玄武巖纖維長度對噴射混凝土抗凍性能影響的試驗研究

王先剛， 楊 柳

(四川炬原玄武巖纖維科技有限公司，四川達州 635000)

噴射混凝土材料因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在凍融循環(huán)條件下，耐久性會受到破壞[1-3]，而合適摻量的玄武巖纖維加入噴射混凝土后，其性能會得到提高。

對于噴射混凝土的抗凍性能，已有許多學(xué)者開展了研究。許麗萍等[4]認為影響耐久性指數(shù)的主要要素為混凝土含氣量和水灰比，通過大量的室內(nèi)試驗，建立了混凝土含氣量、水灰比對混凝土耐久性影響的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。李金玉等[5]學(xué)者開展了大量室內(nèi)試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得到了一種可以預(yù)測混凝土凍融損傷的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｍ趿⒕玫萚6]認為相對動彈性模量損傷加速度eg對于混凝土相對動彈性模量損傷的影響最大，并且會導(dǎo)致E/E0非線性減少?；艨》糩7]、溫家寶[8]等學(xué)者基于損傷力學(xué)基本理論，在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，定義了混凝土損傷因子。牛荻濤[9]、劉亞平等[10]在已有試驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)用相關(guān)理論，開展了噴射混凝土抗凍性能的研究。通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，擬合得到了一個一元三次函數(shù)，用于反應(yīng)相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。劉崇熙等[11]基于Isaac Newton的物質(zhì)冷卻定律，開展室內(nèi)試驗，得到了混凝土凍融損傷的指數(shù)模型。此外，寧作君[12]、郝偉[13]、周志云等[14]學(xué)者的研究也提出了類似的指數(shù)模型，其中寧作君同霍俊芳、溫家寶等學(xué)者一樣，同樣基于動彈性模量定義了混凝土損傷因子。賀東青等[15]提出了損傷演變模型，在凍融試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用P值法確定混凝土的初劣點，以初劣點劃分損傷初始階段和擴展階段，得到了混凝土在疲勞作用下的損傷演變規(guī)律。

目前，關(guān)于玄武巖纖維對于混凝土抗凍性能的研究還未成熟。本文通過設(shè)計包括不同摻量玄武巖纖維長度的5組混凝土工況的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗，研究混凝土質(zhì)量損失規(guī)律、相對動彈性模量并基于試驗數(shù)據(jù)建立了損傷預(yù)測模型。

1 試驗設(shè)計

本次試驗旨在測定在凍融循環(huán)下，混凝土試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，以及在凍融循環(huán)后其質(zhì)量和相對動彈性模量的數(shù)值變化，并以此來反映混凝土抗凍性能。試件盒設(shè)計和混凝土快速凍融試驗機如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5組工況，包括鋼纖維噴射混凝土、普通噴射混凝土以及摻入不同長度(6 mm、16 mm、50 mm)的玄武巖纖維噴射混凝土，其中，摻入的玄武巖纖維的材料特性如表1所示。每組工況各制作3塊試件，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，試件的配合比詳見表2。同時，測溫試件采用相同的尺寸，且在其中心埋設(shè)溫度傳感器，并采用防凍液作為凍融介質(zhì)。

表1 玄武巖纖維性能指標

表2 各組試件配合比 單位：kg/m3

2 試驗流程

試驗流程見圖2，凍融循環(huán)過程中，每2～4 h完成一次凍融循環(huán)，并控制用于融化的時間在整個凍融循環(huán)時間的1/4左右。試驗過程中，凍融轉(zhuǎn)換的時間不超過10min，并且嚴格控制試件中心最低(-18±2)℃和最高溫度(5±2)℃。在凍融循環(huán)次數(shù)達到200～300次，或試件的動彈性模量下降到60%時結(jié)束試驗。

圖2 試驗流程

試驗結(jié)果及處理：

(1)相對動彈性模量按式(1)計算。

(1)

式中：Pi為第i個試件的相對動彈性模量(%)在經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的數(shù)值，保留一位小數(shù)；fni為第i個試件的橫向基頻(hz)在經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的數(shù)值；f0i為第i個試件的橫向基頻凍融循環(huán)在試驗前的初始值(Hz)。P為各組試件的相對動彈性模量(%)經(jīng)N次凍融循環(huán)后的數(shù)值，保留一位小數(shù)按式(2)計算。

(2)

(2)單個試件的質(zhì)量損失率為式(3)。

(3)

式中：ΔWni為第i個試件的質(zhì)量損失率(%)經(jīng)N次凍融循環(huán)后的數(shù)值，保留一位小數(shù)；W0i為第i個試件的質(zhì)量(g)在凍融循環(huán)試驗前的初始值；Wni為第i個試件的質(zhì)量(g)經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的數(shù)值。

(3)一組試件的平均質(zhì)量損失率按式(4)計算。

(4)

式中：ΔWn為各組試件的平均質(zhì)量損失率(%)經(jīng)N次凍融循環(huán)后的數(shù)值，保留一位小數(shù)。

試驗結(jié)果理論上不會出現(xiàn)負值，若出現(xiàn)，則取0替換，再取3個試件的平均值。

(4)混凝土抗凍等級用符號F表示，評價標準是在試件滿足相對動彈性模量下降值大于60%以及質(zhì)量損失率小于5%的條件下，其能承受住的最大凍融循環(huán)次數(shù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)后噴射混凝土質(zhì)量損失規(guī)律

當凍融循環(huán)100次后，取出試件，按照式(3)、式(4)計算質(zhì)量損失率，并取算術(shù)平均值，由所得數(shù)據(jù)繪制成圖，得到如圖3、圖4所示的混凝土質(zhì)量損失規(guī)律曲線。

圖3 凍融循環(huán)后噴射混凝土質(zhì)量損失(含BF50)

圖4 凍融循環(huán)后噴射混凝土質(zhì)量損失(無BF50)

從圖4可以看出，總體上質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。

橫向?qū)Ρ雀鲊娚浠炷凉r來看，BF50纖維噴射混凝土質(zhì)量損失率在同期都遠大于普通噴射混凝土，其對抗凍性的增強為負作用。原因是50 mm玄武巖纖維長徑比過大，與噴射混凝土接觸面更多，薄弱面相對混凝土基體與纖維本身強度更低，在凍融循環(huán)過程中，更容易遭受破壞。

由于BF50纖維噴射混凝土與其他工況不具備可比性，在剔除其數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖4對其余工況進一步分析。

在凍融循環(huán)次數(shù)50次之前，各組噴射混凝土較為穩(wěn)定，質(zhì)量損失率較小，但在此階段6 mm玄武巖纖維與鋼纖維摻入，導(dǎo)致噴射混凝土質(zhì)量損失率稍有增加，僅有16 mm玄武巖纖維，在一定幅度上降低了質(zhì)量損失。在凍融循環(huán)次數(shù)超過50達到100次凍融循環(huán)結(jié)束，6 mm玄武巖纖維由于纖維長度過短無法有效粘結(jié)混凝土基體與表層混凝土漿體，因此相比于普通噴射混凝土的質(zhì)量損失率反而稍大。鋼纖維噴射混凝土凍融循環(huán)次數(shù)50次之后，質(zhì)量損失得到控制，但當次數(shù)達到100次時質(zhì)量損失率相比普通噴射混凝土降低12.94%。16 mm玄武巖纖維效果最佳，100次時質(zhì)量損失率相比普通噴射混凝土降低37.6%。

綜上所述，16 mm玄武巖纖維能有效控制質(zhì)量損失，在凍融循環(huán)次數(shù)增大的全過程中，都有效降低了質(zhì)量損失率，效果最佳。鋼纖維效果次之，且在凍融循環(huán)次數(shù)50次之后才逐漸降低質(zhì)量損失率。6 mm玄武巖纖維與普通噴射混凝土表現(xiàn)相差無幾，略有增大。而50 mm玄武巖纖維效果不佳，加劇質(zhì)量損失。

3.2 凍融循環(huán)后噴射混凝土相對動彈性模量降低規(guī)律

混凝土動彈性模量的大小取決于其內(nèi)部組成，其大小與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)；混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實程度取決于微裂縫和微孔洞的大小和數(shù)量，并且呈負相關(guān)。在凍融循環(huán)中，混凝土內(nèi)部微裂紋在凍脹力的作用下不斷擴展，并且有害微孔洞含量也隨之增加，進而導(dǎo)致混凝土動彈性模量減小。凍融循環(huán)100次后，按照式(1)、式(2)計算相對動彈性模量。并取算術(shù)平均值，由所得數(shù)據(jù)繪制成圖5。

圖5 凍融循環(huán)后噴射混凝土相對動彈性模量變化折線

從圖5可以看到，噴射素混凝土在凍融循環(huán)過程中，相對動彈性模量的降低呈現(xiàn)初期快速，中期穩(wěn)定，后期增大的趨勢。噴射素混凝土內(nèi)部存在初始缺陷，在凍脹力的作用下，前期發(fā)展迅速，導(dǎo)致試件相對動彈性模量在初期呈現(xiàn)快速下降的趨勢。而隨著凍融循環(huán)的進行，內(nèi)部缺陷發(fā)展速度漸緩，相對動彈性模量下降幅度減小，趨于穩(wěn)定。當凍融循環(huán)繼續(xù)，內(nèi)部損傷積累到一定值的時候，在膨脹壓力和滲透壓力的作用下，微裂紋和微孔洞不斷發(fā)展，同時初始缺陷也開始繼續(xù)發(fā)展，進而導(dǎo)致凍融循環(huán)后期試件的相對動彈性模型驟降。

當摻入鋼纖維后，試件相對動彈性模量下降幅度相對噴射素混凝土有所改善，但變化趨勢與噴射素混凝土相同。

摻入玄武巖纖維后，試件相對動彈性模量隨凍融循環(huán)的下降值相比噴射素混凝土、鋼纖維混凝土進一步改善。BF6表現(xiàn)與SF相差無幾，兩者對于相對動彈性模量的影響極為接近。BF16表現(xiàn)效果最佳，相比噴射素混凝土全面提升，最終循環(huán)次數(shù)100次時，相對動彈性模量下降至86.0，相比噴射素混凝土，提升幅度為31.99%。

3.3 玄武巖纖維噴射混凝土損傷預(yù)測模型

由于試驗設(shè)置，只進行了100次凍融循環(huán)下混凝土試件的強度試驗，因此其數(shù)據(jù)不足以支撐損傷模型的建立。最終參考寧作君[12]對于損傷因子的定義，采用動彈性模量為參考依據(jù)，確定損傷因子見式(5)。

(5)

式中：D(N)為第N次凍融后混凝土損傷度；EN為第N次凍融后混凝土動彈性模量；E0為凍融循環(huán)前混凝土的動彈性模量。

由于以動彈性模量作為損傷因子判定依據(jù)，根據(jù)規(guī)范[16]規(guī)定，動彈性模量公式見式(6)：

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(6)

因此根據(jù)結(jié)合損傷因子定義可得式(7)：

(7)

式中：P為相對動彈性模量。

由于相對動彈性模量不允許低于60%，所以凍融損傷因子最大為0.4。

對于噴射混凝土在凍融過程中的損傷研究，作出幾點假設(shè)：

(1)噴射混凝土的初始凍融損傷為0。

(2)損傷值是隨著噴射混凝土凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加的。

(3)僅考慮凍融損傷是凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)，不考慮凍融速率、孔隙率等其他因素對凍融損傷的影響。

通過對試驗數(shù)據(jù)的整理，得到凍融損傷因子隨凍融循環(huán)次數(shù)增加試驗結(jié)果曲線，見圖6。

圖6 凍融損傷因子曲線

根據(jù)凍融損傷因子試驗數(shù)據(jù)曲線，決定采用一元三次型凍融損傷模型見式(8)。

D(N)=A+BN+CN2+DN3

(8)

據(jù)此對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見表3。

表3 經(jīng)驗損傷擬合結(jié)果

由于相對動彈性模量不允許低于60%，根據(jù)前面公式推導(dǎo)，即凍融損傷因子最大不超過64%，據(jù)此得到凍融循環(huán)最大次數(shù)預(yù)測值，見表4。

表4 凍融損傷經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢鋈趽p傷最大次數(shù)預(yù)測值

4 結(jié)論

本文在噴射混凝土中摻入摻量相同(4 kg/m3)不同長度(6 mm，16 mm，50 mm)的玄武巖纖維(BF)，通過室內(nèi)快速凍融循環(huán)試驗，與鋼纖維噴射混凝土(SF)以及普通噴射混凝土(PC)進行對比，得到結(jié)論：

BF50對噴射混凝土抗凍性能的提高不明顯，在對混凝土的質(zhì)量損失的貢獻中，相較于PC和SF為負作用。

BF6能對噴射混凝土在凍融循環(huán)中的質(zhì)量損失和抑制相對動彈性模量的下降中起到一定的作用，但改善效果與SF相近。

BF16在整個凍融循環(huán)中，相較于PC和SF，能有效地控制質(zhì)量損失以及改善噴射混凝土相對動彈性的下降，并且根據(jù)建立的凍融損傷經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其最大凍融循環(huán)次數(shù)預(yù)測值達到了149次，為5種工況中最高。說明16 mm長度玄武巖纖維對增強噴射混凝土的抗凍性能效果最佳。