玄武巖纖維混凝土抗凍性及損傷劣化模型研究

楊 海 林子增 虞業(yè)強(qiáng)

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,四川 成都 610041;2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210000)

在我國,有53.5%的土地位于寒冷地帶[1]。對于處在寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)而言,由于常常處于負(fù)溫環(huán)境,凍融循環(huán)時常發(fā)生,極易在混凝土表面產(chǎn)生剝落、開裂的跡象,對混凝土造成特別大的破壞,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全使用壽命[2-3]。研究表明,在混凝土中摻加纖維,會較好地改善混凝土的強(qiáng)度、韌性以及耐久性[4-5],玄武巖纖維(Basalt Fiber,BF)因具有耐高溫、綠色、環(huán)保、價格低等優(yōu)點(diǎn),成為了增強(qiáng)纖維混凝土的研究主題,玄武巖纖維混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)作為一種新型復(fù)合材料引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-8]。

鑒于此,本文通過在基準(zhǔn)通混凝土中摻加不同長度、不同體積摻量的BF后,開展了凍融循環(huán)對BFRC損傷劣化規(guī)律的研究,并利用壓汞(MIP)測試方法探究了孔隙的變化規(guī)律,然后根據(jù)損傷力學(xué)理論,以相對動彈性模量作為參量,根據(jù)收集的試驗數(shù)據(jù)分別采用指數(shù)函數(shù)和二次多項函數(shù)構(gòu)建了BFRC凍融損傷劣化模型,以期為BFRC在北方地區(qū)的推廣及應(yīng)用提供可靠的參考。

1 試 驗

1.1 材料和配合比

水泥采用南京某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5R級水泥;

粗骨料采用粒徑為5～20mm的連續(xù)級配碎石,表觀密度為2.72g/cm3;

細(xì)骨料采用天然河砂,細(xì)度模數(shù)為2.78;

粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰,表觀密度為2.3g/cm3;

減水劑采用聚羧酸減水劑,其減水率可達(dá)31.5%;

拌和水采用飲用自來水;

纖維采用長度為9mm、12mm的BF,其性能參數(shù)見表1。

表1 BF的性能指標(biāo)

基準(zhǔn)混凝土配合比為m水泥∶m石子∶m河砂∶m粉煤灰∶m自來水=1.00∶3.25∶1.75∶0.25∶0.56,減水劑摻量為1.5%,BFRC配合比見表2。

表2 BRFC配合比 單位:kg/m3

1.2 過程與方法

本試驗為了保證BF在混凝土中均勻分散,采用多次投料的方法進(jìn)行,具體的步驟如下:

a.將碎石、河砂、水泥和粉煤灰倒入攪拌機(jī)中,干拌30s。

b.摻加80%的自來水,濕拌后再加入BF攪拌均勻。

c.將剩余20%的自來水與減水劑融合后,倒入混凝土攪拌機(jī)中攪拌。

d.將攪拌完成后的混凝土緩慢倒入模具內(nèi)(模具有兩種,尺寸分別為100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×100mm),并將模具中的混凝土振搗密實后抹平表面。

e.將混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h后拆除模具,拆模后立即放入溫度為(20±2)℃、相對濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d。

在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗之前,將BFRC試塊置于(18±2)℃的水中,BRFC試塊上表面距離水面20～30mm,在水中浸泡5d后進(jìn)行快速凍融試驗,但在整個凍融試驗過程中,需確保BRFC試塊完全浸水。在快速凍融試驗過程中,試塊最低中心溫度控制在(-19±2)℃,最高中心溫度控制在(8±2)℃。每凍融循環(huán)25次為一周期,一次凍融循環(huán)大約4h,凍融次數(shù)達(dá)到300次時終止試驗。

在每一循環(huán)周期結(jié)束后,首先測定尺寸為100mm×100mm×400mm的BRFC棱柱體試塊的質(zhì)量以及橫向基頻,然后計算出BRFC的質(zhì)量損失率Wn以及相對動彈模量Pn,分別見式(1)和式(2);在每一循環(huán)周期結(jié)束后,對尺寸為100mm×100mm×100mm的BRFC立方體試塊分別進(jìn)行抗壓、劈裂抗拉試驗,試驗根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行;每4個循環(huán)周期結(jié)束后對BRFC試塊進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試試驗,測試方法采用壓汞測試法(MIP),儀器選用全自動壓汞測孔儀,其測孔范圍為3.0～3.6×104nm。

(1)

(2)

式中:M0為凍融循環(huán)0次BRFC試塊的質(zhì)量;Mn為凍融循環(huán)n次后BRFC試塊的質(zhì)量;f0為凍融循環(huán)0次BRFC試塊的橫向共振頻率;fn為凍融循環(huán)n次后BRFC試塊的橫向共振頻率。

2 試驗分析

2.1 質(zhì)量損失率

凍融循環(huán)下BRFC試塊的質(zhì)量損失率的變化規(guī)律見圖1。從圖1可以看出,在凍融循環(huán)下,BRFC試塊質(zhì)量損失率表現(xiàn)為先降后升。整個凍融循環(huán)過程大致可分為兩個階段:第一階段,質(zhì)量增長期;第二階段,質(zhì)量減少期。

圖1 在凍融循環(huán)下BRFC的質(zhì)量損失率的變化規(guī)律

當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到50次時,7組BRFC試塊的質(zhì)量損失率均出現(xiàn)了負(fù)增長的現(xiàn)象,即BRFC試塊質(zhì)量增加,這是因為在凍融循環(huán)初期,凍融循環(huán)對BFRC試塊的破壞相對較弱,破壞導(dǎo)致BFRC試塊外表層剝離的砂漿質(zhì)量低于BRFC試塊吸收水分的質(zhì)量,因此BFRC試塊的質(zhì)量有所增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增加,BFRC試塊表面裂縫逐步擴(kuò)大,BFRC表層的砂漿持續(xù)脫落,且脫落的質(zhì)量遠(yuǎn)大于微裂縫吸收水分的質(zhì)量。凍融循環(huán)達(dá)到150次以后,PC的質(zhì)量損失率開始大幅度增加,而摻加BF的6組試塊的質(zhì)量損失率仍以較為平緩速率增長。

在凍融循環(huán)300次時,PC、BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的質(zhì)量損失率分別為3.86%、2.42%、2.04%、2.22%、2.68%、2.38%、2.49%,PC的質(zhì)量損失率分別是BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的160%、189%、174%、144%、162%、155%,可以明顯看出:摻加不同長度、不同體積摻量的BF對混凝土質(zhì)量損失率變化規(guī)律的影響并不明顯,但BF摻加對混凝土延緩質(zhì)量損失有很大幫助,這是因為BF在混凝土中亂向分布,增加了其整體性,并且BF的拉結(jié)作用對混凝土開裂具有良好的抑制效果,可約束其外部損傷,使其表層砂漿不易脫落。

2.2 相對動彈性模量

凍融循環(huán)下BFRC試塊的相對動彈性模量的變化規(guī)律見圖2。從圖2可以看出,在前50次的凍融循環(huán)過程中,7組BRFC試塊的相對動彈性模量下降較為平緩,下降幅度很小,這是因為凍融循環(huán)破壞是從混凝土表層慢慢發(fā)展到內(nèi)部的過程,在凍融前期,主要是混凝土的表層發(fā)生凍融損傷,而混凝土內(nèi)部凍融損傷較輕。此后,隨著凍融次數(shù)的增加,7組BRFC試塊的相對動彈性模量下降幅度逐漸增大,這是由于這種凍融損傷隨著次數(shù)的增加逐漸由外層向內(nèi)層擴(kuò)展,混凝土內(nèi)部逐漸發(fā)生凍融損傷劣化。在凍融循環(huán)50次后,7組BRFC試塊的相對彈性模量下降幅度明顯不同,其中PC下降幅度最為明顯,在曲線圖中一直處于最下方,而另外6組BRFC試塊的相對動彈性模量都在PC的上方,BF9-1.0處在圖的最上方,BF9-0.5、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的相對動彈性模量介于PC與BF9-1.0之間。BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5相比,PC的相對動彈性模量下降最為迅速,而其他6組BRFC試塊的相對動彈性模量下降較為平緩,凍融損失增加較為緩慢,這就說明BF能有效改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),抑制混凝土微裂縫的擴(kuò)大,減弱凍融循環(huán)對混凝土的損傷程度,對延緩混凝土相對彈性模量的下降起到了有利作用。凍融循環(huán)300次時,PC、BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的相對彈性模量分別為56.5%、68.7%、73.7%、70.6%、64.5%、69.4%、67.6%,BF9-1.0的相對動彈性模量最大,當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到300次時,BF9-1.0的相對動彈性模量為PC的130%,即7組試塊中BF9-1.0內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為密實,說明摻加長度為9mm、體積摻量為1.0mg/m3的BF對混凝土抗凍性能的改善效果更好。

圖2 在凍融循環(huán)下BFRC的相對動彈性模量的變化規(guī)律

2.3 抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度

凍融循環(huán)下BFRC試塊的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度及其損失率的變化規(guī)律見圖3和圖4。從圖3和圖4可以看出,在前50次的凍融循環(huán)中,7組試塊的強(qiáng)度基本維持不變,下降幅度較小。隨著凍融次數(shù)的增加,7組試塊的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度曲線均開始出現(xiàn)明顯的下降。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,混凝土試塊的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度從高到小依次為:BF9-1.0>BF9-1.5>BF12-1.0>BF9-0>BF12-0.5>BF12-1.5>PC,說明摻加BF能提高混凝土的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度,這是因為BF在混凝土中呈現(xiàn)無序排列狀態(tài),對混凝土起到了增強(qiáng)與增韌作用[10,18]。凍融循環(huán)300次時,PC、BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的抗壓強(qiáng)度損失率分別為54.03%、38.98%、34.09%、34.88%、39.50%、37.07%、41.36%;BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的劈裂抗拉強(qiáng)度損失率分別為50.09%、34.10%、31.66%、32.72%、35.43%、32.96%、37.65%,說明摻加BF能延緩混凝土試塊的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的下降幅度,有效地提高試塊的抗凍性。此外,相比BF9-0.5、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5,BF9-1.0的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度損失率最低,PC的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度損失率分別是BF9-1.0的158%、161%,說明BF9-1.0具有更加優(yōu)異的抗凍融能力。

圖3 凍融循環(huán)下BRFC抗壓強(qiáng)度及其損失率的變化規(guī)律

圖4 在凍融循環(huán)下BRFC劈裂抗拉及其損失率的變化規(guī)律

2.4 孔隙率及孔隙分布

首先將凍融循環(huán)0次、100次、200次、300次的混凝土試塊,置于烤箱中烘干至恒重,然后將試塊敲成5mm左右的顆粒狀樣品,最后稱3.5～4.0g的顆粒狀樣品進(jìn)行壓汞測試?？紫督Y(jié)構(gòu)按孔徑大小大致可分為如下3類:小孔(D<0～100nm)、中孔(D=100～1000nm)、大孔(D>1000nm)[19-20]。

圖5為凍融循環(huán)下PC孔隙分布變化圖。由圖5可知,在凍融循環(huán)前期,PC內(nèi)部孔隙主要以小孔為主,占比可達(dá)70.86%,中孔、大孔各占17.79%和11.35%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,中孔與大孔的占比越來越大,當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次時,大孔的占比大大增加,達(dá)到了31.17%,BFRC試塊發(fā)生了明顯的劣化,這就說明凍融損傷破壞是混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)逐漸演變的結(jié)果,在滲透壓力與凍脹力的作用下,小孔隙逐步發(fā)展成中孔、大孔,進(jìn)而產(chǎn)生微裂隙,導(dǎo)致漿體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖5 在凍融循環(huán)下PC孔隙分布變化情況

BFRC試塊在凍融循環(huán)過程中的孔隙分布變化見表3?？梢钥闯?在相同凍融條件下,BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF12-1.5的中孔與小孔的占比之和明顯高于對照組PC,說明摻加BF可以有效提高混凝土中孔和小孔的占比,降低大孔的占比,對混凝土的孔隙分布有著明顯的改善作用。此外,相比BF9-0.5、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF12-1.5,BF9-1.0的小孔和中孔的占比更高,這說明BF9-1.0的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

3 凍融損傷劣化模型

凍融循環(huán)作用對混凝土的破壞由外向內(nèi)逐漸減弱,并且縱波傳播速度變化較小,故采用相對動彈性模量定義凍融損傷較為合理[21],可對損傷程度進(jìn)行較好的評價。本文基于相對動彈性模量的變化規(guī)律,根據(jù)混凝土凍融損傷力學(xué),分別構(gòu)建了指數(shù)函數(shù)、二次多項函數(shù)凍融損傷模型,并預(yù)測了BFRC在北方地區(qū)的使用壽命。

表3 在凍融循環(huán)下BFRC的孔隙分布變化 單位:%

3.1 指數(shù)函數(shù)模型

根據(jù)凍融損傷力學(xué)定義混凝土損傷度DE:

DE=1-EN/E0

(3)

式中:E0為BFRC試塊凍融循環(huán)0次的動彈性模量;EN為BRFC試塊凍融循環(huán)N次的動彈性模量。

基于由式(3)計算出的混凝土凍融損傷度DE1,構(gòu)建指數(shù)函數(shù)凍融損傷模型(Boxlucas1 Mod模型),如式(4)所示,擬合曲線見圖6,擬合結(jié)果見表4。

圖6 凍融循環(huán)下混凝土凍融損傷度DE1的擬合曲線

表4 指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

DE1=a(1-bN)

(4)

式中:N為凍融循環(huán)次數(shù);a、b為模型的待定系數(shù)。

圖6為凍融循環(huán)次數(shù)下凍融損傷度DE1的擬合曲線。由圖6可知,隨著凍融次數(shù)的增加,凍融損傷度DE1不斷增大。凍融循環(huán)0～50次時,7組試塊的損傷度接近,隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加,PC與摻加BF的6組試塊的差異逐漸擴(kuò)大。75次凍融循環(huán)后,PC損傷度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于BFRC,說明摻加BF,可以延緩和抑制混凝土的破壞,提高混凝土的抗凍性能。表4為指數(shù)函數(shù)損傷模型的擬合結(jié)果,相關(guān)系數(shù)R2很高,均在99%以上。

3.2 二次多項函數(shù)模型

在凍融循環(huán)試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)凍融損傷力學(xué)定義混凝土凍融損傷度DE2,利用二次多項函數(shù),構(gòu)建混凝土凍融損傷定量數(shù)學(xué)模型,如式(5)所示,擬合曲線見圖7,擬合結(jié)果見表5。

圖7 凍融循環(huán)下混凝土凍融損傷度DE2的擬合曲線

表5 二次多項函數(shù)擬合結(jié)果

DE2=aN2+bN+c

(5)

式中:N為凍融循環(huán)次數(shù);a、b、c為損傷模型的待定系數(shù)。

圖7為凍融循環(huán)次數(shù)下凍融損傷度DE2的擬合曲線圖,由圖7可知,摻加BF試塊的凍融損傷以及損傷速率都明顯小于未摻加BF的PC,其中摻加長度為9mm、體積摻量為1.0kg/m3的BFRC對減緩凍融損傷以及損傷速率的效果最佳。7組BRFC試塊試驗數(shù)據(jù)與擬合曲線吻合程度很高,可以很好地反映在凍融循環(huán)次數(shù)下BFRC損傷規(guī)律。二次多項函數(shù)擬合結(jié)果見表5,可以看出,二次多項函數(shù)損傷模型的相關(guān)系數(shù)R2在99%以上。

指數(shù)函數(shù)和二次多項函數(shù)所構(gòu)建的凍融損傷模型相關(guān)系數(shù)R2均接近1,這就表明兩種函數(shù)所構(gòu)建的凍融損傷模型的擬合精度均很高,均可以對BFRC凍融損傷程度進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。

3.3 BFRC壽命預(yù)測

采用指數(shù)函數(shù)凍融損傷模型(Boxlucas1 Mod模型),對BFRC的抗凍使用壽命進(jìn)行預(yù)測,計算BFRC的相對動彈性模量降為初始60%所對應(yīng)的凍融次數(shù)。每年我國西北、東北、華北各地區(qū)的平均凍融循環(huán)次數(shù)分別為120次、118次、84次[22],基于我國現(xiàn)行規(guī)范室內(nèi)快速凍融循環(huán)一次大致相當(dāng)于自然環(huán)境下凍融循環(huán)10～15次,本文按10次計算我國北方各地區(qū)BFRC的使用壽命,結(jié)果見圖8。

圖8 BFRC抗凍使用壽命預(yù)測

由圖8可知,BFRC在北方各地區(qū)的使用壽命明顯高于PC,摻加BF能顯著提升混凝土抗凍性能,其中BF9-1.0提升幅度最大。凍融損傷模型的構(gòu)建不僅可以對BFRC在凍融循環(huán)環(huán)境下的使用壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測,也可為北方地區(qū)BFRC的推廣應(yīng)用提供可靠的參考。

4 結(jié) 論

a.在凍融循環(huán)初期,7組BFRC的質(zhì)量損失率均表現(xiàn)出“負(fù)增長”;隨著凍融過程的持續(xù),BFRC的質(zhì)量損失率逐步上升,而相對動彈性模量以及抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度逐步下降;通過分析發(fā)現(xiàn),摻加BF可有效降低混凝土試塊的質(zhì)量損失率以及抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度的損失率,提高相對動彈性模量以及抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度。

b.摻加BF能夠減緩混凝土凍融破壞,提高抗凍性,其中,BF9-1.0抗凍性能最優(yōu),凍融循環(huán)300次時,BF9-1.0的相對動彈性模量為PC的130%,PC的質(zhì)量損失率以及抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度損失率分別是BF9-1.0的130%、158%、161%。

c.MIP結(jié)果顯示,PC凍融循環(huán)300次后,大孔的占比明顯提高,占比提高至31.17%,這說明凍融損傷破壞是混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)逐漸演變的結(jié)果;在相同的凍融條件下,BFRC的小孔與中孔占比之和明顯高于PC,說明摻加BF對混凝土的孔隙分布有著明顯的改善作用。

d.基于指數(shù)函數(shù)和二次多項函數(shù)構(gòu)建了以相對動彈性模量為損傷變量的損傷模型。通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析,發(fā)現(xiàn)兩種函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2均在99%以上,擬合精度高,可以準(zhǔn)確預(yù)測BFRC的凍融損傷程度。