凍融循環作用下的鋼纖維混凝土性能研究

范永康

（武漢投控檢驗檢測有限公司，湖北 武漢 430000）

混凝土是全球使用最廣泛的結構材料之一，其強度和耐久性對于建筑物的安全性和使用壽命至關重要。然而，傳統的混凝土在面對一些復雜環境或高強度荷載時，往往會出現裂縫，從而導致其性能下降。因此，為了提高混凝土的抗裂性能和耐久性，科研人員開發了鋼纖維混凝土。鋼纖維混凝土作為一種復合材料，可以有效改善混凝土的各項力學性能指標［1-3］，已被廣泛應用在橋梁、水工建筑、道路等領域［4-5］。但是鋼纖維混凝土在低溫條件下，凍融作用是導致其結構損傷的主要原因［6］。因此，凍害地區鋼纖維混凝土的耐久性能引起了眾多學者的廣泛關注［7-8］。

1 實驗

1.1 原材料及配比

實驗用原材料為水泥 ［P·Ⅰ42.5 硅酸鹽水泥（旋窯），撫順水泥股份有限公司］、河砂（細度模數為2.8，含泥量為0.5%，集配滿足GB/T 14684—2022Ⅱ區要求）、碎石（公稱粒徑為5 mm～20 mm，采用二級配，粒徑5 mm～10 mm 的質量含量∶粒徑10 mm～20 mm 的質量含量=4∶6，滿足連續集配要求，針片狀含量為5%，孔隙率為46%，含泥量為0.3%）、外加劑（武漢蘇博新型建材有限公司，標準型高性能減水劑）、鋼纖維［湖北乾道新型材料有限責任公司，端鉤型，60 mm×0.75 mm，公稱抗拉強度滿足《混凝土用鋼纖維》（GB/T39147—2020）中1 000 級要求］和自來水。實驗中按照不同鋼纖維添加量分別設計了6組混凝土配比，見表1。

表1 不同混凝土材料配比

1.2 實驗設備

主要實驗設備為2 000 kN 數字式壓力試驗機（1 級，無錫市德佳意試驗儀器有限公司）、100 kN 微機控制電液伺服萬能試驗機（0.5 級，深圳萬測試驗設備有限公司）、砼快速凍融試驗機（天津建筑儀器試驗機有限公司）、動彈儀（天津建筑儀器試驗機有限公司）和混凝土試驗用攪拌機（無錫建儀儀器機械有限公司）。

1.3 實驗過程

本實驗在拌合鋼纖維混凝土過程中，先將鋼纖維河砂和碎石投入攪拌機，攪拌30 s，然后再將水泥加入攪拌機中，攪拌30 s，最后將外加劑和水一起加入攪拌機，攪拌2 min。成型后的混凝土拌合物帶模養護1 d 后脫模，并放入混凝土恒溫恒濕養護室養護至規定齡期。

混凝土抗壓強度試件、抗折強度試件養護至28 d 齡期后，參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行抗壓和抗折強度試驗。混凝土抗凍性能試件養護至24 d 齡期后，放置在（20±2）℃的水中浸泡4 d 后，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）快凍法進行耐久性試驗，混凝土拌合物性能按照 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）進行測試。

2 實驗結果與討論

表2 為不同鋼纖維摻量對混凝土拌合物工作性能及力學性能影響。由表2 知：當鋼纖維摻量不超過60 kg/m3時，鋼纖維對混凝土的拌合物的坍落度、粘聚性、離析情況沒有大的影響，但對混凝土的力學性能影響較顯著，對抗折強度的影響尤為明顯，混凝土的抗壓強度最大增幅9.3%，而混凝土的抗折強度最大增幅19.9%。繼續增加鋼纖維摻量，混凝土抗壓強度基本變化不大，甚至會降低，而抗折強度仍在繼續增加。

表2 混凝土拌合物工作性能及28 d 齡期的力學性能

由表2 可知：當鋼纖維用量超過一定值時，混凝土拌合物的流動性和粘聚性變差，表現為離析、泌水，這是由于鋼纖維摻量增加時，鋼纖維和基體之間的內聚力變大，增加漿體的黏性，同時纖維之間的摩擦力增大，導致工作性能降低。對素混凝土（不添加鋼纖維的混凝土，分組號為1#）進行抗折試驗時，混凝土表現為脆性斷裂，對摻鋼纖維的混凝土進行抗折試驗時，混凝土達到開裂后還能繼續承受一部分的抗彎能力，表現了一定的延性破壞特征。

圖1 為鋼纖維混凝土凍融循環后的質量損失。由圖1 可知，素混凝土在凍融循環下，質量損失明顯，到250 次凍融循環時，其質量損失超過5%，達到試驗終止條件。即使摻入少量的鋼纖維也能較好地降低其抗凍質量損失，摻量為60 kg/m3的鋼纖維混凝土質量損失率僅為素混凝土的40%。這是因為鋼纖維在混凝土中可發揮拉結作用抑制表面混凝土剝落，同時發揮橋接作用限制混凝土裂縫的產生與發展。圖2 為鋼纖維混凝土凍融循環后相對彈性模量的變化情況。由圖2可以看出，經過250 次凍融循環后，素混凝土的相對動彈性模量降低到了72.5%，而摻鋼纖維混凝土的相對動彈性模量在75%～80%之間。但是大摻量的鋼纖維混凝土的抗凍性能的提高有所降低。

圖1 鋼纖維混凝土凍融循環后的質量損失

圖2 鋼纖維混凝土凍融循環后相對彈性模量的變化情況

表3 給出了混凝土經過250 次快速凍融循環后的試件的抗折強度。從表3 可以看出，素混凝土經過250次凍融循環后，抗折強度僅為初始抗折強度的51.3%，而摻鋼纖維的混凝土經過凍融循環后，抗折強度保留率均達到60%以上，特別是在凍融循環過程中混凝土質量損失較少的4#試樣和5#試樣的抗折強度保留率在70%左右。總體來看，摻入鋼纖維，在提高混凝土的抗壓和抗折能力的同時，也增強了混凝土的抗凍性能。

表3 250 次凍融循環后混凝土抗折強度

3 結束語

鋼纖維混凝土摻入到混凝土中，能夠顯著提高混凝土的抗折強度，對抗壓強度略有提升但不顯著；當鋼纖維摻量過多時，混凝土拌合物的坍落度及粘聚性變差，混凝土拌合物出現離析泌水現象。

在凍融循環試驗過程中，鋼纖維混凝土整體的質量損失明顯低于素混凝土的質量損失，鋼纖維混凝土的相對動彈性模量明顯高于素混凝土相對動彈性模量，混凝土抗折性能有明顯的提升，鋼纖維混凝土的抗凍性能有所提高。

凍后鋼纖維混凝土的抗折強度保留率明顯高于素混凝土的抗折強度，鋼纖維的存在能夠有效抑制混凝土內部微裂縫或缺陷的產生，延長其使用壽命。