郭振東,張 業(yè),黃志強(qiáng)
(1.中交路橋建設(shè)有限公司,北京 100020;2.中交路橋北方工程有限公司,北京 100020;3.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)
在我國(guó)廣袤的北方地區(qū),尤其是寒區(qū),混凝土深受不同程度的低溫凍融破壞,對(duì)建筑物使用安全及經(jīng)濟(jì)環(huán)保造成巨大威脅。近年來,纖維混凝土材料被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究,其結(jié)果均表明纖維結(jié)構(gòu)不僅具有可抵消內(nèi)應(yīng)力、可塑性強(qiáng)、韌性強(qiáng)、與混凝土粘連性強(qiáng)的潛力,而且在提高混凝土抗凍性方面也發(fā)揮重大作用。由于影響纖維混凝土抗凍性的因素種類很多,且纖維混凝土抗凍性研究?jī)?nèi)容正處于纖維混凝土耐久性研究的發(fā)展階段,因此其研究成果尚且不夠全面,缺乏系統(tǒng)性。本文通過綜述國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維混凝土抗凍性影響因素的研究,分析總結(jié)出改善纖維混凝土抗凍性的最佳措施。
纖維混凝土抗凍性已經(jīng)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)內(nèi)容,眾多學(xué)者[1-4]研究表明纖維材料摻入混凝土中可以降低混凝土在凍融條件下的質(zhì)量損失,從而提高纖維混凝土的抗凍性。眾多學(xué)者[5-6]通過宏觀與微觀的研究表明,鋼纖維在基體中能很好地發(fā)揮出阻裂作用,從而明顯提高混凝土抗剝落能力和抗凍性能。但是有學(xué)者[7]表示,相比于其他種類纖維混凝土來說,不建議在鹽凍融環(huán)境中使用鋼纖維混凝土構(gòu)件。2015年,滕飛等[8]通過研究表明摻入聚丙烯纖維能夠使混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失速度變得緩慢,這一現(xiàn)象說明了聚丙烯纖維的摻入,使混凝土的抗凍性要高于普通緩凝土。
綜上所述,在混凝土中摻入上述四種纖維,均可以增強(qiáng)混凝土的抗凍性,一次分析大多數(shù)纖維混凝土的抗凍性都要優(yōu)于普通混凝土。所以研究纖維混凝土抗凍性影響因素對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)來說具有重要的意義。
凍融循環(huán)次數(shù)是影響抗凍性最基礎(chǔ)的因素,眾多學(xué)者在該因素方面研究結(jié)果相似。陳升平等[9]則是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立凍融環(huán)境下?lián)p傷模型的方法,擬合數(shù)據(jù)分析得出,鋼纖維混凝土的損傷度在凍融次數(shù)增加的過程中逐漸增大,但相比于普通混凝土,鋼纖維混凝土質(zhì)量損失率曲線上升緩慢,凍融循環(huán)125次后,纖鋼維混凝土質(zhì)量損失率增加的緩慢程度更大,鋼纖維混凝土抗凍性優(yōu)勢(shì)更明顯。程紅強(qiáng)[10]通過整合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率曲線。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,聚丙烯纖維混凝土損傷不斷累積,且凍融循環(huán)40次之前,增強(qiáng)抗凍性的作用更明顯,40次之后隨著凍融次數(shù)的增加,增強(qiáng)抗凍性的作用越來越小。該因素的研究程度較為成熟,且研究結(jié)果整體上基本一致。
在我國(guó)北部嚴(yán)寒地區(qū)的自然環(huán)境中,凍融循環(huán)作用的發(fā)生是不可避免的,所以會(huì)導(dǎo)致纖維混凝土抗凍性下降,因此有學(xué)者提出通過增加纖維摻量的方法來改善嚴(yán)寒環(huán)境下纖維混凝土抗凍性。
寧喜亮通過實(shí)驗(yàn)還得出來鋼纖維摻量為20 kg/m3時(shí)構(gòu)件的損傷程度要比40 kg/m3更低一些,抗凍性更優(yōu),但對(duì)凍融后試件的力學(xué)性能改善程度不如摻量為40 kg/m3時(shí)的構(gòu)件。由于纖維混凝土損傷會(huì)因凍融循環(huán)作用而不斷累加,導(dǎo)致劈拉強(qiáng)度不斷降低。程紅強(qiáng)等通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定聚丙烯纖維混凝土在不同纖維摻量下的劈拉強(qiáng)度,從而得出纖維摻量與構(gòu)件抗凍性的關(guān)系。
PVA纖維摻量增加,纖維混凝土抗凍性先增大后減小,其主要原因有。
1)PVA 纖維具有較大的彈性模量和較好的韌性,能夠有效抑制再生裂縫以及裂縫的寬度和長(zhǎng)度擴(kuò)展,能有效減少混凝土內(nèi)部孔隙連通。
2)低摻量 PVA 纖維,在混凝土中可以更均勻地分布,更大程度地發(fā)揮對(duì)混凝土的約束作用,可以減少膨脹壓力對(duì)試件本身抗凍性的影響[11]。
3)通過掃描電子顯微鏡可以發(fā)現(xiàn),纖維在混凝土中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能會(huì)減少內(nèi)部氣體逸出,從而增大水泥基體內(nèi)部的含氣量,緩解凍融循環(huán)過程中的壓力[12-15]。
但當(dāng) PVA 纖維摻量大于0.5%時(shí),過多的纖維導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微觀孔隙變多,增加了混凝土內(nèi)部生成通孔的可能性,導(dǎo)致毛細(xì)孔中的水分增多,毛細(xì)孔中膨脹壓和滲透壓增大,導(dǎo)致混凝土抗凍性能劣化。
2019年,喬宏霞等[16]研究了兩種不同摻纖維方式(整體式和層布式)對(duì)混凝土抗凍性能的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。
圖1 質(zhì)量損失率
如圖1所示,從整體上分析可知,凍融循環(huán)次數(shù)越多,纖維混凝土質(zhì)量損失率越大。對(duì)比兩種不同的摻纖維方式,層布式混雜纖維混凝土質(zhì)量損失率變化范圍更小,即抗凍性更優(yōu)。
纖維增加混凝土的抗凍性已經(jīng)得到了眾多學(xué)者的研究,結(jié)果表明,纖維增加混凝土的抗凍性效果明顯。
1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,纖維混凝土的抗凍性減弱。
2)不同種纖維在其適量的摻量下可明顯提高混凝土的抗凍性。
總的來說,纖維可以明顯增加混凝土的抗凍性,但對(duì)于纖維的混合使用,摻入方式等還可以進(jìn)行深入的研究,希望找到最合適的纖維來提高混凝土的抗凍性。
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