結構型鋼纖維對鹽-凍融耦合作用下混凝土損傷的影響

摘要：為探究鋼纖維在氯鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下對混凝土損傷的影響，對多組不同鋼纖維摻量的混凝土試件進行快速鹽-凍融循環試驗。利用超聲波法和激光掃描法分析不同摻量鹽-凍融后混凝土損傷的效應，通過分析超聲波速變化得到混凝土的鹽-凍融損傷度D，并建立D與鹽-凍融循環次數n之間的韋布爾分布；利用混凝土表面的粗糙度表征混凝土表面損傷，并研究了不同摻量鋼纖維混凝土試件表面在鹽-凍融循環作用后粗糙度變化率ΔR的作用，以及ΔR與D的函數關系。結果表明：混凝土鹽-凍融損傷隨著鋼纖維摻量的增加而減小；基于超聲波法建立的損傷度D與鹽-凍融循環次數之間較好地滿足兩參數韋布爾分布，決定系數大于0.95；混凝土試件損傷度D隨粗糙度變化率ΔR的變化規律滿足指數函數關系，決定系數大于0.80。

關鍵詞：鋼纖維；鹽-凍融循環；混凝土損傷；超聲波法；損傷度；粗糙度

中圖分類號：TU528.572" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0159-08

Effect of macro steel fiber on damage of concrete after salt freeze-thaw cycle

DING Yining， GE Maolin， LIU Qianwen， ZHU Hao

（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， Liaoning， P. R. China）

Abstract： In order to reveal the influence of salt erosion and freeze-thaw cycle coupling effect of steel fiber on concrete damage evolution， four groups of concrete specimens with different mass fractions of steel fiber were tested under salt freeze-thaw test. The damage of concrete after salt freeze-thaw cycles was analyzed by ultrasonic method and laser scanning method. The damage degree D of concrete after salt freeze-thaw cycles was obtained by analyzing the change of ultrasonic wave velocity. The Weibull distribution model between D and freeze-thaw cycles n was established. The surface roughness was used to characterize the surface damage of the concrete. The change rate of roughness ΔR of concrete with different steel fiber dosage was studied as a function of freeze-thaw cycles. The results indicate that the damage of concrete decreases with the increase of steel fiber dosage. The relationship between D and n established by ultrasonic method satisfied the two-parameter Weibull distribution model， and the determination coefficient is higher than 0.95. It has an exponential relationship between D and ΔR due to its determination coefficient higher than 0.80.

Keywords： steel fiber； salt freeze-thaw cycle； concrete damage； ultrasonic test； damage degree； roughness

在中國北方地區，大量混凝土建筑長期遭受凍融循環的破壞，橋梁結構以及采用除冰劑來化除表面的冰雪時的混凝土路面橋面，還會產生“鹽凍”現象。凍融循環加劇了鋼筋混凝土結構由荷載導致的裂縫擴展，而鹽溶液從裂縫滲入混凝土內部，使鋼筋銹蝕，因此，鋼筋混凝土結構在鹽-凍融的共同作用下加速劣化。

Berkowski等[1]發現鋼纖維的摻入可以明顯改善混凝土鹽凍融后的表面剝蝕情況。Wang等[2]、Niu等[3]、何銳等[4]、Zhang等[5]、徐麗娜等[6]通過對混凝土的相對動態彈性模量、質量損失率、抗壓性能等性能的測試，發現鋼纖維可以改善混凝土鹽-凍融循環后的耐久性，但缺乏對損傷量化的研究。部分學者尋求降低混凝土受鹽-凍融循環破壞的措施，首要問題是如何快速客觀地評估其損傷程度。然而，目前缺乏對鋼纖維增強混凝土鹽-凍融損傷的量化，也沒有解決建立損傷量化指數評價標準的問題。部分學者采用超聲波法來評估混凝土的損傷。Dong等[7]、Ma等[8]研究發現超聲波速能反映混凝土內部結構的變化規律，并且可以利用超聲波法定義混凝土的損傷程度[9]；Stauffer等[10]對比了超聲波法與共振法在檢測混凝土損傷評估中的有效性，研究表明超聲波法具有更高的準確性；劉衛東等[11]發現超聲波速作為損傷參量，易于檢測且可與混凝土的其他宏觀量建立聯系，反映混凝土的凍融損傷規律。張峰等[12]、龍廣成等[13]基于威布爾分布對混凝土凍融損傷進行了研究，并建立了凍融損傷模型，該模型可用于在凍融環境下對混凝土結構進行壽命預測。Yu等[14]研究發現，在凍融循環作用下混凝土壽命預測模型及其累積模型能夠較好地預測實際凍融環境下混凝土的自然疲勞壽命。因此，可利用威布爾分布來構建摻有鋼纖維的混凝土凍融損傷模型。Ding等[15]將混凝土裂縫表面粗糙度量化，并分析不同纖維對裂縫表面粗糙度的影響；Tian等[16]研究了在鹽-凍融作用下高延性及復合材料混凝土界面損傷及其預測模型。

混凝土試件受鹽-凍融循環破壞時，表面落渣或侵蝕等表面剝蝕是鹽-凍融循環最為顯著的破壞，而目前缺乏對鹽-凍融損傷后混凝土試件表面粗糙度變化的研究。筆者對多組不同鋼纖維摻量的混凝土試件進行快速鹽-凍融循環試驗，基于超聲波法得到損傷度D，利用雙參數威布爾分布建立相應的損傷模型；通過對試件表面進行激光掃描試驗，得到粗糙度變化率ΔR，研究D與ΔR的函數關系。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料與配合比

原材料：P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，一級粉煤灰，粗骨料采用粒徑為5～10 mm的連續級配碎石，細骨料采用細度模數為2.56的天然河沙，減水劑為聚羧酸高效減水劑。混凝土基準配合比如表1所示，其水膠比為0.35。試驗采用端部彎鉤型鋼纖維如圖1所示，物理參數如表2所示。

1.2 試件制備

抗壓強度試驗用100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件，快速鹽-凍融試驗試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm。按鋼纖維的摻量（20、40、60 kg/m3）將試件分為3組，編號分別為SF20、SF40、SF60，另設一組素混凝土作為對照試件，編號NC。每組抗壓強度試驗及快速鹽-凍融循環試驗均取3個混凝土試件；混凝土抗壓強度取3個立方體混凝土試件的抗壓強度的平均值，各組混凝土試件的立方體抗壓強度如表3所示。從表3可知，摻入鋼纖維使混凝土內部的界面增加，同時引起基體內的孔隙與含氣量增多，因此摻入鋼纖維可能會引起混凝土抗壓強度的少許降低。

1.3 快速凍融試驗

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）[17]對混凝土試件進行快速鹽-凍融試驗，用毛巾吸干各組試件的表面水分后，測量各組試件的超聲波速v0，然后對試件表面進行激光掃描試驗；將試件置于快速凍融試驗機中，并加入濃度為3.5%的NaCl溶液。以4 h為單次循環時長；每25次循環后，測量試件的超聲波速vn，然后進行激光掃描試驗，直到200次循環完成，鹽-凍融試驗結束。

1.4 超聲波試驗和激光掃描試驗

超聲波試驗使用超聲波檢測儀（Pundit Lab），其發射和接收頻率為54 kHz，采樣數據周期0.4 μs。利用混凝土表面形貌測量方法，將鹽-凍融循環后的試件表面看作由有限個點組成的面，采用三維激光掃描設備（見圖2）掃描試件指定區域；混凝土試件掃描區域為中心140 mm×80 mm范圍，掃描間隔為1 mm。

1.5 SEM試驗

分別從鹽-凍融循環0、50、100、200次混凝土試件內部制取基體孔壁試樣，用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，型號為QUANTA-450）對孔壁微觀結構進行掃描，觀察鹽-凍融循環后混凝土基體微觀形貌的變化。

2 結果與討論

2.1 表觀形貌

圖3（a）～（d）分別為鹽-凍融循環0、50、100、200次后，NC、SF20、SF40、SF60試件表面的剝蝕情況。未經鹽-凍融循環的混凝土試件表面光滑；50次鹽-凍融循環后，各組試件表面出現麻坑，但未顯露團聚體；100次鹽-凍融循環后，NC試件表面磨砂、砂漿剝落，摻入鋼纖維的混凝土試件表面出現麻坑；200次鹽-凍融循環后，NC、SF20試件表面骨料完全暴露，SF40、SF60試件表面僅部分露出骨料。混凝土在鹽-凍融循環條件下出現損傷，損傷由表及里、不斷深入[18]，不斷累積惡化導致混凝土破壞。鋼纖維可以束縛混凝土+表面漿體[19]，從而降低混凝土表面的漿體剝離、骨料暴露等損傷。

2.2 微觀形貌

圖4對比了鹽-凍融循環0、50、100、200次后SF20試件的孔壁微觀結構。由圖4可知，混凝土孔壁在鹽-凍融循環作用下產生裂縫，且隨著循環次數的增加，孔壁裂縫的數量增多且裂縫寬度逐漸增大。例如，在鹽-凍融循環50、100、200次后，通過SEM電鏡掃描可知，混凝土孔壁的裂縫寬度分別為1.31、1.82、2.14 μm。在凍融循環作用中，混凝土的劣化可分為吸水階段、水凍結階段和混凝土剝落階段3個階段[9]。在水凍結階段，混凝土孔隙中的水分結冰、體積增大，對孔壁產生凍脹壓力；當溫度回升后，孔隙中凍結的冰發生融化、體積減小，對孔壁的凍脹壓力消除，如此完成一次凍融循環[18]。在內部靜水壓力與滲透壓[20-21]的作用下，損傷不斷累積導致混凝土耐久性嚴重降低。摻入鋼纖維可以限制混凝土的裂縫擴展[1]，同時增加了混凝土基體的界面，緩解了因水分結冰而產生的凍脹壓力。

2.3 基于超聲波法的韋布爾分布鹽-凍融損傷模型

超聲波在混凝土基體中傳播時混凝土的鹽-凍融損傷度D與超聲波速vn的關系[22-23]如式（1）所示。

式中：Dn為鹽-凍融循環n次后混凝土的損傷度；vn為鹽-凍融循環n次后混凝土的超聲波速，m/s；v0為未進行鹽-凍融循環時混凝土的超聲波速，m/s。表4為鹽-凍融循環作用后混凝土試件超聲波檢測試驗結果。

采用兩參數的韋布爾分布預測混凝土在鋼纖維摻量不同時的損傷發展，其概率密度函數[24]如式（2）所示，失效概率如式（3）所示。

由圖5可知，隨著鋼纖維摻量逐漸增加，擬合直線的斜率增大、截距減小，說明混凝土損傷度逐漸減小。將擬合直線的斜率及截距代入式（5）、式（6），可求得尺度因子λ與形狀因子K，并得到各組試件及文獻[22]試件的鹽-凍融損傷演變方程，如式（7）～式（11）所示。

從式（7）～式（10）可知，演變方程的尺度因子與形狀因子變化較小，擬合曲線的決定系數均大于0.95，可以很好地預測混凝土的損傷度D與循環次數n的關系。從式（11）可知，對于文獻[22]中混凝土損傷度的演變方程，擬合曲線的決定系數為0.982，說明在鹽-凍融循環作用下混凝土損傷度與循環次數滿足韋布爾分布。當循環次數為0～50時，鋼纖維可以改善混凝土鹽-凍融循環后的耐久性[3]，文獻[22]中混凝土的損傷度較試驗更大；當循環次數為50～200時，由于文獻[22]中水灰比為0.4，低于試驗的水灰比0.5，水灰比越高，膠凝基質越弱[25-27]，鹽-凍融循環后混凝土的損傷度越大。

2.4 基于激光掃描試驗的鹽-凍融損傷模型

鹽-凍融循環次數越多，試件表面剝蝕、泛砂越嚴重，表面越粗糙。通過激光掃描試驗測得n次鹽-凍融循環后混凝土表面的粗糙度Rn，其計算式為

式中：在裂縫表面一個單元網格（如圖6所示）中，Rn為粗糙度；St為掃描區實際面積；So為掃描區域投影面積。

式中：ΔRn為鹽-凍融循環n次后試件的表面粗糙度變化率；Rn為鹽-凍融循環n次后試件的表面粗糙度；R0為未進行鹽-凍融循環的試件的表面粗糙度。表6列舉了鹽-凍融循環作用下各組混凝土試件的表面粗糙度變化率。

圖7為混凝土試件表面的粗糙度變化率隨鹽-凍融循環次數的變化關系圖。從表6及圖7可知，當鹽-凍融循環次數相同時，表面粗糙度變化率隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸減小；鹽-凍融循環150次后，試件NC、SF20、SF40、SF60的表面粗糙度變化率ΔR分別為19.8%、20.7%、19.1%、14.2%，試件SF60的表面粗糙度變化率ΔR明顯小于試件NC、SF20、SF40，可見混凝土表面抗鹽-凍融剝蝕的能力明顯提高。

在鹽-凍融循環作用下，粗糙度變化率ΔR與循環次數n之間的關系可分為3個階段：第1階段為迅速變化階段，當鹽-凍融循環次數小于50時，混凝土表面的水泥凈漿開始剝蝕，試件表面逐漸泛砂，粗糙度變化率迅速增大；第2階段為穩定階段，當鹽-凍融循環次數為50～100時，表面凈漿幾乎完全剝蝕、沙化明顯，骨料及鋼纖維開始外露，粗糙度變化率變化不明顯；第3階段為緩慢增長階段，當鹽-凍融循環次數為100～200時，混凝土表面剝蝕加重，外露的骨料和鋼纖維大幅增加，粗糙度變化率增長趨勢放緩。

2.5 鹽-凍融損傷度與粗糙度變化率的關系

在鹽-凍融循環條件下，混凝土因水分結冰產生的凍脹壓力而出現基體損傷，基體損傷表現為基體內部孔壁開裂、超聲波速減小的內部損傷和表面漿體剝離、粗糙度以及粗糙度變化率增大的表面損傷。基于指數函數關系（如式（14）所示），對混凝土損傷度與粗糙度變化率的關系進行曲線擬合。

式中：a、b、k為擬合參數。擬合曲線如圖8所示。從圖8可知，在鹽-凍融循環作用下，混凝土的損傷度、粗糙度變化率均隨循環次數的增加而增大；擬合曲線的決定系數均大于0.95，說明試件NC、SF20、SF40、SF60的損傷度與粗糙度變化率之間較好地滿足指數函數關系。

3 結論

研究了鋼纖維在鹽-凍融循環作用下對混凝土損傷演變的影響，得出如下結論：

1）鋼纖維降低了混凝土的裂縫擴展速率，增加了混凝土基體中的界面，緩解了因水分結冰、體積膨脹而產生的凍脹壓力，顯著改善了混凝土的抗鹽-凍融損傷性能。

2）當鹽-凍融循環次數相同時，混凝土的損傷度會隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸減小；基于韋布爾分布建立了混凝土在鹽-凍融循環作用下的損傷預測模型。

3）在鹽-凍融循環作用下，混凝土表面粗糙度變化率包括迅速變化階段、穩定階段和緩慢增長階段3個階段；鋼纖維有利于減少鹽-凍融循環對混凝土表面的損傷，降低混凝土表面粗糙度變化率，提高混凝土在鹽-凍融循環作用下的耐久性；在鹽-凍融循環條件下，混凝土損傷度與粗糙度變化率之間滿足指數函數關系。

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（編輯" 王秀玲）

收稿日期：2022?01?06

基金項目：國家自然科學基金（51578109）；大連市科技創新基金（2020JJ27SN108）

作者簡介：丁一寧（1962- ），男，博士，教授，博士生導師，主要從事高性能混凝土研究，E-mail：ynding@hotmail.com。

Received： 2022?01?06

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51578109）; Science and Technology Innovation Foundation of Dalian （No. 2020JJ27SN108）

Author brief： DING Yining （1962- ）， PhD， professor， doctorial supervisor， main research interest： high performance concrete， E-mail： ynding@hotmail.com.