凍融環(huán)境下纖維混凝土的性能

趙柏冬, 孫志友, 王 舜

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

在近幾十年的工程實(shí)例中,大體積混凝土被廣泛應(yīng)用于房建、橋隧等工程.趙柏冬[1]等結(jié)合橋梁冬季施工實(shí)例,探究使用纖維布對(duì)鋼筋混凝土抗凍性的保護(hù)措施;慕儒[2]等通過不同的凍融試驗(yàn)方法來探究混凝土的耐久性能,并詳細(xì)分析了凍融試驗(yàn)機(jī)理;劉衛(wèi)東[3]等通過構(gòu)建混凝土凍融循環(huán)損傷本構(gòu)關(guān)系來探究混凝土的纖維摻量對(duì)混凝土損傷劣化的影響;周志云[4]、曹大富[5]等通過混凝土動(dòng)彈性模量間接來反映混凝土的耐凍性能;魏強(qiáng)[6]等通過SEM電鏡掃描來放大凍融后混凝土試塊殘樣來更直觀分析凍融環(huán)境對(duì)混凝土的破壞;陳思佳[7]等探究了凍融環(huán)境下,不同鋼筋混凝土的配合比對(duì)結(jié)構(gòu)的抗凍性的影響.

大多建筑裸露于自然環(huán)境中與大氣接觸.大氣中的雨水、風(fēng)沙等對(duì)建筑造成了不可逆的損傷.氣候的不同、地理位置的差異直接影響了大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,而北方主要以“凍”為主.北方地區(qū)嚴(yán)寒造成混凝土的凍融破壞,從而使大體積混凝土存在安全隱患、未達(dá)到其使用年限而破壞,給國家造成經(jīng)濟(jì)上的直接損失.在文獻(xiàn)[8]中,將環(huán)境劃分成5類,其中就包含凍融環(huán)境[9].可見冰凍環(huán)境對(duì)建造業(yè)的影響.沈陽地區(qū)地處中國東北部,全年有至少半年時(shí)間處于零度以下,所以對(duì)建筑材料的抗凍性要求更加苛刻.本次試驗(yàn)采取的試驗(yàn)方案為在混凝土試塊的骨料中添加聚丙烯纖維來探究在凍融作用下混凝土的強(qiáng)度變化,應(yīng)用此試驗(yàn)方案,結(jié)合前人科研成果,本次試驗(yàn)進(jìn)一步深入探討在工程實(shí)際中低溫環(huán)境對(duì)纖維混凝土性能的影響.

1 凍融試驗(yàn)及試驗(yàn)方法

1.1 凍融試驗(yàn)

試驗(yàn)中經(jīng)常采用的兩種凍融試驗(yàn)方法都是快速凍融方法,第一種是空氣凍融試驗(yàn)、第二種是水凍融試驗(yàn).本次試驗(yàn)采取水凍融試驗(yàn)法,試驗(yàn)凍融溫度為-20～20 ℃,凍融時(shí)間為2 h,間隔1 h.采用的試驗(yàn)儀器有JCD型凍融機(jī)、TM-Ⅱ動(dòng)彈儀、電子秤等.總凍融循環(huán)次數(shù)為200次,每間隔40次采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.本次試驗(yàn)共制備6組試塊(其中1組備用),每組為6×4個(gè)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊,共計(jì)144塊.在試塊制備前應(yīng)當(dāng)檢驗(yàn)各種材料是否符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),水泥是否水化,石子粒徑是否整體達(dá)標(biāo)等.

需要注意的是,因?yàn)檫M(jìn)行的是水凍融循環(huán)試驗(yàn),為保證試塊全部浸入水中,在試驗(yàn)之前采取將水浸沒混凝土試塊3 mm的處理來隔絕空氣因素對(duì)凍融試驗(yàn)的影響.

1.2 試驗(yàn)材料及模型制備

本試驗(yàn)用水為沈陽地區(qū)市民飲用水;采用水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥,密度為3.12 g/cm3;碎石粒徑為7～18 mm,砂采用沈陽本地中粗河砂;纖維采用聚丙烯纖維,它具有質(zhì)量輕、能提高混凝土耐久性等優(yōu)點(diǎn),是一種彈性模量較低的合成纖維;根據(jù)文獻(xiàn)[10],本次試驗(yàn)制備的混凝土試塊為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊和100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊.普通混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C40.表1中為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維混凝土試塊的配合比以及相應(yīng)的坍落度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),混凝土試塊進(jìn)行在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下為期28 d的標(biāo)準(zhǔn)條件護(hù)養(yǎng).圖1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度隨混凝土養(yǎng)護(hù)齡期變化的相關(guān)時(shí)間曲線對(duì)比圖.

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維混凝土配合比Table 1 Mixing ratio of concrete with different fiber mass fraction

圖1 混凝土隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度曲線圖Fig.1 The compressive strength curve of concrete with curing time

1.3 試塊配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)得合理與否將會(huì)直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照配合比設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行反復(fù)合理驗(yàn)證.本次配合比的設(shè)計(jì)是建立在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維基礎(chǔ)之上,采用1 m3混凝土,各骨料拌和物的總質(zhì)量為2 450 kg,詳見表1.按照普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)步驟,本次試驗(yàn)最終設(shè)計(jì)并確定的混凝土水灰比為2種,分別是0.46和0.51兩個(gè)等級(jí).

由表1和圖1可以看出: 當(dāng)混凝土配合比相同且都為0.46時(shí), 纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果明顯; 當(dāng)配合比相同且都為0.51時(shí), 混凝土的強(qiáng)度隨纖維的增加而增強(qiáng). 當(dāng)配合比不同時(shí),由混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度可以看出, 隨著水灰比的增加混凝土的相對(duì)抗冷凍性能呈下降趨勢(shì), 原因是水是造成混凝土凍融破壞的主要條件之一. 因此,在低溫環(huán)境下施工的混凝土建筑, 在不影響混凝土本身強(qiáng)度的情況下, 應(yīng)盡可能地降低其水灰比.

2 混凝土強(qiáng)度與纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

按照規(guī)范[11]中混凝土的養(yǎng)護(hù)要求,對(duì)未摻加纖維的混凝土試塊及分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的纖維進(jìn)行為期28 d的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的養(yǎng)護(hù),混凝土養(yǎng)護(hù)溫度控制在(20±3)℃,24 h之后進(jìn)行拆模處理.在養(yǎng)護(hù)過程中,混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的增長整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),并且在前期強(qiáng)度的增長較快.如圖1所示,未添加纖維的普通混凝土試塊在經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)之后,抗壓強(qiáng)度為40 MPa,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的纖維試塊在28 d的養(yǎng)護(hù)之后抗壓強(qiáng)度為46 MPa,是普通標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊同等條件下的1.15倍;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的纖維試塊在28 d的養(yǎng)護(hù)之后抗壓強(qiáng)度為49 MPa,是普通試塊在同等條件的1.225倍,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的強(qiáng)度提升7.5%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的纖維試塊在28 d的養(yǎng)護(hù)之后抗壓強(qiáng)度為50 MPa,是普通試塊同等條件下的1.25倍,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的強(qiáng)度提升10%,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的強(qiáng)度提升2.5%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的纖維試塊在28 d的養(yǎng)護(hù)之后抗壓強(qiáng)度為51 MPa,是普通試塊在同等條件下的1.275倍,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的強(qiáng)度提升12.5%,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的強(qiáng)度提升5%,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的強(qiáng)度提升2.5%.結(jié)合圖1的圖形趨勢(shì)以及相應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出:在混凝土中加入纖維可以達(dá)到提升混凝土的整體強(qiáng)度的目的,并且在混凝土中的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的情況下最符合經(jīng)濟(jì)效益.

3 混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量

規(guī)范[11]中用兩種標(biāo)準(zhǔn)來衡量凍融后混凝土的性能.第一種是使用相對(duì)動(dòng)彈性模量來衡量,當(dāng)動(dòng)彈性模量范圍在60%～100%時(shí)才認(rèn)為混凝土在凍融破壞環(huán)境下沒有被徹底破壞;第二種評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是以凍融循環(huán)后混凝土試塊的質(zhì)量損失率來作為衡量標(biāo)準(zhǔn),以質(zhì)量損失率是否超過5%來作為評(píng)判混凝土的依據(jù).由于凍融后產(chǎn)生的混凝土脫落及裂縫可能使混凝土局部含水量變化,造成混凝土質(zhì)量產(chǎn)生誤差,某些情況下質(zhì)量損失率可能反而會(huì)增加,給試驗(yàn)結(jié)果帶來一定的影響.考慮以上因素,在采集凍融后混凝土質(zhì)量數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量將混凝土上的水處理干凈.本試驗(yàn)采用風(fēng)扇和吸水紙的稱重預(yù)先處理,并結(jié)合混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量數(shù)據(jù)來分析.

由表2中相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)分析可以看出:混凝土的抗壓強(qiáng)度整體變化為隨凍融次數(shù)的增長而下降;普通混凝土與各不同纖維試塊相比,其強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加破壞效果更加明顯;隨著纖維的逐漸增多,混凝土在相同低溫環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較好.在循環(huán)凍融次數(shù)為80時(shí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%纖維試塊的相對(duì)抗壓強(qiáng)度比普通試塊增加7.752%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的纖維試塊的相對(duì)抗壓強(qiáng)度比普通試塊提升9.165%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的纖維試塊相對(duì)抗壓強(qiáng)度比普通試塊提高3.707%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的纖維試塊相對(duì)抗壓強(qiáng)度比普通試塊增加6.659%.其中以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的纖維試塊抗凍融效果相對(duì)性更好,其相對(duì)抗壓強(qiáng)度相對(duì)于其他的纖維試塊均有1.5%以上的提升,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的纖維試塊更適合于工程實(shí)際的應(yīng)用;隨著凍融次數(shù)的增加,特別是超過120次之后,不管混凝土中是否添加纖維,混凝土的強(qiáng)度都下降為其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度的50%,甚至在增加到160次后試塊強(qiáng)度已經(jīng)在其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的25%上下波動(dòng),說明在凍融120次后,混凝土基本失去強(qiáng)度.

表2 凍融后不同混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度表Table 2 Relative dynamic elastic modulus, mass loss rate and compressive strength of different concrete after freezing and thawing

圖2為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)纖維試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的變更折線圖,由表2數(shù)據(jù)和圖2的曲線可以看出:在凍融循環(huán)0～120次區(qū)間范圍內(nèi)時(shí),各纖維試塊的的相對(duì)模量都在60%以上,普通試塊在達(dá)到120次之后其相對(duì)模量就已經(jīng)降低到了60%以下,而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%的纖維試塊也在凍融循環(huán)160次之后相對(duì)模量下降到60%以下,只有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、2.0%的纖維混凝土在200次凍融循環(huán)后保持著相對(duì)動(dòng)彈性模量在60%之上,但也接近60%,說明纖維對(duì)混凝土的耐久性有較好的提升,但當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)足夠多時(shí),依然會(huì)導(dǎo)致混凝土耐久性下降.由圖2整體曲線走向可以看出,混凝土凍融次數(shù)和相對(duì)動(dòng)彈性模量大致呈一次曲線關(guān)系,混凝土的相對(duì)模量隨混凝土凍融循環(huán)次數(shù)的增長而下降.

圖2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)纖維混凝土凍融循環(huán)與相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系曲線圖

Fig.2 Relationship between freeze-thaw cycles and relative dynamic elastic modulus of concrete with different fiber mass fraction

在圖2中凍融循環(huán)120次以后的纖維試塊的相對(duì)模量變化趨勢(shì)反而逐漸放緩:在0～40次范圍時(shí)相對(duì)模量平均降低了4.994%,在40～80次范圍時(shí)相對(duì)模量平均降低了8.138%,在80～120次范圍時(shí)相對(duì)模量平均降低了11.422%,在120～160次范圍時(shí)相對(duì)模量平均降低了8.623%,在160～200次范圍時(shí)相對(duì)模量平均降低了8.415%.可能的原因是在凍融初期,試塊及材料的初始缺陷在冰凍環(huán)境下得到充足發(fā)展從而引起混凝土的相對(duì)模量降低得過快,當(dāng)混凝土材料的缺陷發(fā)展到一定程度以后,混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量就隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,下降趨勢(shì)相對(duì)平緩下來.

圖3為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量和剩余抗壓強(qiáng)度的關(guān)系折線圖.圖形整體走向基本可以看作正相關(guān).可以大致分為四個(gè)階段:第一階段,是纖維摻量較高的混凝土的剩余抗壓強(qiáng)度百分率在很小的相對(duì)動(dòng)彈性模量范圍內(nèi)(10%)就直接下降了25%,分析原因?yàn)閯傞_始混凝土內(nèi)部骨料不夠緊密,造成強(qiáng)度損失較快;第二階段,剩余抗壓強(qiáng)度為60%～75%時(shí)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化幅度平緩,混凝土的強(qiáng)度得到充分的利用;第三階段,剩余強(qiáng)度為25%～60%,由于凍融循環(huán)的次數(shù)增加,混凝土強(qiáng)度基本被破壞,混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量較第一、第二階段以更快速度下降;第四階段剩余強(qiáng)度為10%～25%,混凝土相對(duì)彈性模量已經(jīng)低于60%,混凝土完全被破壞.

圖3不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和剩余抗壓強(qiáng)度折線圖

Fig.3 Line diagram of relative dynamic elastic modulus and residual compressive strength of concrete with different fiber mass fraction

4 混凝土的質(zhì)量損失率

圖4為凍融循環(huán)試驗(yàn)現(xiàn)象.圖4d顯示的是在凍融循環(huán)120次以后普通混凝土表面脫落、骨料裸露的情況,在此情況下試塊破壞情況嚴(yán)重.

圖4 凍融循環(huán)試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.4 Phenomenon of freeze-thaw test

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維混凝土的凍融與質(zhì)量損失之間的散點(diǎn)圖,其中以軟件ANSYS擬合的曲線數(shù)據(jù)作為參考依據(jù).對(duì)比參考文獻(xiàn)[13]及表2、圖4、圖5可以得出以下結(jié)論.

(1) 普通試塊在凍融循環(huán)120次之后,試塊的質(zhì)量損失率已經(jīng)低于5%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的試塊在凍融循環(huán)160次之后其質(zhì)量損失率同樣超過5%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、1.5%、2.0%的纖維混凝土在本次冰凍范圍內(nèi)質(zhì)量損失率達(dá)標(biāo).說明適量的纖維對(duì)混凝土的耐久性有顯著提升作用.

(2) 由擬合曲線和質(zhì)量損失率的折線作為參考依據(jù),可以看出普通試塊的質(zhì)量損失率沒有明顯變化規(guī)律,甚至在凍融循環(huán)80次附近時(shí)質(zhì)量損失率反而下降,分析原因可能是冰凍造成試塊表面脫落并形成裂縫,模型內(nèi)部骨料中的含水量上升,造成冰凍后混凝土質(zhì)量反而有所提升.

(3) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的纖維混凝土在凍融循環(huán)次數(shù)超過160次以后質(zhì)量損失率超過5%,而當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)纖維的成本和混凝土的攪拌都存在一定的問題,因此認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的纖維混凝土最符合經(jīng)濟(jì)效益和工程實(shí)用.

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維混凝土的凍融循環(huán) 次數(shù)與質(zhì)量損失率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between freeze-thaw cycles and mass loss rate of concrete with different fiber mass fraction

5 結(jié) 論

(1) 水對(duì)冰凍環(huán)境下的混凝土的抗凍性有較大的影響,因此在不改變混凝土強(qiáng)度等的前提下盡可能地降低水灰比是增加其抗凍性的有效措施.

(2) 適量的纖維摻量可以提高混凝土的耐久性,結(jié)合混凝土的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,認(rèn)為當(dāng)纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%左右時(shí)最合適.

(3) 混凝土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加其強(qiáng)度逐步下降,當(dāng)次數(shù)足夠多時(shí),纖維的破壞曲線和普通混凝土類似.

(4) 在工程實(shí)踐中,低溫環(huán)境下的混凝土應(yīng)當(dāng)添加適量的外加劑來達(dá)到延長混凝土工程使用年限的目的,如纖維、減水劑、引氣劑等.

(5) 在凍融環(huán)境下,混凝土的剩余抗壓強(qiáng)度百分率和相對(duì)動(dòng)彈性模量基本成正相關(guān),所以用相對(duì)動(dòng)彈性模量來作為低溫凍融混凝土耐久性能的指標(biāo)是合理的.