顯示出更好的抗凍性能.PC 在經歷150 次凍融循環(huán)后的Er值降低到60.0% 以下，發(fā)生破壞.此 時，CBFRC 的Er值 為86.1%，BMFRC、CBF/BMFRC 和所有CSW/CBF/BMFRC 試件的Er值均保持在90%以上.隨著凍融循環(huán)的持續(xù)進行，CBFRC、BMFRC、CBF/BMFRC 試件分別在經歷225、250、300次凍融循環(huán)后Er值下降到60.0% 以下，發(fā)生凍融破壞；所有CSW/CBF/BMFRC 試件在經歷300 次凍融循環(huán)后均未發(fā)生破壞，CSW 摻量為1%、2%、3% 的CSW/CBF/BMFRC 試件的Er值分別為60.0%、76.1%、86.6%.由此可見，CSW 的加入可以進一步改善CSW/CBF/BMFRC 的抗凍性能，且改善效果隨著CSW 摻量的增加相應提高.

圖6 三摻短切玄武巖纖維、玄武巖纖維束和硫酸鈣晶須高強混凝土的相對動彈性模量Fig.6 Relative dynamic elastic modulus of high strength concretes with chopped basalt fibers，basalt macro-fibers and calcium sulfate whiskers

添加CSW 可以繼續(xù)提高混凝土抗凍性能的原因是：（1）首先，由于不同孔徑中溶液濃度差的存在，微孔溶液向大孔隙遷移對基體產生的滲透壓力是引起混凝土凍融破壞的主要原因［24-25］.CSW 具有填充效應，可以與水泥的水化產物反應生成鈣礬石，封閉CSW/CBF/BMFRC 中的部分微孔隙［26-29］，阻止微孔隙內部的自由水向其他孔隙遷移，從而降低了滲透壓.（2）其次，微觀、細觀和宏觀纖維的混合加入更有利于改善骨料與水泥漿體間的界面結合程度，優(yōu)化基體內的孔徑分布，形成更致密的微觀結構，減少環(huán)境中水向混凝土內部的滲透，降低了內部自由水結冰產生的凍脹壓力.（3）最后，結合2.7 掃描電鏡分析可知，CSW、CBF 和BMF 進行多尺度阻裂，延緩了凍脹開裂的過程，提高了混凝土的抗凍性能.

2.4 BMFRC 的抗壓強度及其損失率

圖7 為單摻BMF 對高強混凝土抗壓強度損失率（LR）的影響.由圖7 可見：

圖7 單摻BMF 對高強混凝土抗壓強度損失率的影響Fig.7 Effect of single BMF on LR of high strength concretes

（1）通過對不同BMF 摻量BMFRC 在經歷150次凍融循環(huán)前后抗壓強度變化情況的分析可知，不管是否摻入BMF，凍融循環(huán)作用均降低了混凝土的抗壓強度.從絕對強度來看，凍融循環(huán)前后混凝土的抗壓強度均隨著BFM 摻量的增加先增大后減小，均在BFM 摻量為0.30% 時最高，分別為69.3、58.6 MPa.從強度損失率來看，在經歷150 次凍融循環(huán)后PC 的LR值最大，達30.9%；隨著BMF 摻量的增加，混凝土的LR值先降低后有所增加，當BFM 摻量為0.45%時LR值最小，為11.4%.

（2）當BMF 長度為30 mm 時，BMFRC 凍 融循環(huán)前后的抗壓強度值最大.摻入不同長度的BMF 均降低了凍融循環(huán)后高強混凝土的LR值.其中，摻入40 mm 長度BMF 時的抗壓強度相較于凍融前降低最多，LR值為20.3%；BMF 長度為20、30 mm 時的LR值相差不大，分別為17.2%、15.4%.

2.5 CBF/BMFRC 的抗壓強度及其損失率

圖8 為CBF/BMFRC 凍融循環(huán)150 次后的抗壓強度損失率.由圖8 可見：

圖8 CBF/BMFRC 凍融循環(huán)150 次后的抗壓強度損失率Fig.8 LR of hybrid CBF and BMF high strength concretes after 150 freeze-thaw cycles

（1）當CBF 和BMF 按照1∶1 比例混雜摻入高強混凝土時，凍融前后的抗壓強度隨著φhf的增加呈現先增加后降低的趨勢，均在φhf=0.300%時達到峰值，分別為71.9、60.9 MPa.當φhf為0.150%、0.300%、0.450%、0.600%時，高強混凝土在經歷150次凍融循環(huán)后的LR值分別為19.0%、15.3%、15.8%、17.8%，均顯著低于素高強混凝土的LR值（30.9%）；當φhf為0.300%～0.450%時，混凝土的LR值相對較低，與Er值的結果有很好的一致性.

（2）CBF 和BMF 按照1∶2 的比例摻入高強混凝土時，凍融前后的抗壓強度均隨著φhf的增加先增大后減小，但凍融前的抗壓強度在φhf=0.300%時最大，經歷150 次凍融循環(huán)后在φhf為0.450%時的抗壓強度最優(yōu).隨著φhf的增加，凍融后的LR值先降低后增大.當φhf=0.450%時，混凝土的抗壓強度與未凍融時相比僅降低了8.5%，抗壓強度的保留能力最強.

2.6 CSW/CBF/BMFRC 抗壓強度及其損失率

圖9為CSW/CBF/BMFRC凍融循環(huán)150次后的抗壓強度損失率.由圖9可見：PC在經歷150次凍融循環(huán)后的抗壓強度為45.1 MPa，LR=30.9%，CBFRC、BMFRC、CBF/BMFRC 在經歷150 次凍融循環(huán)后的抗壓強度分別為55.5、58.6、63.8 MPa，相較于凍融前分別降低了16.2%、15.4%、8.5%.由此可見，單摻0.15%CBF 與單摻0.30%BMF 在凍融前期對混凝土抗凍性能的提升效果相當；以合適比例和摻量混摻二者后，混凝土抵抗凍融損傷的效果好于單摻CBF和BMF 時.在引入CSW 之后，當CSW 摻量為2%、3%時，CSW/CBF/BMFRC 的LR值持續(xù)降低，分別為6.0%、2.5%.這2 組高強混凝土在經歷150 次凍融循環(huán)后的Er值依然高于97%，可見此時凍融對其內部造成的損傷程度可以忽略不計.原因分析同2.3，這里不再贅述.當CSW 摻量為1%時，在經歷150 次凍融循環(huán)后的Er值也高達96.9%，但其LR值相對較高，可能與試驗結果的離散性較大有關.

抗壓強度、LR值和Er值的結果呈現出很好的一致性.

2.7 SEM 分析

以試件CSW2CBF0.15BMF0.3 為例，通過SEM 分 析CSW/CBF/BMFRC 經 歷150 次 凍 融 循環(huán)前后內部的水化產物、纖維與基體界面黏結情況等，結果如圖10 所示.由圖10 可以看出：

圖10 試件CSW2CBF0.15BMF0.3 凍融循環(huán)前后的微觀結構Fig.10 Microstructure of specimen CSW2CBF0.15BMF0.3 before and after freeze-thaw cycles

（1）凍融損傷前的水泥漿體較為密實，界面區(qū)域內可見少量的原始微裂紋以及封閉的小孔隙.凍融損傷后的水泥漿體酥松、剝落，原始小孔隙劣化，連通形成了大孔隙.

（2）試件CSW2CBF0.15BMF0.3 在經歷150 次凍融循環(huán)后，水泥基體剝落導致CSW 裸露，CSW 之間相互搭接，形成了空間網狀結構，有效阻止了凍融循環(huán)前期混凝土內部微裂縫的形成和發(fā)展.

（3）凍融循環(huán)前CBF 與基體間的界面結合良好.凍融循環(huán)后CBF 與基體間界面過渡區(qū)域（ITZ）變得松散，纖維的部分區(qū)段與水泥漿體間剝離，此時CBF 還沒有完全脫黏，可以繼續(xù)約束基體的凍脹開裂.

（4）在經歷150 次凍融循環(huán)后，BMF 與基體界面的過渡區(qū)域亦可在低倍數下探測到裂縫，可能是初始結合微裂縫延伸而成，但其損傷程度明顯小于其他2 種尺寸纖維的界面過渡區(qū).這也進一步證明了CSW、CBF 和BMF 在混凝土不同凍融損傷階段發(fā)揮了多尺度抑制混凝土脹裂的作用.

3 結論

（1）各類別高強混凝土的相對動彈性模量（Er）均隨著凍融循環(huán)次數的增加逐漸下降，其中以素高強混凝土下降得最快.單獨摻入BMF 時，0.30%為優(yōu)勢摻量.30 mm 長度玄武巖纖維束（BMF）的效果優(yōu)于20、40 mm 長度BMF.隨著纖維總體積分數（φhf）的增加，高強混凝土的抗凍性能先增加后降低.當φhf相同時，短切玄武巖纖維（CBF）和BMF 體積比為1∶2時的效果優(yōu)于1∶1，此時的優(yōu)勢摻量為0.45%.隨著硫酸鈣晶須（CSW）摻量的增加，三摻短切玄武巖纖維、玄武巖纖維束和硫酸鈣晶須混凝土（CSW/CBF/BMFRC）的抗凍性能不斷提高，在經歷300 次凍融循環(huán)后均未凍融破壞.

（2）各類別高強混凝土的抗壓強度（fcu）在經歷150 次凍融循環(huán)后均出現不同程度的降低，其中以素高強混凝土下降得最多，強度損失率（LR）為30.9%.單摻BMF 時，BMF 摻量為0.45% 時的LR值 最低（11.4%），但BMF 摻量為0.30%時凍融前后的fcu值最大；30 mm 長度BMF 混凝土的LR值最小.雙摻時，φhf為0.450%時的CBF 和BMF 比例為1∶2 混雜系列的LR值最小（8.5%）；三摻時，當CSW 摻量為3%，混雜纖維/束高強混凝土凍融后的fcu值最大，LR值最小（2.5%）.

（3）綜合考慮Er、fcu和LR值，單摻、雙摻和三摻均提高了高強混凝土的抗凍性能.當單摻BMF 時，最優(yōu)摻量為0.30%～0.45%，長度為30 mm；雙摻CBF和BMF 時，最優(yōu)總體積分數為0.450%，CBF 和BMF 比例為1∶2；三摻時，BMF 摻量為0.30%、CBF為0.15%、CSW 摻量為水泥質量的3%時高強混凝土的抗凍性能最好.在優(yōu)勢摻量下對比，雙摻優(yōu)于單摻，加入CSW 時的三摻均優(yōu)于雙摻.

（4）高強混凝土的凍融損傷是從界面區(qū)（ITZ）、原始孔隙等有缺陷的地方開始的.CSW 具有填充效應，可以與水泥的水化產物反應生成鈣礬石，形成致密的微觀結構.不同尺度的纖維在混凝土不同凍融損傷階段發(fā)揮抗裂作用，使得混凝土的抗凍性提高.