李冬霞

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 嘉興 314001)

混凝土在凍融環(huán)境下的性能退化一直是工程領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問題。復(fù)合纖維混凝土因其獨(dú)特的強(qiáng)度和韌性,在極端環(huán)境中顯示出優(yōu)異的性能。本文旨在深入研究凍融循環(huán)對復(fù)合纖維混凝土力學(xué)性能的影響,特別關(guān)注不同類型和含量的纖維對改善凍融損傷的作用。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,探索提高混凝土在凍融環(huán)境下耐久性的有效途徑,對于提高工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 混凝土基體組成

在本次實(shí)驗(yàn)中,所采用的混凝土基體是由普通硅酸鹽水泥、細(xì)骨料、粗骨料、水以及必要的外加劑組成。具體來說,水泥選擇了42.5級普通硅酸鹽水泥,這種水泥不僅具有較高的初期和后期強(qiáng)度,而且保證了良好的穩(wěn)定性和耐久性,適合用于結(jié)構(gòu)性混凝土。細(xì)骨料方面,采用了粒徑小于2.36 mm 的天然河沙,其清潔度高,粒形和級配良好,有助于提高混凝土的工作性和強(qiáng)度。粗骨料則選用了5～20 mm 的碎石,這種碎石具有較好的抗壓性能和穩(wěn)定的物理特性,能有效增強(qiáng)混凝土的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

在水泥、水、細(xì)骨料和粗骨料的配比上,根據(jù)混凝土的設(shè)計強(qiáng)度和工作性要求進(jìn)行了精細(xì)調(diào)整。重量比的調(diào)整旨在達(dá)到最佳的工作性能和力學(xué)性能,同時確?；炷恋慕?jīng)濟(jì)性和可操作性。此外,為了進(jìn)一步改善混凝土的工作性能和耐久性,我們適量添加了減水劑和其他外加劑。減水劑能有效降低混凝土的水灰比,提高其流動性,而不降低其強(qiáng)度和耐久性。同時,其他外加劑如緩凝劑、防凍劑等也根據(jù)具體需要適量添加,以適應(yīng)不同環(huán)境條件下混凝土的施工和使用要求。通過這些精心的配比和添加劑的使用,我們的混凝土基體不僅具有良好的工作性,還具備了優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性。

1.1.2 纖維類型與性能

本研究選用了兩種主要纖維:鋼纖維和聚丙烯纖維。鋼纖維具有0.75 mm 的直徑和60 mm 的長度,這種尺寸的纖維能有效地在混凝土內(nèi)部形成錨固,顯著提高混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度。它們通過增強(qiáng)混凝土內(nèi)部的應(yīng)力傳遞,從而提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗裂性能。鋼纖維的添加對于提升混凝土在承受沖擊和震動時的韌性也非常關(guān)鍵。

另一方面,聚丙烯纖維以其輕質(zhì)、高韌性特性被用于提高混凝土的韌性和抗裂性能。這些纖維的直徑為0.012 mm,長度為18 mm,能在混凝土中均勻分布,有助于改善其微觀結(jié)構(gòu)。聚丙烯纖維主要在混凝土硬化過程中控制水分蒸發(fā),減少干縮導(dǎo)致的微裂縫,同時也增強(qiáng)混凝土的耐磨性和耐化學(xué)性能。纖維的摻量調(diào)整是影響混凝土性能的關(guān)鍵,通常以混凝土體積的百分比進(jìn)行調(diào)整,以找到最佳的性能平衡點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備與養(yǎng)護(hù)

混凝土的制備嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)的混凝土拌和工藝。制備過程首先從將干燥的材料包括水泥、細(xì)骨料、粗骨料和纖維徹底混合開始,確保所有成分均勻分布。接著,逐漸加入水和外加劑,繼續(xù)攪拌以確?；旌衔锏木鶆蛐浴；炷恋陌韬闲枰獓?yán)格控制,以防止材料分層或纖維聚集。完成拌合后,混凝土被澆注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中,并適當(dāng)振搗,以消除混凝土中的氣泡,保證其密實(shí)度。振搗后,混凝土在室溫條件下養(yǎng)護(hù)24 h以達(dá)到初凝,然后脫模并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,即溫度控制在20±2℃,相對濕度維持在95%以上,養(yǎng)護(hù)時間為28天。這一階段的養(yǎng)護(hù)對混凝土的最終性能至關(guān)重要,能確?；炷涟l(fā)展出良好的力學(xué)性能和耐久性。

1.2.2 凍融循環(huán)過程

實(shí)驗(yàn)中混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),以模擬自然環(huán)境中的極端溫度變化對混凝土的影響。凍融循環(huán)的具體過程是:將試件置于-20℃的環(huán)境中凍結(jié)4 h,使其中的水分完全結(jié)冰,然后將試件轉(zhuǎn)移到20℃的水中解凍4 h。這樣的凍結(jié)和解凍過程構(gòu)成一個完整的凍融循環(huán),模擬了自然界中日夜溫差或季節(jié)性溫度變化的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計,試件分別經(jīng)歷50次、100次和150次這樣的凍融循環(huán),用以評估不同凍融次數(shù)對混凝土性能的影響。這一過程關(guān)鍵在于模擬并加速自然條件下可能發(fā)生的損傷,為研究混凝土的耐久性提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.2.3 力學(xué)性能測試方法

為全面評估凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能的影響,本研究采用了多種力學(xué)性能測試方法。

首先,通過在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上對立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試,可以準(zhǔn)確獲得混凝土的抗壓性能。這一測試對于評估混凝土的基本承載能力至關(guān)重要。

其次,抗拉強(qiáng)度的測定通過直接拉伸試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn),這種測試方法可以直觀地反映混凝土在受拉狀態(tài)下的性能。

最后,通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來測定混凝土的抗彎強(qiáng)度,此方法能有效評估混凝土在受彎載荷作用時的表現(xiàn)。每完成一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,選取相應(yīng)的試件進(jìn)行上述力學(xué)性能測試,從而全面理解凍融循環(huán)對混凝土各項力學(xué)性能的具體影響。通過這些綜合的測試方法,可以更準(zhǔn)確地評價纖維混凝土在極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)和應(yīng)用潛力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)對復(fù)合纖維混凝土力學(xué)性能的影響

2.1.1 抗壓強(qiáng)度分析

本研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明,凍融循環(huán)對復(fù)合纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著影響。具體來看,所有試件的抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢。特別是在未摻纖維的混凝土試件中,經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后,其抗壓強(qiáng)度相較于初始狀態(tài)下降了大約25%。這一結(jié)果指出了凍融循環(huán)對混凝土微結(jié)構(gòu)的破壞作用,導(dǎo)致其抗壓性能降低。相比之下,摻有纖維的混凝土試件在相同的凍融循環(huán)條件下表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗壓性能。特別是摻入鋼纖維的試件,其抗壓強(qiáng)度下降幅度約為15%,顯著低于未摻纖維的混凝土。這表明纖維的加入能有效提高混凝土在凍融循環(huán)中的抵抗力,尤其是鋼纖維在提高混凝土的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面發(fā)揮著重要作用。

2.1.2 抗拉強(qiáng)度分析

在抗拉強(qiáng)度方面,實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣顯示了凍融循環(huán)對混凝土性能的影響。未摻纖維的混凝土試件在經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后,抗拉強(qiáng)度下降了大約30%,這一結(jié)果反映了凍融循環(huán)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的破壞效果,導(dǎo)致其在受拉狀態(tài)下的性能降低。而加入纖維的混凝土試件表現(xiàn)出更好的抗拉性能,尤其是摻有聚丙烯纖維的試件。聚丙烯纖維的添加顯著改善了混凝土在凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度,其下降幅度僅為大約20%。這一結(jié)果表明聚丙烯纖維在提高混凝土的韌性和減少凍融循環(huán)引起的裂縫擴(kuò)展方面發(fā)揮了重要作用。

2.1.3 抗彎強(qiáng)度分析

對于抗彎強(qiáng)度的分析,結(jié)果表明凍融循環(huán)對未摻纖維混凝土的影響尤為顯著。在150次凍融循環(huán)后,未摻纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度下降了大約35%,這一顯著的下降反映了凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)完整性的嚴(yán)重破壞。然而,當(dāng)混凝土中摻入纖維時,抗彎性能表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。特別是摻入鋼纖維的混凝土試件,其抗彎強(qiáng)度的下降幅度僅為大約20%。這表明鋼纖維的加入不僅增強(qiáng)了混凝土的承載能力,還有效提升了其在凍融循環(huán)中的耐久性。鋼纖維通過改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布,減少了凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)完整性的負(fù)面影響。

2.2 纖維類型和含量對凍融后性能的影響

2.2.1 不同纖維類型的比較

本研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地展示了不同類型纖維在改善凍融后混凝土性能方面的顯著差異。鋼纖維以其高強(qiáng)度和良好的粘結(jié)性能,在提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度方面表現(xiàn)出色。鋼纖維在混凝土中提供了有效的應(yīng)力傳遞和裂縫控制機(jī)制,尤其是在凍融循環(huán)中,能夠有效地抵抗溫度變化引起的內(nèi)部應(yīng)力。另一方面,聚丙烯纖維因其良好的韌性和較低的模量,對于增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度特別有效。聚丙烯纖維能夠在混凝土中形成微觀裂縫的橋接作用,減少裂縫的擴(kuò)展,尤其是在凍融循環(huán)過程中,這種效應(yīng)更為明顯。因此,根據(jù)不同的應(yīng)用需求,合理選擇纖維類型對于提高混凝土在特定條件下的性能至關(guān)重要。

2.2.2 纖維含量的影響

在纖維含量對混凝土性能的影響方面,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著纖維含量的增加,混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度均得到了提升。在本研究中,纖維的摻量從0.5%開始逐漸增加到2.0%,這一范圍內(nèi)混凝土性能的改善顯著。然而,當(dāng)纖維含量超過某一臨界值(本實(shí)驗(yàn)中約為1.5%)時,混凝土性能的提升趨于飽和,甚至可能出現(xiàn)逆轉(zhuǎn),即性能降低。這種現(xiàn)象可能是由于纖維含量過高時,纖維在混凝土中分布不均勻,導(dǎo)致應(yīng)力集中和微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此,在混凝土設(shè)計中選擇適宜的纖維含量是至關(guān)重要的,這不僅關(guān)系到混凝土的機(jī)械性能,還影響其耐久性和經(jīng)濟(jì)效益。適當(dāng)?shù)睦w維含量能夠在提高混凝土性能的同時,保持其工作性和成本效益。

3 討論

3.1 纖維增強(qiáng)對凍融損傷的緩解機(jī)制

纖維增強(qiáng)混凝土在緩解凍融損傷方面的作用主要體現(xiàn)在微裂縫的控制和應(yīng)力分布的優(yōu)化上。纖維的加入顯著提高了混凝土對微觀損傷的抵抗力,尤其是在凍融循環(huán)中,水分狀態(tài)的變化會導(dǎo)致顯著的內(nèi)部應(yīng)力。纖維通過在混凝土中形成橋接作用,有效地限制了微裂縫的擴(kuò)展。

同時,纖維的存在優(yōu)化了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布,減少了由于應(yīng)力集中引起的損傷。鋼纖維和聚丙烯纖維的不同物理化學(xué)特性在提升混凝土的韌性和抗裂性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,從而增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的整體耐久性。

3.2 纖維類型和含量對力學(xué)性能的綜合影響

纖維的類型和含量對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著而復(fù)雜的影響。鋼纖維因其高強(qiáng)度和優(yōu)良的粘結(jié)特性,特別適合于提升混凝土的抗壓和抗彎性能。其強(qiáng)度和粘結(jié)能力有助于增強(qiáng)混凝土的承載能力和抵抗裂縫的能力。相反,聚丙烯纖維更加專注于提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性。纖維含量的適當(dāng)增加可以提升混凝土的綜合性能,但過量添加可能導(dǎo)致不均勻分布和性能下降。合理的纖維類型和含量選擇對于實(shí)現(xiàn)混凝土性能的最優(yōu)化至關(guān)重要。

4 結(jié)語

本研究通過系統(tǒng)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,明確了復(fù)合纖維混凝土在凍融循環(huán)后力學(xué)性能的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,纖維的加入顯著提升了混凝土的抗凍融能力,尤其是特定類型的纖維對提高凍融后的力學(xué)性能更為有效。這些發(fā)現(xiàn)對于工程實(shí)踐中混凝土材料的選擇和設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義,為凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。