湯 昊周元強白閏平

(1.江蘇省電力公司揚州供電公司，江蘇揚州 225009; 2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京 211102; 3.同濟大學，上海 200092; 4.南京水利科學研究院，江蘇南京 210029)

聚丙烯纖維混凝土的抗凍融特性試驗研究★

湯 昊1周元強2白閏平3，4*

(1.江蘇省電力公司揚州供電公司，江蘇揚州 225009; 2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京 211102; 3.同濟大學，上海 200092; 4.南京水利科學研究院，江蘇南京 210029)

通過開展聚丙烯纖維混凝土的凍融循環(huán)試驗，探討了聚丙烯纖維摻量對混凝土的抗凍融性能的影響，試驗結(jié)果表明:在混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維可改善混凝土的抗凍融性能，聚丙烯纖維均勻的分布在混凝土中，當混凝土中水泥石受到凍結(jié)產(chǎn)生拉應(yīng)力時，分布在毛細孔中的聚丙烯纖維可以承受部分拉應(yīng)力，從而減小了水泥石承受的拉應(yīng)力，達到改善混凝土抗凍融性能的目的。

聚丙烯纖維混凝土，質(zhì)量損失率，動彈性模量，凍融循環(huán)

0 引言

從19世紀20年代，波特蘭水泥問世到今天，混凝土慢慢成為了人類主要使用的建筑材料，人類的文明很大程度是由不同年代的建筑物記錄下來的，為了使人類文化代代相傳，就需要建筑物具有良好的耐久性［1］。截止到21世紀初，中國的已有建筑中，有相當大的一部分由于耐久性不夠而提前報廢［2］。我們地球上有很多國家分布在高緯度的嚴寒地區(qū)，例如:北美、北歐等地，這類地區(qū)的混凝土建筑物，經(jīng)常處于凍融的環(huán)境中，因凍融而破壞，維修凍融破壞的建筑物的費用支出較大［3］。20世紀初，某些研究工作表明，引起混凝土結(jié)構(gòu)失效的原因按照主次順序，依次為鋼筋銹蝕、凍融破壞和海水侵蝕作用［4］。余紅發(fā)等認為混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，主要不是鋼筋銹蝕引起的，而是由凍融破壞引起的［5］。李金玉等認為混凝土結(jié)構(gòu)只要處在零上和零下溫度交替的情況下，而且孔隙中有水，不論溫度多么低，都會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍融破壞，這說明在我國華東地區(qū)也可能出現(xiàn)混凝土的凍融破壞，可見混凝土的凍融破壞的分布超出了我們理解的寒區(qū)，在我國華東地區(qū)的混凝土建筑物也有可能產(chǎn)生凍害［6］。

凍融破壞是我國北方水工建筑物在運行過程中的主要病害，研究混凝土的抗凍融特性對混凝土結(jié)構(gòu)的安全運行非常重要，對混凝土耐久性理論的發(fā)展具有深遠意義。在工程應(yīng)用中主要通過提高混凝土的含氣量，去提高混凝土的抗凍融特性，而且效果顯著。但是，近年來的一些新型混凝土(比如纖維混凝土等)的抗凍融性能，研究相對較少，本文通過開展聚丙烯混凝土的凍融循環(huán)試驗，來初步探討聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性能。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其各項品質(zhì)指標，如表1所示。

表1 水泥的物理性質(zhì)指標

細集料、粗集料、減水劑以及聚丙烯纖維的各項物性指標見表2～表5。

表2 砂的主要物理性質(zhì)指標

表3 卵石的主要物理性質(zhì)指標

表4 減水劑的主要技術(shù)性能指標

表5 聚丙烯纖維的主要物理性能及其他性能指標

1.2 試件的制備與分組

各混凝土試件的配比見表6和表7;試件尺寸為400 mm× 100 mm×100 mm，養(yǎng)護齡期為28 d。

表6 基準混凝土的配合比 kg/m3

表7 混凝土配合比和分組情況 kg/m3

1.3 試驗方法及主要儀器

凍融試驗中，每個凍融循環(huán)均在(2～4)h內(nèi)完成，融化的時間均大于整個凍融循環(huán)時間的1/4。凍融試驗前將試件在(20± 2)℃的水中浸泡4 d，使其達到充分飽水狀態(tài)。每達到一次目標凍融循環(huán)次數(shù)后，則測定一次混凝土試件的質(zhì)量和動彈模，然后放回凍融機繼續(xù)開展凍融試驗，直至達到最終的凍融次數(shù)或者達到凍融破壞。

圖1為本次試驗的凍融機;圖2為動彈模測定儀。

圖1 全自動混凝土凍融試驗機

圖2 動彈性模量測定儀

混凝土試件的相對動彈性模量應(yīng)按下式計算:

其中，ENi為經(jīng)N次凍融循環(huán)后第i個混凝土試件的動彈性模量;Ei為凍融循環(huán)試驗前第i個混凝土試件的動彈性模量。

混凝土試件的質(zhì)量損失率應(yīng)按下式計算:

其中，Mi為凍融循環(huán)試驗前第i個混凝土試件的質(zhì)量;MNi為N次凍融循環(huán)后第i個混凝土試件的質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)后混凝土抗剝落性能的變化

圖3a)和圖3b)中，不同強度的混凝土在凍融循環(huán)中均表現(xiàn)為:經(jīng)受輕微凍融時(50次凍融循環(huán))，表面幾乎完好，沒有混凝土從表面剝落，隨著凍融的加劇，凍害逐漸從表面向內(nèi)部發(fā)展，當經(jīng)受較多凍融循環(huán)后(200次)，混凝土出現(xiàn)較為嚴重的破壞;混凝土中的聚丙烯可以減少混凝土在凍融過程中的質(zhì)量損失，小于一定量的情況下，聚丙烯含量越高，凍融過程中的表面剝落量也越小，但是超過一定摻量，反而會增大在凍融過程中的剝落量(圖3a)和圖3b)中，聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3時，試件的質(zhì)量損失率均增大)。由圖3c)可看出，混凝土的強度越高，凍融過程中表面剝落現(xiàn)象越不明顯(相同條件下，C50混凝土的表面剝落程度低于C30混凝土)。

圖3 混凝土試件凍融循環(huán)次數(shù)和質(zhì)量損失率的關(guān)系

2.2 凍融循環(huán)后混凝土動彈性模量的變化

由圖4a)和圖4b)可看出，不同強度的混凝土在凍融循環(huán)過程中，凍害損傷的變化規(guī)律均呈現(xiàn)出如下的趨勢:不同強度的混凝土，在凍融過程的進行中，損傷不斷累積，漸漸增大，當達到200次凍融循環(huán)后，混凝土的凍融損傷發(fā)展到相對較高的程度;混凝土中的聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗凍融損傷性能，纖維含量越高，對混凝土的抗凍融損傷性能提高越顯著，但是超過一定摻量后，反而會減小混凝土的抗凍融損傷性能(圖4a)和圖4b)中，高摻量混凝土在凍融循環(huán)過程中，抗凍融損傷性能均有反彈現(xiàn)象出現(xiàn))。由圖4c)可看出，相同條件下，高強度混凝土的抗凍融損傷性能，高于低強度混凝土的抗凍融損傷性能，C50高于C30的抗凍融損傷性能。

2.3 聚丙烯纖維混凝土的抗凍融機理分析

當?shù)蜏赜龅交炷翗?gòu)件時，先從混凝土表面開始，降低混凝土孔隙中自由水的溫度，當溫度達到冰點后，水開始結(jié)冰，結(jié)冰后的水體積開始膨脹，將剩余的自由水壓入其他的孔隙通道中。低溫繼續(xù)在混凝土構(gòu)件的表面蔓延，當表面孔隙的自由水全部結(jié)冰后，低溫不斷向混凝土構(gòu)件內(nèi)部深入，在深入的過程中構(gòu)件外層沒有結(jié)冰的自由水，被外層的冰擠壓進入內(nèi)部的孔隙，在低溫作用下結(jié)冰的范圍逐漸從外層向內(nèi)層深入，孔隙水不斷被擠壓，當水進入一些不流通的孔隙的時候，便會產(chǎn)生越來越大的應(yīng)力，當應(yīng)力超過混凝土中水泥石的抗拉強度后，便會在混凝土的某部分產(chǎn)生裂紋。伴隨著凍融過程的發(fā)生，裂紋會不斷擴展，不斷增多，直至將混凝土破壞［7-10］。

圖4 混凝土試件凍融循環(huán)次數(shù)和相對動彈性模量的關(guān)系

當今，改善混凝土抗凍融性能的主要方法是在混凝土中加入引氣劑，使混凝土的含氣量提高。文中試驗所反映的規(guī)律可看出，混凝土中加入聚丙烯纖維也可以提高混凝土的抗剝落性能和抗凍融損傷性能，筆者認為主要原因是聚丙烯纖維的配制過程中，聚丙烯纖維的加入是分時段，邊攪拌邊加入，分布比較均勻分散，當聚丙烯纖維遇到混凝土中的毛細孔隙時，在毛細孔中均勻穿過，當毛細孔中壓力增大時，聚丙烯纖維可以充當水泥石中的加強筋，承受部分拉應(yīng)力，可以緩解水泥石所受的比較強的應(yīng)力，最終提高混凝土的抗凍融開裂性能?；炷翗?gòu)件的表面微裂紋的擴展，就是表面剝落的主要原因，這也就提高了混凝土的抗剝落性能?；炷翗?gòu)件的內(nèi)部裂紋擴展，是混凝土構(gòu)件內(nèi)部損傷的主要原因，從而也提高了混凝土的抗凍融損傷性能。當聚丙烯纖維含量太大，會把混凝土的內(nèi)部孔隙全部連通，這樣混凝土內(nèi)部的密閉孔隙變少，對混凝土抗凍融特性的提高不利，反而降低了混凝土的抗凍融特性，所以聚丙烯纖維摻量不宜過大，在實際工程中必須通過試驗嚴格控制聚丙烯纖維的摻量，從而達到提高抗凍融特性的目的。

文中試驗還可看出，高強度混凝土的抗凍融性能優(yōu)于低強度混凝土，因為高強度混凝土材料的強度極限高于低強度混凝土的強度極限，在承受相同程度的凍害時，也就是內(nèi)部孔隙承受相同程度的拉應(yīng)力時，高強混凝土可以承受更大的拉應(yīng)力，而不至達到破壞;低強度混凝土不能承受太大的拉應(yīng)力，過早破壞，所以高強混凝土的抗凍融特性，優(yōu)于低強度混凝土。

3 結(jié)語

混凝土中加入聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗凍性，但是摻量不宜過大，摻量過大不僅不能提高抗凍性，反而會適得其反。工程實際中必須通過試驗確定聚丙烯纖維摻量的最優(yōu)值，以達到提高混凝土抗凍性的目的。聚丙烯纖維摻量相同時，高強度混凝土的抗凍性優(yōu)于低強度混凝土。

［1］ 杜 鵬.多因素耦合作用下混凝土的凍融損傷模型與壽命預測［D］.北京:中國建筑材料科學研究總院，2014.

［2］ 王媛俐，姚 燕.重點工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2001.

［3］ 李 華，繆昌文，金志強.水泥混凝土路面修補技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1995.

［4］ Mehta P K.Concrete durability-fifty years progress［C］.Proc. of 2nd inter.Conf.on Concrete Durability:ACI SP126-1，1991.

［5］ 余紅發(fā)，孫 偉，張云升，等.在凍融或腐蝕環(huán)境下混凝土使用壽命預測方法Ⅰ——損傷演化方程與損傷失效模式［J］.硅酸鹽學報，2008，36(A01):128-135.

［6］ 李金玉，曹建國，徐文雨，等.混凝土凍融破壞機理的研究［J］.水利學報，1999，1(1):41-49.

［7］ Powers TC.Freezing effects in concrete［J］.ACISpecial Publication，1975，47(1):1-11.

［8］ Powers TC.A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete［J］.1945，16(4):245-272.

［9］ Powers T C.Void space as a basis for producing air-entrained concrete［J］.1954，50(9):741-760.

［10］ Powers T C，Helmuth R A.Theory of volume changes in hardened portland-cement paste during freezing［J］.1953，32 (1):285-297.

Study on freeze-thaw cycles property of polypropylene fiber reinforced concrete★

Tang Hao1Zhou Yuanqiang2Bai Runping3，4*

(1．Yangzhou Electric Power Supply Company of Jiangsu Electric Power Company，Yangzhou 225009，China; 2．Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China; 3．Tongji University，Shanghai200092，China; 4．Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China)

In order to study freeze-thaw cycles propertie of polypropylene fiber reinforced concrete，a series of freeze-thaw cycles experiments for polypropylene fiber reinforced concrete are carried out.The results show that:addingmoderate polypropylene fibers in concrete can improve the performance of freeze-thaw resistance of concrete，polypropylene fibers are well distributed in the concrete，when hardened cement paste subject to tensile stresswhich was generated by cycles，polypropylene fibers distributed in the pores of cement paste can partially share the tensile stress，thus reducing the tensile stress in the cement paste，and improve the concrete properties of freeze-thaw resistance.

polypropylene fiber reinforced concrete，mass loss rate，dynamic elastic modulus，freeze-thaw cycles

TU528.527

A

1009-6825(2015)29-0123-03

2015-08-05 ★:南京水利科學研究院博士論文基金資助項目(項目編號:LB31305)

湯 昊(1972-)，男，工程師; 周元強(1981-)，男，碩士，注冊土木工程師(巖土)，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

白閏平(1982-)，男，在讀博士