李冬， 劉世

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

凍融循環(huán)作用是導(dǎo)致寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因之一。已有研究表明纖維的加入對(duì)混凝土的抗凍性有積極影響[1，2]。曹梓煜等[3]研究了碳纖維混凝土的抗凍性能，發(fā)現(xiàn)摻入碳纖維可使混凝土抵抗凍融循環(huán)的次數(shù)提高一倍。王利強(qiáng)[4]研究了玄武巖纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響，結(jié)果表明玄武巖纖維加入后，試件的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失均顯著下降，混凝土的抗凍性能提高。Zeng等學(xué)者[5]研究了鋼纖維混凝土的抗凍性能，發(fā)現(xiàn)較普通混凝土，鋼纖維混凝土的動(dòng)彈性模量下降緩慢，抗凍融循環(huán)次數(shù)提高。Karimipour等[6]研究了鋼纖維橡膠混凝土的抗凍性能，發(fā)現(xiàn)纖維的加入可以消除橡膠對(duì)混凝土抗凍性能的負(fù)面影響。Richardson等學(xué)者[7]研究了聚丙烯纖維對(duì)早齡期（5d）混凝土抗凍性能的影響，結(jié)果表明聚丙烯纖維對(duì)早齡期混凝土的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失有抑制作用，可提高基體的抗凍性能?，F(xiàn)有研究主要依據(jù)質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失兩個(gè)指標(biāo)來(lái)反應(yīng)纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響，并未對(duì)其凍融損傷規(guī)律進(jìn)行深入分析和探討。

水是多種材料破壞的主要介質(zhì)，對(duì)于混凝土而言，水作為侵蝕性離子遷移的載體，控制著大多數(shù)混凝土的耐久性問(wèn)題[8]。因此，混凝土的水分傳輸性能受到了學(xué)者們的重點(diǎn)關(guān)注[9-15]。為反映服役狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)的水分傳輸性能，Wang等[16]研究了荷載作用后混凝土的毛細(xì)吸水性能，發(fā)現(xiàn)荷載作用對(duì)混凝土的吸水性有顯著的影響，當(dāng)作用0.7～0.9倍的極限荷載后，基體的吸水率可提高一倍。Zhang等學(xué)者[17]研究了凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土的水分傳輸性能的影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的毛細(xì)吸水性能逐漸增大。但涉及凍融循環(huán)作用后鋼纖維對(duì)混凝土內(nèi)水分傳輸性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，研究鋼纖維對(duì)混凝土抗凍耐久性的影響，對(duì)鋼纖維混凝土在寒冷地區(qū)的應(yīng)用具有促進(jìn)作用。

文中采用GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]中的快凍法開(kāi)展鋼纖維混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化情況評(píng)價(jià)鋼纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響，引入Weibull分布探討了凍融損傷概率模型；通過(guò)毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸水系數(shù)的變化規(guī)律評(píng)估鋼纖維對(duì)凍融循環(huán)作用后混凝土內(nèi)水分傳輸性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

膠凝材料為普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R）；礦物摻合料為Ⅰ級(jí)粉煤灰；粗骨料為碎石，級(jí)配為5～20mm；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；鋼纖維的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。各組試件混凝土配合比見(jiàn)表2。

表1 鋼纖維物理性質(zhì)

表2 鋼纖維混凝土配合比k g·m-3

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

按照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法開(kāi)展融循環(huán)試驗(yàn)，每組3個(gè)試件，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24d，隨后將試件放在（20±2）℃水中浸泡4d，試件在28d齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。每25次凍融循環(huán)后測(cè)量試件的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量，當(dāng)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%或質(zhì)量損失超過(guò)5%時(shí)停止試驗(yàn)。相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失的計(jì)算依據(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)》。

1.3 毛細(xì)吸水試驗(yàn)

鋼纖維混凝土毛細(xì)吸水試驗(yàn)參照美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)推薦的方法進(jìn)行，采用立方體試件（100mm×100mm×100mm）。當(dāng)考慮重力的影響，混凝土毛細(xì)吸水量與時(shí)間平方根之間滿足如下關(guān)系式。

式中，ΔW為混凝土單位面積毛細(xì)吸水量，g/m2；t為毛細(xì)吸水時(shí)間，h；a，b為系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)值擬合求得。

不同時(shí)刻毛細(xì)吸水系數(shù)可通過(guò)下式得到：

式中，A（t）為不同時(shí)刻的毛細(xì)吸水系數(shù)，g/（m2·h0.5）。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

采用立方體試件（100mm×100mm×100mm）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，抗壓強(qiáng)度按照標(biāo)準(zhǔn)[19]進(jìn)行測(cè)試，各組試件的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 各組試件的抗壓強(qiáng)度

從圖1中可以看出，PC，SFRC20，SFRC40 和SFRC60的抗壓強(qiáng)度分別為 37.1、37.6、38.2MPa和 36.5、37.1MPa。與PC試件相比，SFRC20，SFRC40 和SFRC60試件的抗壓強(qiáng)度變化很?。ㄗ畲髢H為2%），表明鋼纖維的加入對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著的影響。這與Ding等[20]的研究結(jié)論較為一致。

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖2所示。

圖2 鋼纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

從圖2中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢(shì)，PC試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速率大于摻加鋼纖維的試件；隨著鋼纖維摻量的增加，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率逐漸延緩，表明鋼纖維的加入可顯著提高混凝土的抗凍性能。

依照標(biāo)準(zhǔn)，混凝土的抗凍等級(jí)F為相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不低于60%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)，從圖中可以看出，PC試件的抗凍等級(jí) F為 100，SFRC20、SFRC40和SFRC60試件的抗凍等級(jí)F分別為150、200和225，與PC試件相比，鋼纖維摻量為60kg/m3時(shí)，混凝土的抗凍等級(jí)F提高了125%。這是因?yàn)殇摾w維的加入限制了凍融循環(huán)過(guò)程中試件內(nèi)部微裂縫的發(fā)展；另外，鋼纖維的加入使混凝土內(nèi)部封閉孔的數(shù)量增加，可緩解內(nèi)部結(jié)冰時(shí)對(duì)混凝土產(chǎn)生的凍脹壓力，從而減小了凍融循環(huán)作用對(duì)基體的損傷程度[21]。

2.3 凍融損傷概率模型

混凝土受凍融損傷的過(guò)程與其疲勞破壞的過(guò)程相似，因此，可采用Weibull分布來(lái)描述凍融循環(huán)次數(shù)與基體損傷的關(guān)系。凍融循環(huán)作用下混凝土的損傷量Dn可用下式表示[22]。

式中，En表示凍融循環(huán)n次后，混凝土的動(dòng)彈性模量；E0表示混凝土初始動(dòng)彈性模量。

根據(jù)Weibull分布，混凝土凍融損傷的概率分布函數(shù)可表示為[23]

式中，F(xiàn)（n）為基體的損傷量；n為凍融循環(huán)次數(shù)；η為特征壽命參數(shù)；β為Weibull形狀參數(shù)。
令 X=ln（n），Y=ln[-ln（1-Dn）]，則式（4）可寫成

式中，a為與壽命有關(guān)的常數(shù)。

從表3中可以看出，各組擬合的相關(guān)系數(shù)R2都大于0.950，說(shuō)明應(yīng)用Weibull分布作為凍融損傷量Dn與凍融循環(huán)次數(shù)n的概率分布模型是可行的。

表3 各組凍融損傷量的擬合結(jié)果

2.4 毛細(xì)吸水規(guī)律

由于素混凝土PC試件所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)為100，為了進(jìn)行對(duì)比，在毛細(xì)吸水試驗(yàn)時(shí)，各組試件的最大凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為100。在凍融循環(huán)為0、25、50、75、100 次后，各組試件毛細(xì)吸水量的對(duì)比如圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下各組試件毛細(xì)吸水量對(duì)比

從圖3可以看出，對(duì)于未受凍融循環(huán)作用時(shí)，各組試件的毛細(xì)吸水量隨時(shí)間平方根逐漸增加，但是，通過(guò)對(duì)比各組試件毛細(xì)吸水量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的加入對(duì)混凝土毛細(xì)吸水量沒(méi)有顯著的影響見(jiàn)圖5（a）。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的毛細(xì)吸水量逐漸增大，鋼纖維的加入可延緩毛細(xì)吸水量的增速。這主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用會(huì)引起混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而使毛細(xì)吸水量顯著增加，而鋼纖維的加入降低了凍融對(duì)基體產(chǎn)生的損傷從而限制了混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，進(jìn)而降低了試件的毛細(xì)吸水量。

按照式（1）對(duì)圖3中的曲線進(jìn)行擬合，可得到系數(shù)a、b及毛細(xì)吸水量與時(shí)間平方根的相關(guān)系數(shù)R2，見(jiàn)表4。

表4 毛細(xì)吸水量與時(shí)間平方根的擬合結(jié)果

從表4中可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)后的20組試件擬合得到的相關(guān)系數(shù)R2均較高，僅三組的相關(guān)系數(shù) R2＜0.990，分別為 0.960、0.988 和 0.985，表明鋼纖維混凝土的毛細(xì)吸水量與時(shí)間平方根符合式（1）。利用表3中的結(jié)果，根據(jù)式（2）可以得到試件毛細(xì)吸水系數(shù)隨時(shí)間平方根的變化規(guī)律。凍融循環(huán)為0、25、50、75、100次后，各組試件毛細(xì)吸水系數(shù)隨時(shí)間平方根的變化情況如圖4所示。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件毛細(xì)吸水系數(shù)對(duì)比

從圖4中可以看出，隨時(shí)間的延長(zhǎng)各組試件的毛細(xì)吸水系數(shù)逐漸減小。對(duì)于未受凍融循環(huán)作用時(shí)，各組試件初期的毛細(xì)吸水系數(shù)有一定差異，隨著毛細(xì)吸水的進(jìn)行，各組試件的毛細(xì)吸水系數(shù)逐漸趨同。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的初期毛細(xì)吸水系數(shù)顯著增大，后期毛細(xì)吸水系數(shù)仍未出現(xiàn)顯著差異。與PC試件相比，鋼纖維的摻入可顯著降低初期的毛細(xì)吸水系數(shù)。以毛細(xì)吸水時(shí)間在0h0.5，凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到75次為例，從圖4（d）中可以看出，PC，SFRC20，SFRC40和SFRC60試件的毛細(xì)吸水系數(shù)5681、4741、1744g/（m2·h0.5）和1539g/（m2·h0.5）。與PC相比，SFRC20，SFRC40和SFRC60試件的毛細(xì)吸水系數(shù)分別降低17%，69%和73%。

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 鋼纖維的加入可降低混凝土的凍融損傷。對(duì)于動(dòng)彈性模量，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的動(dòng)彈性模量下降速度顯著降低，當(dāng)鋼纖維摻量為60kg/m3時(shí)，混凝土的抗凍等級(jí)可提高125%。

（2） 鋼纖維混凝土的凍融損傷量與凍融循環(huán)次數(shù)之間服從Weibull分布。

（3） 凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土的毛細(xì)吸水性能有顯著的影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的累積吸水量逐漸增大，初始階段的毛細(xì)吸水系數(shù)顯著提高。鋼纖維的加入可顯著改善凍融循環(huán)作用后混凝土的毛細(xì)吸水性能，提高其抗凍耐久性。