陳升平， 段小龍， 滕　飛， 張　巖

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

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鋼纖維混凝土凍融后的力學(xué)性能研究

陳升平， 段小龍， 滕飛， 張巖

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

[摘要]為了研究鋼纖維混凝土的抗凍性能，通過對比不同鋼纖維體積率和凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土，測定各種摻量鋼纖維混凝土凍融后的質(zhì)量損失及相對動彈模損失率，分析鋼纖維摻量及凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土的抗壓、抗折強度的影響，進行了鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)作用后的力學(xué)性能研究。試驗結(jié)果表明，摻入鋼纖維后對凍融循環(huán)作用下的混凝土的抗壓強度影響較小。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時，摻入鋼纖維后混凝土的抗折強度有較明顯的提高；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增多時，鋼纖維對混凝土的增強作用較小。

[關(guān)鍵詞]凍融； 鋼纖維； 混凝土； 強度

隨著使用壽命的增長，混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的耐久性問題日漸突出。我國疆域遼闊，又有相當(dāng)大一部分地區(qū)處于北方嚴寒地帶，而凍融破壞是引起這部分地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)建筑物老化損壞的主要原因之一，凍融循環(huán)作用導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞[1]。為此，我國每年都要消耗巨額的維修費用。因此，對混凝土抗凍性能的研究具有重要的實用價值和理論意義。混凝土凍融破壞最終表現(xiàn)為裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，而在混凝土中摻入鋼纖維可以有效阻止裂縫的產(chǎn)生和擴展。相對于普通混凝土來說，鋼纖維混凝土擁有更好的抗拉、抗折和抗劈裂性能，并且具有更好的韌性和延性[2]。因此，鋼纖維混凝土被廣泛應(yīng)用于港口航道、公路橋涵、隧道工程及北方嚴寒地區(qū)的工業(yè)與民用建筑等混凝土結(jié)構(gòu)中。本文以研究鋼纖維混凝土在凍融后的力學(xué)性能為目的，進行了混凝土凍融循環(huán)試驗，對比了不同摻量鋼纖維混凝土在不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失，相對動彈模損失以及抗壓強度、抗折強度，分析了鋼纖維混凝土的凍融破壞機理，旨在為凍融環(huán)境下的鋼纖維混凝土耐久性設(shè)計提供依據(jù)。

1試驗方案

1.1試驗材料

采用華新水泥廠生產(chǎn)的標號為32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥，中砂級配良好，細度模數(shù)為3.5，粗集料選用天然石灰?guī)r碎石，粒徑不大于20 mm，鋼纖維選用銑削型鋼纖維，力學(xué)性能見表1。

表1　鋼纖維的主要力學(xué)性能

1.2試驗方案

凍融試驗以鋼纖維體積摻量及凍融循環(huán)次數(shù)為控制參數(shù)，試件尺寸分為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩個系列，前組用于測量凍融循環(huán)對試件強度的影響，后組用于三點彎曲抗折試驗，并測量質(zhì)量損失率。試件按纖維體積摻量0、0.75%、1.5%分為3組，攪拌混凝土?xí)r，采用強制式電動攪拌機拌合。為了保證鋼纖維在混凝土中分布均勻，先將砂石和水泥加入到攪拌機中攪拌30 s，再將鋼纖維均勻撒入攪拌機中，全部投入后再攪拌2 min.澆筑試件后，在振動臺上振動直至試件表面沒有冒出氣泡為止。澆筑完24 h后拆模，放置室內(nèi)標準蒸汽養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。鋼纖維混凝土配合比見表2。

表2　鋼纖維混凝土配合比　　　kg/m3

本試驗用快速凍融法進行，采用TDRF-1AF混凝土快速凍融試驗機，在水飽和狀態(tài)下進行凍融試驗，在凍結(jié)和融化結(jié)束時，混凝土試件的中心溫度應(yīng)分別控制在-15℃±2℃和15℃±2℃。4 h左右完成一次凍融循環(huán)。達到養(yǎng)護齡期的前3 d時，將試件在25℃的水中完全浸泡3 d，3 d后取出試件，擦去表面水分后，測量對比組的動彈性模量以及試件的質(zhì)量損失，再將試件放入凍融試驗機內(nèi)，每經(jīng)過50次、100次、150次、200次凍融循環(huán)后，取出試件，將表面沖洗干凈并擦干水分后，測量其動彈性模量及質(zhì)量損失。

凍融循環(huán)次數(shù)為0、50、100、150、200次時，分別對每組不同摻量的混凝土試件進行測量。尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件按照GBJ81-1985《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》做立方體壓縮試驗，分別測量出不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同鋼纖維摻量混凝土試件的抗壓強度，需要15組，共制備45個試件。尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，每循環(huán)50次分別進行三點彎曲抗折試驗，測出不同鋼纖維摻量的混凝土試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗折強度，每組3個試件，共制備15個試件。

2試驗結(jié)果及分析

2.1破壞形態(tài)及質(zhì)量損失率

在凍融循環(huán)作用下，混凝土表面均會出現(xiàn)不同程度的破壞，從試驗過程可以看出，凍融50次之后，由于循環(huán)次數(shù)較少，三種摻量的鋼纖維混凝土試件并沒有明顯的破壞現(xiàn)象，試件表面完整，質(zhì)量損失幾乎為零；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到100次時，混凝土表面開始出現(xiàn)剝落，試件內(nèi)部開始出現(xiàn)細小微裂縫，試件質(zhì)量也有所降低；當(dāng)凍融達到150次時，不摻入鋼纖維的混凝土試件破壞較為嚴重，試件表面掉渣較多，表面呈現(xiàn)出麻面狀，質(zhì)量損失也較多；當(dāng)凍融循環(huán)達到200次時，混凝土試件表面開始出現(xiàn)大面積的剝落，表面露出粗骨料和少許鋼纖維，質(zhì)量損失也較高。

質(zhì)量損失率是反映混凝土試件在凍融循環(huán)作用下抵抗剝落的重要指標之一，本試驗測量了鋼纖維混凝土在凍融作用前后的質(zhì)量，并計算出了相應(yīng)的質(zhì)量損失率。圖1表明了鋼纖維體積摻量、凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土的質(zhì)量損失的影響。由圖中曲線可以看出，不摻加鋼纖維的混凝土試件在凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失約為鋼纖維混凝土質(zhì)量損失的兩倍，表明摻入鋼纖維對質(zhì)量損失有較明顯的抑制作用。從曲線變化趨勢來看，鋼纖維體積率越大，質(zhì)量損失越小。在經(jīng)過200次的凍融循環(huán)之后，質(zhì)量損失已經(jīng)出現(xiàn)超過5%，混凝土試件凍融已破壞。

圖 1　鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的質(zhì)量損失

2.2相對動彈性模量的變化

本試驗采用共振法測量試件的動彈性模量，使用儀器型號為DT-18動彈模量測量儀。圖2為鋼纖維混凝土試件動彈性模量損失變化曲線。由圖中曲線變化趨勢可以看出，在經(jīng)過200次凍融循環(huán)之后，各個摻量的混凝土相對動彈性模量損失均滿足要求。不摻加鋼纖維的混凝土試件的相對動彈性模量損失已經(jīng)達到31%，接近破壞。而摻量分別為0.75%和1.5%的鋼纖維混凝土的相對動彈模損失較小，分別為25%和23%，可見摻入鋼纖維后混凝土的凍融損傷得到了明顯的抑制?？傮w來看，在摻入了鋼纖維之后，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展得到抑制，混凝土的相對動彈性模量損失減小。

圖 2　鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的相對動彈性模量損失

2.3抗壓強度

圖3為鋼纖維混凝土經(jīng)過凍融作用后的抗壓強度變化曲線，從圖3中可以看出，凍融循環(huán)進行50次之后，各種鋼纖維摻量的混凝土試件抗壓強度均出現(xiàn)了不同幅度的下降。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)進一步增加，達到100次時，各種摻量的鋼纖維混凝土抗壓強度均出現(xiàn)了大幅下降，不摻加鋼纖維的混凝土和摻入鋼纖維的混凝土抗壓強度損失較為接近。從總體上來看，經(jīng)過凍融循環(huán)作用之后，混凝土試件的抗壓強度均有所下降，各種摻量的混凝土抗壓強度損失差距較小，因此，鋼纖維的摻入對抗壓強度的影響較小。

圖 3　鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的抗壓強度變化

2.4抗折強度

圖4為凍融循環(huán)之后鋼纖維混凝土的抗折強度變化曲線，從圖4中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的抗折強度逐漸降低。鋼纖維體積摻量為1.5%的混凝土抗折強度損失較小，可見當(dāng)提高鋼纖維體積摻量時，混凝土的抗折強度有所提高，因為在凍融循環(huán)作用下，鋼纖維對凍融產(chǎn)生的微裂縫起到了約束作用，從而提高了鋼纖維混凝土的抗劈裂能力。凍融作用使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂縫，但由于鋼纖維的存在，鋼纖維與水泥砂漿之間存在粘結(jié)作用，仍然有一定的抗劈裂能力。在凍融循環(huán)進行200次之后，試件表面已經(jīng)露出骨料和鋼纖維，并呈現(xiàn)出較多的微裂縫，混凝土試件已經(jīng)接近破壞，各種鋼纖維摻量的混凝土抗折強度均大幅下降?？傮w來看，隨著鋼纖維體積率的增加，凍融次數(shù)較少時，鋼纖維對混凝土試件的增強作用比較明顯；但是隨著凍融次數(shù)的增加，鋼纖維混凝土內(nèi)部凍脹破壞使缺陷增多，鋼纖維與水泥砂漿之間的粘結(jié)力也遭到破壞，鋼纖維對微裂縫發(fā)展的約束作用也減小，因此鋼纖維體積率的增加并不能顯著提高混凝土的抗折強度。

圖 4　鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的抗折強度變化

3凍融循環(huán)破壞機理分析

混凝土的凍融破壞是一個比較復(fù)雜的變化過程，一般普遍認為混凝土凍融破壞的主要原因是由于其內(nèi)部因凍脹而產(chǎn)生各種復(fù)雜的應(yīng)力作用的結(jié)果。當(dāng)環(huán)境溫度降低時，混凝土表面溫度下降較快，而內(nèi)部溫度下降較慢，因此在混凝土試件內(nèi)外之間形成了溫差階梯。當(dāng)溫度降至0℃以下時，混凝土表面孔隙中的水分開始結(jié)冰，隨著溫度繼續(xù)降低，混凝土內(nèi)部的細小孔隙中水分也逐漸開始凍結(jié)。此時，混凝土試件內(nèi)外孔隙中的水結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹，以及未凍結(jié)的過冷水分在微裂縫中的遷移，都會產(chǎn)生各種內(nèi)部壓力。當(dāng)內(nèi)部壓力超過混凝土材料所能承受的極限時，內(nèi)部就會產(chǎn)生細微裂紋。當(dāng)溫度升高時，孔隙中凍結(jié)的水分逐漸開始解凍，解凍后的水分繼續(xù)滲透進入凍脹破壞產(chǎn)生的細微裂紋中，不斷的發(fā)生凍融循環(huán)過程，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部細小孔隙及微裂縫逐漸增大擴展，達到一定程度時，混凝土試件就會發(fā)生凍融破壞。當(dāng)摻入鋼纖維后，鋼纖維與砂漿存在粘結(jié)作用，凍融次數(shù)較少時，鋼纖維與砂漿粘結(jié)力較強，鋼纖維對混凝土的力學(xué)性能影響較大，但當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)槭杷蔂顟B(tài)，并且隨著內(nèi)部裂縫不斷增多，鋼纖維與水泥砂漿之間的粘結(jié)力隨之減小，鋼纖維對微裂縫的約束作用也逐漸減小，混凝土逐漸遭到破壞。

4結(jié)論

1)在凍融循環(huán)作用下，鋼纖維混凝土的質(zhì)量損失率及相對動彈性模量損失率較素混凝土低，因此鋼纖維能顯著提高混凝土的抗凍性。

2)在凍融循環(huán)次數(shù)較少時，各種摻量混凝土的抗壓強度均有所降低，抗壓強度損失接近，此時鋼纖維的摻入對混凝土的抗壓強度影響作用不大，而鋼纖維體積摻量較高的混凝土抗折強度損失較小，因而摻入鋼纖維對混凝土抗折強度影響較顯著。而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增多時，各種鋼纖維摻量的混凝土抗壓強度和抗折強度均大幅降低，損失較接近，因此鋼纖維體積率的增加并不能有效提高混凝土的抗折強度。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Research on Mechanical Properties of Steel Fiber Reinforced Concrete after Freezing and Thawing Cycle

CHEN Shengping，DUAN Xiaolong，TENG Fei，ZHANG Yan

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture，HubeiUniv．ofTech． ，Wuhan430068，China)

Abstract：In order to research the frost resistance of steel fiber reinforced concrete, we made the comparison of concrete of different steel fiber volume ratio in the condition of different cycles of freezing and thawing. By measuring the mass loss and relative dynamic modulus loss rate of concrete of different steel fiber volume ratio, we analyzed the influence of steel fiber content and numbers of freezing thawing cycles on the compressive strength and the flexural strength of concrete, and we made the stay of the mechanical property of steel fiber reinforced concrete after freezing and thawing cycle. Experimental results show that the steel fiber has little influence on the compressive strength of concrete after freezing and thawing cycles. When the number of freeze-thaw cycles is small, the incorporation of steel fiber can enhance the flexural strength of concrete obviously. With the increase of freeze-thaw cycle number, the reinforcement of flexural strength decreases gradually.

Keywords：freezing and thawing，steel fiber，concrete，intensity

[中圖分類號]TU528

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0094-04

[作者簡介]陳升平(1965-)， 男， 湖南醴陵人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向為結(jié)構(gòu)工程

[基金項目]湖北省科技廳項目(2012FFB00607)

[收稿日期]2015-02-02