凍融作用下聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能

滕 飛，陳升平，段小龍

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

凍融破壞是混凝土結(jié)構(gòu)的主要病害之一，我國(guó)北方地區(qū)大型混凝土結(jié)構(gòu)常受到凍融循環(huán)作用而產(chǎn)生不同程度的破壞，因而混凝土的抗凍性能被看作寒冷地區(qū)混凝土耐久性最重要的指標(biāo)之一［1］?；炷羶鋈谶^(guò)程伴隨著一定程度的混凝土力學(xué)性能衰退現(xiàn)象［2］，研究力學(xué)性能的衰減規(guī)律是分析混凝土凍融耐久性能的重要途徑。

聚丙烯纖維具有抑制裂紋產(chǎn)生，阻止裂紋擴(kuò)散，改善混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期工作性能，提高結(jié)構(gòu)耐久性等特點(diǎn)。聚丙烯纖維混凝土抗凍性能研究也得到許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，國(guó)內(nèi)外在混凝土凍融性能方面已經(jīng)取得了豐碩研究成果［3－13］，但纖維混凝土在凍融作用下的力學(xué)性能衰減規(guī)律及相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析方面的研究較少。本文通過(guò)進(jìn)行聚丙烯纖維混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)聚丙烯纖維混凝土抗凍性能進(jìn)行研究。凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部產(chǎn)生損傷，從宏觀物理性能上來(lái)看，主要表現(xiàn)為動(dòng)彈性模量的下降、表面剝落造成質(zhì)量損失；從力學(xué)性能上來(lái)看，主要表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)的降低。本文通過(guò)改進(jìn)相關(guān)力學(xué)性能隨凍融次數(shù)衰減模型，在聚丙烯纖維混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同纖維摻量條件下混凝土的力學(xué)性能凍融衰減規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨凍融次數(shù)累積的衰減模型。

1 凍融試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方法及試件設(shè)計(jì)

聚丙烯纖維混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C45，采用42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為中粗河沙，粗骨料采用最大粒徑不超過(guò)20mm的頁(yè)巖；聚丙烯纖維選擇長(zhǎng)度為19mm的細(xì)纖維。

混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

按照配合比加入砂石水泥和聚丙烯纖維先干攪30s再加水?dāng)嚢瑁估w維充分分散，攪拌均勻后裝模，用濕布蓋住，放置室溫20±5℃，相對(duì)濕度大于50%的室內(nèi)兩晝夜，然后拆模，外觀檢查，編號(hào)，放入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d。

1.2 凍融試驗(yàn)

試驗(yàn)分為兩個(gè)系列試件，對(duì)第一個(gè)系列試件測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，采用100mm×100mm×100mm混凝土試件；第二個(gè)系列試件用于測(cè)量相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率以及抗折強(qiáng)度，尺寸為100mm×100mm×400mm，試件按0，0.75%，1.5%不同纖維體積摻量分為P1，P2，P3三組，做凍融循環(huán)試驗(yàn)，根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082－2009）的快速凍融法，利用上海三好制冷設(shè)備廠的全自動(dòng)凍融儀進(jìn)行測(cè)試。在試驗(yàn)之前試件需在溫度為20～25℃水中浸泡4d，并且在凍融試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中處于完全浸水狀態(tài)，每一次凍融循環(huán)時(shí)間為4h左右。試件在完全凍結(jié)時(shí)，其中心溫度控制在－17℃左右；完全融化時(shí)，試件的中心溫度控制在8℃左右。凍融循環(huán)次數(shù)每隔25次時(shí)，分別對(duì)每組不同摻量混凝土試件進(jìn)行測(cè)量，最高凍融次數(shù)為200，試件尺寸為100mm×100mm×100mm的試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081－2002）做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分別測(cè)量不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同纖維摻量混凝土試件的抗壓強(qiáng)度；試件尺寸為100mm×100mm×400mm的試件每?jī)鋈谘h(huán)25次將試件取出測(cè)量一次，用共振法測(cè)其橫向共振頻率，用臺(tái)秤稱(chēng)其質(zhì)量，以便得出試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率；試件尺寸為100mm×100mm×400mm的試件每循環(huán)25次分別進(jìn)行三點(diǎn)彎抗折試驗(yàn)測(cè)出不同纖維摻量不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗折強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

凍融循環(huán)次數(shù)為50次時(shí)，三組試件外觀沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，只有少量薄皮脫落，纖維混凝土中聚丙烯纖維沒(méi)有明顯外露，試塊的質(zhì)量損失很小，甚至有些稍微增加的趨勢(shì)，說(shuō)明經(jīng)凍融后混凝土表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，造成試塊內(nèi)部吸水，說(shuō)明破壞程度較輕；當(dāng)凍融循環(huán)到達(dá)100次時(shí)，試塊表面的保護(hù)層開(kāi)始明顯剝落，剝落下來(lái)的粉末狀殘?jiān)黠@增多，纖維混凝土表面由于聚丙烯纖維的作用還殘留沒(méi)有完全脫落下來(lái)的碎塊，開(kāi)始裸露少量骨料；凍融循環(huán)150次，試塊表面保護(hù)層大量剝落，內(nèi)部骨料大部分已裸露在外，0.75%纖維摻量的試塊表面損傷程度要明顯好于素混凝土，由于聚丙烯纖維可緩解溫度變化所引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力作用，阻止微裂縫的擴(kuò)展，試件表面會(huì)殘留大量已產(chǎn)生裂縫卻沒(méi)有完全脫落的結(jié)構(gòu)，隨著纖維摻量的增加，這一現(xiàn)象也越發(fā)明顯，因而質(zhì)量損失率也越?。粌鋈谘h(huán)200次，試塊表面保護(hù)層已基本完全剝落，內(nèi)部骨料完全裸露，甚至有少量體積較小的骨料也脫落下來(lái)，內(nèi)部纖維外露，產(chǎn)生大量粉末狀殘?jiān)?，隨著纖維摻量的增加，試塊表面損傷程度已沒(méi)有明顯區(qū)別。

2.2 質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模

每?jī)鋈?5次將試件拿出用臺(tái)秤測(cè)量質(zhì)量，用共振法測(cè)其橫向共振頻率；混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

其中:Pn表示經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；fn表示n次凍融循環(huán)后試件橫向共振頻率，Hz；f0表示凍融循環(huán)試驗(yàn)前試件橫向共振頻率，Hz。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

混凝土凍融作用下的質(zhì)量損失率

式中:G0為試塊的初始質(zhì)量；Gn為試塊經(jīng)n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 質(zhì)量損失率

圖1、圖2反映了隨著凍融循環(huán)次數(shù)的積累聚 丙烯纖維對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率的影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，材料的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量不斷損失，從圖中可以看出，摻入聚丙烯纖維的P2，P3組，在凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)50次之后的每個(gè)階段，其動(dòng)彈模損失和質(zhì)量損失要小于不摻纖維的混凝土，且高纖維摻量的材料其增益效果要高于低纖維摻量的材料。這說(shuō)明摻入聚丙烯纖維可以有效改善混凝土材料的抗凍性能。凍融次數(shù)在0到25次之間，質(zhì)量損失率不降反升，這是由于混凝土表面并未出現(xiàn)明顯剝落，而表面裂縫開(kāi)裂導(dǎo)致試件吸水所引起的。

圖1 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖2 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的質(zhì)量損失率

2.3 凍融作用下混凝土強(qiáng)度衰減規(guī)律

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，材料的內(nèi)部損傷逐漸累積，混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度也逐漸降低，圖3、圖4較為直觀地反映了隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同聚丙烯纖維摻量的混凝土強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，0.75%纖維摻量的混凝土雖然在初始強(qiáng)度上有所增強(qiáng)，但是隨著凍融次數(shù)的積累，強(qiáng)度衰減速度較快，凍融200次以后強(qiáng)度反而最低，而1.5%纖維摻量的試件，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度都要高于不加纖維的混凝土，雖然遞減速率上并沒(méi)有明顯慢于普通混凝土，但是摻加聚丙烯纖維確實(shí)能夠增加混凝土在凍融循環(huán)條件下的抗壓強(qiáng)度，且1.5%纖維摻量較0.75%纖維摻量擁有更好的抗凍性能。而如圖5所示，相比抗壓強(qiáng)度，加入纖維對(duì)于混凝土的抗折強(qiáng)度有著更為顯著的效果，摻入纖維能夠顯著增加混凝土的抗折能力，兩種不同纖維摻量對(duì)于混凝土的抗折強(qiáng)度影響卻并不顯著?？傮w來(lái)講，加入聚丙烯纖維能夠在強(qiáng)度方面顯著增加材料的抗凍性能，但對(duì)于不同的強(qiáng)度類(lèi)型，不同的纖維摻量所帶來(lái)的強(qiáng)度增益也是不同的。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，1.5%摻量要優(yōu)于0.75%摻量；對(duì)于抗折強(qiáng)度，0.75%摻量要略?xún)?yōu)于1.5%摻量。

纖維混凝土凍融循環(huán)作用下抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度變化規(guī)律見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的抗壓強(qiáng)度

圖4 聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的抗折強(qiáng)度變化

3 凍融作用下纖維混凝土強(qiáng)度衰減模型

大量試驗(yàn)研究表明，混凝土強(qiáng)度與凍融次數(shù)可采用以下模型［13］

由于該模型需滿(mǎn)足當(dāng)N＝0時(shí)，A＝1的邊界條件，不能很好地?cái)M合強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的衰減規(guī)律，所以將該模型改進(jìn)為

式中:f試件在凍融之前的強(qiáng)度，fD為凍融循環(huán)次數(shù)為N時(shí)混凝土的強(qiáng)度值；A、B是與材料、溫度等有關(guān)的常數(shù)。

對(duì)式（1）等號(hào)兩邊兩次取對(duì)數(shù)得

令ln ［ln （f/fD） ］＝Y(jié)，lnN ＝X，即式（2）可以寫(xiě)為一階線性函數(shù)

將實(shí)測(cè)不同凍融次數(shù)下的材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別帶入相關(guān)模型做線性回歸及參數(shù)估計(jì)，材料參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4、表5。

表4 材料抗壓強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)

圖5 材料抗壓強(qiáng)度衰減規(guī)律線性回歸圖

表5 材料抗折強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)

圖6 材料抗折強(qiáng)度衰減規(guī)律線性回歸圖

線性擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上，說(shuō)明纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均符合該模型。通過(guò)有關(guān)參數(shù)分別得出P1、P2、P3不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度衰減模型

不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土的抗折強(qiáng)度衰減模型

式中:fc、ft分別為試件在凍融之前的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，fDc、fDt分別為凍融循環(huán)次數(shù)為N 時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。

但需要指出的是，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中凍融循環(huán)次數(shù)均未超過(guò)200次，所以該模型無(wú)法預(yù)測(cè)材料破壞時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)。

由該力學(xué)性能衰減模型可以發(fā)現(xiàn)，1.5%纖維摻量的混凝土與普通混凝土具有相似的力學(xué)性能衰減規(guī)律，而0.75%纖維摻量的混凝土力學(xué)性能衰退速率較快。

4 結(jié)論

1）摻入聚丙烯纖維在結(jié)構(gòu)上阻礙了混凝土內(nèi)部水壓力的滲透，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)了混凝土的抗凍性能；隨著纖維摻量的增加，混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量損失率和動(dòng)彈模的損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的累積而變緩，說(shuō)明了摻入聚丙烯纖維可以很好地增加混凝土試件的抗凍性能。

2）摻入纖維能夠提高混凝土在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度，但隨著凍融次數(shù)的累積，聚丙烯纖維對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度下降的阻礙并不是十分明顯，但是摻入纖維可以顯著提高抗折強(qiáng)度，纖維摻量對(duì)于抗折強(qiáng)度的提高作用不明顯。

3）改進(jìn)混凝土力學(xué)性能衰減模型，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得出不同纖維摻量聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度 、抗折強(qiáng)度衰減模型。通過(guò)分析相關(guān)系數(shù)，認(rèn)為聚丙烯纖維混凝土凍融之后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度帥衰減規(guī)律比較符合該模型。

［1］ 亢景富，馮乃謙.水工混凝土耐久性問(wèn)題與水工高性能混凝土［J］.混凝土與水泥制品，1997（04）:4-10.

［2］ 衛(wèi) 軍，張曉玲，趙霄龍.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.低溫建筑技術(shù)，2003，92（02）:1-3.

［3］ 牛荻濤，肖前慧.混凝土凍融損傷特性分析及壽命預(yù)測(cè)［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（03）:319-322，328.

［4］ 冀曉東，宋玉普，劉 建.混凝土凍融損傷本構(gòu)模型研究［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2011（03）:461-467.

［5］ 羅 昕，衛(wèi) 軍.凍融條件下混凝土損傷演變與強(qiáng)度相關(guān)性研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（01）:98-100.

［6］ 程紅強(qiáng)，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融損傷試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（S2）:197-200.

［7］ 劉衛(wèi)東，蘇文悌，王依民.凍融循環(huán)作用下纖維混凝土的損傷模型研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008（01）:124-128.

［8］ 姚 武.纖維混凝土的低溫性能和凍融損傷機(jī)理研究［J］.冰川凍土，2005，27（08）:545-549.

［9］ 陳愛(ài)玖，章青，王靜，蓋占方.再生混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)與損傷模型研究［J］.工程力學(xué)，2009（11）:102-107.

［10］Yazdani S，Schreyer H L.Combined plasticity and damage mechanics model for plain concrete［J］.Jour-nal of Engineering Mechanics，1990，116（07）:1405-1450.

［11］龍 源，萬(wàn)文乾，紀(jì) 沖，等.基于 WEIBULL概率分布的鋼纖維混凝土材料損傷演化分析［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（06）:830-832.

［12］嚴(yán)佳川，鄒超英.凍融循環(huán)作用下混凝土材料壽命評(píng)估方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（06）:11-15.

［13］鄒超英，趙 娟，梁 鋒，等.凍融作用后混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律［J］，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29（01）:117-123.