鋼纖維混凝土抗凍性能試驗研究

牛荻濤，姜 磊，白 敏

（西安建筑科技大學(xué)，土木工程學(xué)院，西安710055）

鋼纖維混凝土是近年來發(fā)展起來的一種性能優(yōu)良的復(fù)合材料。隨著鋼纖維混凝土在工程中的廣泛應(yīng)用，其耐久性問題將會是十分重要而迫切需要解決的問題。許多學(xué)者對鋼纖維混凝土做了大量試驗研究，然而多集中于力學(xué)性能方面［1－4］，鋼纖維對混凝土耐久性影響則研究較少。對于寒冷地區(qū)的建筑物而言，凍融作用是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能損傷的主要原因［5－7］。凍融循環(huán)加劇了混凝土內(nèi)部初始裂紋擴展并且誘發(fā)新裂紋出現(xiàn)和發(fā)展，這是混凝土凍融劣化破壞的本質(zhì)。但是，鋼纖維的摻入有效限制了混凝土內(nèi)部裂紋的形成與擴展，提高了混凝土的抗裂能力。因此，凍害地區(qū)鋼纖維混凝土耐久性能引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。謝曉鵬等［8］和康晶［9］研究表明，鋼纖維的摻入延緩了混凝土內(nèi)部裂紋的形成與擴展，增強了混凝土基體的抗凍性能。Yang等［10］認(rèn)為鋼纖維的摻入降低了混凝土的抗鹽凍剝蝕性能，特別是引氣混凝土的抗鹽凍剝蝕性能。目前，鋼纖維混凝土抗凍性能研究的重點主要集中在宏觀層面，較少從微觀層面對其性能退化規(guī)律進行研究，且對鹽溶液環(huán)境下鋼纖維混凝土抗凍性能研究也較少。

本文針對不同摻量的鋼纖維混凝土，通過快速凍融試驗，從宏觀上研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)下鋼纖維混凝土質(zhì)量損失、相對動彈模量變化和劈裂強度損失，并通過壓汞和掃描電鏡試驗微觀分析了凍融循環(huán)前后混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化，分析了鋼纖維對混凝土增強作用原理和鋼纖維混凝土凍融破壞機理，旨在為凍融環(huán)境下鋼纖維混凝土耐久性設(shè)計提供基礎(chǔ)資料。

1 試驗概況

1．1 原材料和配合比

試驗中所采用的水泥為陜西秦嶺水泥股份有限公司生產(chǎn)的秦嶺牌P．O42．5R普通硅酸鹽水泥。

細集料采用普通河砂，細度模數(shù)2．69，表觀密度2．63 g／cm3。粗集料采用5～16 mm混合級配碎石。鋼纖維采用波浪形剪切鋼纖維，長度為30 mm，長徑比為60，截面形狀為矩形。減水劑采用高效減水劑，黃褐色、粉末狀。

本次試驗中，試驗用混凝土的水膠比為0．45，鋼纖維體積率分別為0%、0．5%、1．0%、1．5%和2．0%。試驗用各種混凝土的配合比見表1。其中編號PC表示鋼纖維摻量為零的基準(zhǔn)混凝土，SFC表示摻有鋼纖維的混凝土，“－”后面的數(shù)字表示鋼纖維體積率。

1．2 試驗方案

鋼纖維混凝土水凍試驗依據(jù)《鋼纖維混凝土試驗方法》中的快凍法進行，鹽凍試驗參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。試件標(biāo)養(yǎng)24 d后，分別在水中和氯化鈉溶液中浸泡4 d，在第28 d時進行快速凍融試驗。氯化鈉溶液采用3．5%的濃度，與海水中鹽的濃度一致［11－12］。每凍融循環(huán)25次，測試試件劈裂強度、相對動彈模量、重量損失情況。

試驗中，相對動彈模量和質(zhì)量損失測量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，共制備10組30個試件；劈裂強度測量采用100 mm×100 mm×100 mm立方體，共制備85組共255個試件。

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 質(zhì)量損失率

圖1為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失。由圖1（a）可見，PC在凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失明顯，在未到300次凍融循環(huán)時質(zhì)量損失超過5%，達到破壞。鋼纖維的摻入對混凝土質(zhì)量損失率有明顯的抑制作用，經(jīng)過300次凍融循環(huán)，SFC－1．5質(zhì)量損失率只有2．28%，約為普通混凝土的一半。

但是，從圖1（b）可以看出鹽凍循環(huán)下的試件質(zhì)量損失率明顯增大，凍融循環(huán)100次后，PC的質(zhì)量損失達4．2%，接近破壞，SFC－1．5為2．5%；與此相對應(yīng)的水中，PC和SFC－1．5的質(zhì)量損失僅為2．1%和1．3%，明顯小于鹽凍循環(huán)。由于鹽凍破壞的特殊性和嚴(yán)酷性［13－14］，加速了表層混凝土的解體和剝離現(xiàn)象，混凝土中雜亂分布的鋼纖維對表層漿體拉接作用有限，因此，鋼纖維混凝土在遭受鹽凍破壞時，凍融剝落程度加重。

表1 基準(zhǔn)混凝土與鋼纖維混凝土配合比

圖1 鋼纖維混凝土在溶液中凍融時的質(zhì)量損失

2．2 相對動彈性模量的變化

圖2為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的相對動彈模量損失。由圖可以看出，在300次凍融循環(huán)后，PC和SFC－1．5的相對動彈模量損失分別為35．2%和24．3%，PC接近破壞，而SFC－1．5凍融損傷得到明顯抑制。但是當(dāng)鋼纖維摻量達到2．0%時，鋼纖維對混凝土的增強作用降低，對抗凍性能影響不明顯?？傮w來看，摻入鋼纖維后，抑制了混凝土內(nèi)部微裂縫或缺陷的不斷產(chǎn)生，延緩了相對動彈模量的下降。

圖2 鋼纖維混凝土在水中凍融時的相對動彈模量損失

2．3 劈裂強度損失

圖3為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的劈裂強度損失。從圖3（a）可以看出，鋼纖維的摻入提高了混凝土的劈裂強度，纖維摻量為1．5%時，劈裂強度最高，約為基準(zhǔn)混凝土的2倍。同時，鋼纖維還降低了凍融后混凝土劈裂強度下降速率。其中，PC在凍融150次時，劈裂強度降低40%，在凍融200次時，達到破壞；SFC－1．5在凍融250次時，劈裂強度降低40%，明顯優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。從圖3（b）可以看出，鹽凍循環(huán)100次，PC和SFC－1．5劈裂強度分別降低34%和22%；與此相對應(yīng)的水凍循環(huán)中，PC和SFC－1．5分別降低23%和9%，說明鹽凍破壞削弱了鋼纖維的阻裂增韌作用，加快了混凝土內(nèi)部損傷，造成劈裂強度快速降低。

圖3 鋼纖維混凝土在溶液中凍融時的劈裂強度損失

3 微觀機理分析

3．1 孔結(jié)構(gòu)分析

表2和表3為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后，壓汞法測試的鋼纖維混凝土孔體積和孔徑分布情況。由表2可以看出，合理摻量的鋼纖維減小了混凝土孔隙率，纖維摻量在0%～1．5%范圍內(nèi)增加時，混凝土總孔隙率、總孔體積和總孔面積分別減少32．13%、28．54%和42．78%，混凝土平均孔徑和最可幾孔徑均有下降。但是，纖維摻量達到2．0%時，鋼纖維混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均有增大現(xiàn)象，孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯劣化。由表3可以看出，纖維摻量從在0%～1．5%范圍內(nèi)增加時，孔徑為d＜20 nm、20 nm≤d＜50 nm的孔所占比例增大；孔徑為50 nm≤d＜200 nm、d≥200 nm的孔所占比例減少。說明混凝土無害和少害孔增多，有害和多害孔減少，孔結(jié)構(gòu)得到改善，有利于提高混凝土的抗凍性能。

3．2 掃描電鏡分析

圖4和圖5是PC和SFC－1．5凍融前后SEM圖片，可以看出，凍融前二者的各水化產(chǎn)物互相膠結(jié)形成連續(xù)相，整體結(jié)構(gòu)均勻密實，沒有微裂縫產(chǎn)生；50次鹽凍循環(huán)后，二者均出現(xiàn)微裂縫，但是SFC－1．5中微裂縫數(shù)量明顯少于PC；100次鹽融循環(huán)后，PC中微裂縫擴展加深，并且大部分相互貫通，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯疏松，而SFC－1．5中裂縫數(shù)量和貫通程度均小于PC，沒有出現(xiàn)組織疏松。可以看出，鋼纖維限制了裂縫的發(fā)展與貫通，提高了混凝土的抗凍性能。

在凍融循環(huán)過程中，混凝土毛細孔壁同時承受膨脹壓力和滲透壓力［15－16］，當(dāng)這兩種壓力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，混凝土開裂，產(chǎn)生微裂縫。鋼纖維的彈性模量與強度高于混凝土［17］，而且具有較大變形能力，可以發(fā)揮增韌、阻裂作用，從而減小引發(fā)裂縫與促進裂縫開展的凍融破壞力。隨著鋼纖維摻量增加，混凝土中鋼纖維－水泥基體界面數(shù)量增多，這些界面是鋼纖維混凝土中的薄弱區(qū)域。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，鋼纖維－水泥基體界面存在有片狀結(jié)構(gòu)的Ca（OH）2（圖6）和簇狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石晶體（AFt）（圖7）。鈣礬石晶體主要存在于微小孔隙中和集料表面，說明鋼纖維混凝土界面區(qū)存在較大孔隙率和較為疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而成為凍融過程中微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的敏感區(qū)域。凍融循環(huán)作用下，在界面過渡區(qū)產(chǎn)生的裂縫呈現(xiàn)增多、增寬的趨勢（圖8）。所以鋼纖維摻量較大的SFC－2．0抗凍能力反而降低。

表2 鋼纖維混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 鋼纖維混凝土孔徑分布%

圖4 PC凍融前后SEM圖片

圖5 SFC－1．5凍融前后SEM圖片

圖6 界面處Ca（OH）2晶體

圖7 界面處鈣礬石晶體

圖8 SFC－2．0界面（鹽凍100次）

4 結(jié)論

1）在凍融環(huán)境中，鋼纖維混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈模量損失率明顯降低，抗凍性能得到提高。而且，鋼纖維的摻入不僅提高了混凝土的劈裂強度，同時還延緩了凍融損傷后混凝土劈裂強度的降低速率。

2）鋼纖維對遭受鹽凍破壞的混凝土表面剝蝕改善作用有限，并且鹽凍破壞加快了鋼纖維混凝土內(nèi)部損傷，鹽凍循環(huán)次數(shù)明顯低于水凍循環(huán)次數(shù)。

3）鋼纖維摻量對混凝土抗凍性能影響顯著，隨著摻量的增加，混凝土抗凍性能增強。當(dāng)摻量為1．5%時，鋼纖維的增強效果最好；但是當(dāng)摻量增大到2．0%時，混凝土抗凍性能降低。

4）孔結(jié)構(gòu)和掃描電鏡分析表明，適量鋼纖維摻入后，混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)改性良好，微裂縫發(fā)展速度緩慢，鋼纖維阻裂、增強作用明顯。

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