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?？梢钥闯?，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。

［1］Shafigh P，Mahmud H，Jumaat M Z．Effect of steel fiber on the mechanical properties of oil palm shell lightweight concrete［J］．Materials and Design，2011（32）：3926－3932．

［2］楊松霖，刁波．超高性能鋼纖維混凝土力學(xué)性能［J］．交通運輸工程學(xué)報，2011，11（2）：8－13．YANG Songlin，DIAO Bo．Mechanical properties of ultra－h(huán)igh performance steel fiber reinforced concrete［J］．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11（2）：8－13．

［3］Holschemacher K，Mueller T，Ribakov Y．Effect of steel fibres on mechanical properties of high－strength concrete［J］．Materials and Design，2010（3）：2604－2615．

［4］Olivito R S，Zuccarello F A．An experimental study on the tensile strength of steel fiber reinforced concrete［J］．Composites，2010，41：246－255．

［5］陳妤，劉榮桂，付凱．凍融循環(huán)下海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［J］．建筑材料學(xué)報，2009，12（1）：17－21．CHEN Yu，LIU Ronggui，F(xiàn)U Kai．Durability for marine pre－stressed structures with freezing－thawing cycles［J］．Journal of Building Materials，2009，12（1）：17－21．

［6］張士萍，鄧敏，唐明述．混凝土凍融循環(huán)破壞研究進展［J］．材料科學(xué)與工程學(xué)報，2008，26（6）：990－994．ZHANG Shiping， DENG Min， TANG Mingshu．Advance in research on damagement of concrete due to freeze－thaw cycles［J］．Journal of Materials Science ＆Engineering，2008，26（6）：990－994．

［7］葉建雄，陳越，張靖，等．水泥基材料超低溫凍融循環(huán)試驗研究［J］．土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（5）：125－129．YE Jianxiong，CHEN Yue，ZHANG Jin，et al．Experimental analysis of freeze－thaw recycle with ultralow temperature for cementitious material［J］．Journal of Civil，Architectural ＆ Environmental Engineering，2010，32（5）：125－129．

［8］謝曉鵬，高丹盈，趙軍．鋼纖維混凝土凍融和碳化后力學(xué)性能試驗研究［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，38（4）：514－517．XIE Xiaopeng，GAO Danying，ZHAO Jun．Tentative study on the mechanical property under the action of freeze－thaw and carbonation of steel fiber reinforced concrete ［J］． Journal of Xi'an University of Architecture ＆ Technology：Natural Science Edition，2006，38（4）：514－517．

［9］康晶．玻纖－鋼纖維對混凝土抗裂和凍融性能的影響［D］．大連：大連理工大學(xué)，2006．KANG Jing．Influence of glass fiber－steel fiber on the shrinkage resistance and freeze－thaw behaviour of concrete［D］．Dalian：Dalian University of Technology，2006．

［10］Yang Q B，Zhu B R．Effect of steel fiber on the deicerscaling resistance of concrete［J］．Cement and Concrete Research，2005，35：2360－2363．

［11］Pigeon M，Marchand J，Pleau R．Frost resistant concrete ［J］．Construction and Building Materials，1996，10（5）：339－348．

［12］楊全兵．凍融循環(huán)條件下氯化鈉濃度對混凝土內(nèi)部飽水度的影響［J］．硅酸鹽學(xué)報，2007，35（1）：96－100．YANG Quanbing．Effect of sodium chloride concentration on saturation degree in concrete under freeze－thaw cycles［J］．Journal of the Chinese Ceramic Society，2007，35（1）：96－100．

［13］Valenza II J J，Scherer G W．A review of salt scaling：I．phenomenology［J］．Cement and Concrete Research，2007，37（7）：1007－1021．

［14］Valenza II J J，Schere G W．A review of salt scaling：II．mechanisms［J］．Cement and Concrete Research，2007，37（7）：1022－1034．

［15］Powers T C，Helmuth R A．Theory of volume change in hardened portland cement paste during freezing［J］．Highway Research Board，1953，32：85－21．

［16］Powers T C．The air requirement of frost－resistant concrete［J］．Proceeding of the Highway Research Board，1949，29：184－202．

［17］Yazici S，Inan G，Tabak V．Effect of aspect ratio and volume fraction of steel fiber on the mechanical properties of SFRC ［J］．Construction and Building Materials，2007，21：1250－1253．