PE/HPP混雜纖維混凝土的抗凍性能*

何銳 李丹 王帥 陳華鑫

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710061； 2.長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西 西安 710064；3.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院， 陜西 西安 710065； 4.山西省交通科學(xué)研究院, 山西 太原 030006)

PE/HPP混雜纖維混凝土的抗凍性能*

何銳1,2李丹3王帥4陳華鑫1,2

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710061； 2.長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西 西安 710064；3.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院， 陜西 西安 710065； 4.山西省交通科學(xué)研究院, 山西 太原 030006)

采用聚乙烯纖維(PE)和聚丙烯塑鋼纖維(HPP)混雜技術(shù)制備纖維混凝土，以凍融前后的質(zhì)量變化、動彈性模量、抗壓強度以及彎曲性能等對其抗凍性能進行評價，并結(jié)合SEM分析從微結(jié)構(gòu)角度對其損傷機理進行探討.研究表明：凍融循環(huán)后素混凝土表面受損明顯，混雜纖維摻入可以提高混凝土的完整性，表面損傷剝落減少；凍融循環(huán)過程中素混凝土的質(zhì)量呈先增長后降低的趨勢，而混雜纖維混凝土的質(zhì)量呈持續(xù)增長狀態(tài)；各配比混凝土的動彈性模量先基本不變而后下降，當(dāng)纖維摻量為0.8%+1.2%時經(jīng)受300次凍融循環(huán)作用后的相對動彈性模量仍保持在83.63%；各組混凝土抗壓強度變化規(guī)律與動彈性模量相似；PE和HPP粗細纖維的協(xié)同作用使混凝土脆性顯著改善，混雜纖維混凝土的韌性指數(shù)與殘余強度隨纖維摻量而變化，當(dāng)摻量為0.8%+1.2%時優(yōu)于理想彈塑性材料；經(jīng)凍融作用后，混凝土的彎曲韌性有一定的損傷，但沒有出現(xiàn)脆性斷裂，仍表現(xiàn)出較好的延展性.

水泥混凝土；混雜纖維；抗凍性；彎曲韌性；微結(jié)構(gòu)

凍融破環(huán)是混凝土構(gòu)件最常見的病害之一，尤其在我國三北地區(qū)、長江以北以及西南高寒等地區(qū)此類病害更為嚴重.混凝土結(jié)構(gòu)尤其是交通基礎(chǔ)設(shè)施中的混凝土結(jié)構(gòu)長期暴露在極端環(huán)境中，經(jīng)受溫度的循環(huán)變化作用而產(chǎn)生破損，嚴重影響結(jié)構(gòu)物的耐久性[1-2].纖維混雜增強技術(shù)可在力學(xué)和結(jié)構(gòu)等層次上產(chǎn)生互補，從而使混凝土的力學(xué)性能比單一纖維增強混凝土更為優(yōu)越，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注[3-4].但目前的研究主要側(cè)重于混雜纖維混凝土的力學(xué)、抗沖擊和抗裂等性能的測試與評價，關(guān)于其抗凍融性能的研究較少[5-6].

已有研究表明，雖然研究人員對纖維素纖維/聚丙烯纖維、聚丙烯仿鋼絲纖維/聚丙烯纖維、聚丙烯纖維/植物纖維等混雜纖維混凝土的抗凍性能陸續(xù)開展了研究，并發(fā)現(xiàn)兩種纖維混摻對混凝土的力學(xué)性能及抗凍性均有一定的改善[7-9]，但截止目前，關(guān)于凍融前后混凝土彎曲韌性的變化規(guī)律以及聚乙烯纖維(PE)/聚丙烯塑鋼纖維(HPP)混雜纖維混凝土凍融循環(huán)損傷機理等方面的研究尚未見報道.文中在優(yōu)選配合比前提下，探究PE/HPP兩種聚合物纖維混雜對混凝土抗凍性的影響，研究不同配比混雜纖維混凝土在凍融循環(huán)作用下的性能變化，并深入分析混雜纖維對混凝土抗凍性的影響機理，以期為實際工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比

采用的水泥為冀東盾石P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為武漢陽邏電廠I級粉煤灰，45 μm篩余6.5%；粗集料為5～20 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，表觀密度為2.75 g/cm3；砂為潔凈河砂，細度模數(shù)為2.69，表觀密度為2.64 g/cm3；PE與HPP的物理力學(xué)性能指標見表1；減水劑為西卡高效減水劑，固含量為18%，減水率為25%.

表1 纖維的物理力學(xué)性能

基于前期研究[3]，分別控制纖維的體積摻量為0.4%+0.8%、0.4%+1.2%、0.8%+0.8%、0.8%+1.2%，以同配合比素混凝土作為對照組，設(shè)計5種(A、B、C、D、E)配合比混凝土，見表2.配合比中粉煤灰采用內(nèi)摻法，占膠凝材料總質(zhì)量的20%.經(jīng)凍融作用后的混凝土試件編號為DR.

表2 混凝土配合比設(shè)計

1.2 試件制作與試驗方法

根據(jù)表2所示配比將稱量好的原材料倒入攪拌機中干拌1 min，邊攪拌邊倒入稱量好的水與減水劑，然后將混雜纖維均勻撒入，防止PE細纖維結(jié)團，加入后攪拌3 min.按照5種配合比制備得到的混雜纖維混凝土均工作性良好，無泌水、離析、露石以及纖維結(jié)團等現(xiàn)象，塌落度可保持在110～160 mm.在400 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×100 mm的標準模具中澆筑成型，振動密實并抹平試件表面；24 h后脫模，在標準條件下養(yǎng)護至預(yù)定齡期后取出，試件表面自然晾干，準備試驗.

采用快凍法進行混凝土抗凍性能研究[10]，所用測試裝置為HDK-9全自動快速凍融試驗機，該裝置最大運行功率為9 kW，溫度傳感器精度為0.2 ℃.試驗試件采用標準小梁試件，將試件桶側(cè)壁及底部加橡膠片墊塊后放入試件，將試件桶中加水至高過試件表面3～5 cm.采用質(zhì)量測試、動彈性模量和抗壓強度對混凝土凍融過程進行檢測，當(dāng)凍融試驗達到以下任何一種情況時停止試驗：凍融至300次循環(huán)；相對動彈性模量降至60%以下；質(zhì)量損失率達到5%[11].采用SANS萬能試驗機測試試件的彎曲韌性，支座跨距為300 mm，以0.2 mm/min的加載速率勻速加載，計算機同步采集數(shù)據(jù)，得到三分點彎曲試驗的載荷-撓度曲線[12].為了探討纖維的增韌抗凍機理，采用SEM(HitachiS-4800)對試件內(nèi)部進行微觀分析.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

不同配比混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，其外觀均發(fā)生不同程度的變化，如圖1所示.在凍融循環(huán)的初始階段，各配合比混凝土表面均完好無損；經(jīng)過100次循環(huán)后，素混凝土表面變粗糙，出現(xiàn)較多麻點；150次凍融循環(huán)后，素混凝土棱角出現(xiàn)少量的剝落，試件出現(xiàn)小孔洞，纖維混凝土邊角出現(xiàn)少許“發(fā)毛”現(xiàn)象；200次凍融循環(huán)后，纖維摻量為0.4%+1.2%與0.8%+0.8%的混雜纖維混凝土達到凍融循環(huán)試驗的停止標準，兩者表面出現(xiàn)較多的麻點，但沒有較大的孔洞出現(xiàn)，棱角剝落不太明顯，如圖1(c)和1(d)所示；250次凍融循環(huán)后，素混凝土以及纖維摻量為0.4%+0.8%的混雜纖維混凝土達到停止標準，素混凝土成型時振實不完全的氣孔區(qū)有較大的剝落狀況，甚至出現(xiàn)少量粗集料裸露，如圖1(a)所示，但此混雜纖維混凝土表面出現(xiàn)較多麻點以及小的孔洞，棱角剝落現(xiàn)象不明顯，如圖1(b)所示；經(jīng)300次凍融循環(huán)作用后，纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土表面只出現(xiàn)少量麻點，沒有剝落或破壞現(xiàn)象，如圖1(e)所示.

2.2 質(zhì)量變化

不同配比混凝土經(jīng)受不同凍融循環(huán)作用后，其表面有不同程度的剝落破壞現(xiàn)象，從而引起混凝土的質(zhì)量變化，其規(guī)律如圖2所示.

圖1 凍融循環(huán)后混凝土的宏觀形貌

圖2 凍融循環(huán)后混凝土的質(zhì)量損失率

質(zhì)量損失反映了混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)后抵抗剝落的能力.由圖2可以看出，素混凝土在前150個循環(huán)中質(zhì)量呈增加狀態(tài)，而隨著循環(huán)次數(shù)的進一步增多，素混凝土出現(xiàn)一定程度的剝落，使得質(zhì)量減少，在250次凍融循環(huán)結(jié)束后其質(zhì)量損失率達0.89%；混雜纖維混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)的整個過程中質(zhì)量損失率均為負值，也就是說混雜纖維混凝土質(zhì)量均呈增加狀態(tài).分析以上原因，主要是由于混凝土試件養(yǎng)護28 d后進行凍融循環(huán)試驗時處于浸泡狀態(tài)，相當(dāng)于對混凝土試件的繼續(xù)養(yǎng)護，使得尚未水化完全的水泥、粉煤灰繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，尤其是激發(fā)了火山灰效應(yīng)的產(chǎn)生，因此不同配合比的混凝土試件質(zhì)量均呈增加狀態(tài).混雜纖維混凝土中加入粗細兩種纖維后，纖維的捆綁與橋聯(lián)作用亦可以減小或消除膨脹應(yīng)力，因此在凍融循環(huán)過程中混雜纖維混凝土沒有較多的剝落，其質(zhì)量損失率體現(xiàn)為負值，而素混凝土在經(jīng)受一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)膨脹破壞后產(chǎn)生較大的剝落現(xiàn)象，試件剝落造成的質(zhì)量減少比水化反應(yīng)引起的質(zhì)量增加大，因此宏觀上表現(xiàn)為質(zhì)量減少，質(zhì)量損失率變?yōu)檎?

2.3 相對動彈性模量變化

不同配比混凝土經(jīng)受不同凍融循環(huán)作用下，其相對動彈性模量變化如圖3所示.相對動彈性模量變化比質(zhì)量的變化更能反映出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化.

圖3 凍融循環(huán)后混凝土相對動彈性模量的變化規(guī)律

Fig.3 Relative dynamic elasticity modulus of concrete after freeze-thaw cycles

由圖3可以看出，5種配比混凝土的相對動彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先基本不變隨后下降的規(guī)律.素混凝土以及纖維摻量分別為0.4%+1.2%、0.8%+0.8%的混雜纖維混凝土在經(jīng)受100次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量快速下降，且纖維摻量為0.4%+1.2%和0.8%+0.8%的混雜纖維混凝土在經(jīng)受200次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量分別下降至47.32%和57.64%，但素混凝土在經(jīng)受250次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量下降至54.34%.纖維摻量為0.4%+0.8%的混雜纖維混凝土經(jīng)受125次凍融循環(huán)后其相對動彈性模量下降最快，在250次凍融循環(huán)后其相對動彈性模量下降至59.76%，說明受凍以后材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的變化，致密性受到影響.纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土表現(xiàn)出高的抗凍性能，在經(jīng)受300次凍融循環(huán)過程中，該配合比混凝土的相對動彈性模量均沒有大幅度的下降，且直到300次循環(huán)結(jié)束時其相對動彈性模量仍達83.63%.

2.4 抗壓強度變化

為研究凍融循環(huán)作用下各配比混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，分別對5種配比混凝土在經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強度進行試驗，結(jié)果如表3所示.

表3 凍融循環(huán)后各配合比試件的抗壓強度

Table 3 Compressive strength of samples after freeze-thaw cycles for each mixture MPa

由表3可以看出，在混凝土中加入混雜纖維可以大幅度提高混凝土的抗壓強度.其中纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土的抗壓強度比素混凝土的抗壓強度增加了11.8%.這是由于纖維相互交叉分散在混凝土中，形成一種橋聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以分散混凝土內(nèi)部的應(yīng)力，減少微裂紋的產(chǎn)生和擴展，從而增加混凝土的強度；隨著凍融次數(shù)的增加，不同配比下混凝土的抗壓強度均呈逐漸下降狀態(tài)，這是由于混凝土在凍融循環(huán)過程中，其內(nèi)部的自由水受凍后體積膨脹，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多空隙和通道，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土內(nèi)部進入的自由水越來越多，凍融過程中的體積膨脹越嚴重，因此逐步使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致抗壓強度降低.

雖然纖維摻量為0.4%+1.2%和0.8%+0.8%的混凝土的動彈性模量相比于普通混凝土下降要快，但是從抗壓強度上來看其下降幅度遠低于普通混凝土，經(jīng)受200次凍融循環(huán)后各組混凝土的抗壓強度保持能力分別為90.0%、91.8%、93.2%、96.2%和98.6%.并且，結(jié)合質(zhì)量變化規(guī)律也可以看出，纖維摻量為0.4%+1.2%和0.8%+0.8%時混凝土試件質(zhì)量呈持續(xù)增長狀態(tài)，所以綜合來看混雜纖維的引入有利于抗凍性的提升.其中纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土在經(jīng)受300次凍融循環(huán)作用后，其抗壓強度達70.1 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗凍性能.這是因為在混凝土中加入適合摻量的混雜纖維，其協(xié)同效應(yīng)所產(chǎn)生的捆綁與橋聯(lián)作用亦可以減小或消除膨脹應(yīng)力，因此混雜纖維混凝土在經(jīng)受規(guī)定次數(shù)的凍融次數(shù)后抗壓強度均能達到60 MPa以上，表現(xiàn)出良好的抗凍性.

2.5 彎曲韌性特征

2.5.1 載荷-撓度曲線

各組配比混凝土的彎曲性能測試結(jié)果如圖4所示(圖中3條曲線代表同組3個試件的測試結(jié)果)，曲線特征點參數(shù)見表4.

圖4 凍融循環(huán)前后的載荷-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves before and after freeze-thaw cycles

從圖4中可以看出，DR-C與DR-D混雜纖維混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，雖然其初裂點與荷載峰值出現(xiàn)了變化，但其載荷-撓度變化曲線類似金屬材料，仍表現(xiàn)出良好的變形性能與強度保持能力.當(dāng)經(jīng)受一定次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，混凝土基體受到嚴重的破壞，此時主要由纖維與基體之間的摩擦、橋聯(lián)作用來承擔(dān)外部荷載的作用并耗散能量.研究中所選用的兩種纖維均為聚合物纖維，具有優(yōu)良的柔韌性，因此該混雜纖維混凝土在經(jīng)受一定次數(shù)凍融循環(huán)作用后，表現(xiàn)出良好的延展性.

同時，纖維摻量決定混凝土的變形特征，并對其抗凍性能帶來很大影響.從表4中可以看出，在混凝土中摻雜混雜纖維后，其抗彎拉強度得到明顯改善，可達到8.01 MPa.經(jīng)凍融作用后，各組混凝土的初裂撓度均增大，初裂抗彎拉強度均有一定的下降；素混凝土的極限抗彎拉強度下降最大，平均強度下降約43%.并且經(jīng)凍融作用后，纖維摻量為0.4%+1.2%與0.8%+0.8%的兩種混雜纖維混凝土的載荷-撓度曲線類似金屬材料的載荷-撓度曲線，整體表現(xiàn)出一定的延展性，沒有明顯的峰值.纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土表現(xiàn)出良好的彎曲韌性，各指標增幅最為明顯，混雜增韌效果最好且抗凍性能優(yōu)異；經(jīng)300次凍融作用后，其二次峰值抗彎拉強度超過初裂抗彎拉強度可達7.31 MPa，說明出現(xiàn)了明顯的變形硬化特征，其對應(yīng)的撓度可達1.34 mm，雖然初裂強度有所下降但對其后期承載能力的影響很小.

表4 彎曲性能試驗結(jié)果1)

2.5.2 彎曲性能評價

凍融循環(huán)作用前后各組混凝土的彎曲韌性指標計算結(jié)果見表5，表中各參數(shù)均為每組3個試件所得數(shù)據(jù)的平均值.

表5 彎曲韌性計算結(jié)果1)

1)fL/300和fL/150分別為跨中撓度達到L/300和L/150時對應(yīng)的測試強度值，L為支座間距.

根據(jù)ASTM C1018規(guī)范，彎曲韌性系數(shù)與殘余強度系數(shù)數(shù)值越大，混凝土的彎曲性能與韌性越佳.對比表中相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，不同纖維摻量的各組試件其I5、I10、I20和R5，10相比凍融損傷之前的變化比例分別為(7.3%，-12.5%，-54.7%，-39.7%)、(26.3%，-13.6%，-55.8%，67.3%)、(-12.2%，-45.3%，-70.4%，-75.3%)與(1.7%，-23.4%，-64.9%，-45.3%)，說明經(jīng)過凍融循環(huán)后，纖維混凝土的彎曲韌性會大幅降低，但是其I5值出現(xiàn)一定的波動，主要是因為初裂撓度變大，按照ASTM規(guī)范計算得到的積分面積增大.混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，初裂撓度均有所增大，主要是由于凍融作用使得混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu)變松散硬度下降，因此相應(yīng)的變形就有一定程度的增大.

與理想彈塑性材料對比，經(jīng)受凍融循環(huán)作用后的不同纖維摻量的各組試件，其I5、I10、I20和R5，10分別為(88%，63%，31.5%，38%)、(96%，57%，28.5%，18%)、(72%，47%，23.5%，22%)以及(114%，93.4%，46.7%，72.8%)，說明各配比混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)作用后仍具有不同程度的彎曲韌性，尤其是當(dāng)纖維摻量為0.8%+1.2%時各彎曲韌性指數(shù)值仍接近于理想彈塑性材料.圖5分別為當(dāng)粗纖維摻量取為0.8%和1.2%時，與細纖維協(xié)同作用下彎曲韌性指標I5、I10和R5，10的測試結(jié)果.可以明顯看出粗、細兩種纖維對混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)作用后的彎曲韌性均有非常顯著的影響，說明混凝土抗凍性能的優(yōu)劣與粗、細纖維協(xié)同效應(yīng)有很大的關(guān)系.

圖5 彎曲韌性指標

綜合相對動彈性模量、抗壓和抗彎拉性能測試結(jié)果可以看出，混雜纖維的加入對混凝土凍融前后力學(xué)性能和變形性能的改善均很明顯，尤其是變形性能，所以加入后混凝土的彈性模量下降很大.雖然在圖3中C和D組混雜纖維混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)后的動彈性模量下降要快于素混凝土，但是從其強度和彎曲韌性等指標來看并無不利影響.

2.6 混雜纖維協(xié)同作用機理與微結(jié)構(gòu)分析

2.6.1 協(xié)同作用機理分析

E組試件彎拉破壞時的狀態(tài)如圖6所示，試件底部中間部位出現(xiàn)一條主裂縫，且主裂縫旁衍生出多條微細裂紋.當(dāng)試件徹底破壞后，其斷裂面主要表現(xiàn)為粗集料與基體的剝離，粗、細纖維拔出.PE/HPP混雜纖維混凝土優(yōu)異彎曲性能的發(fā)揮主要得益于兩種纖維失效模式的搭配.當(dāng)混凝土內(nèi)部微裂紋開始擴展時，PE纖維將產(chǎn)生阻隔作用；當(dāng)產(chǎn)生宏觀裂縫時，細纖維長度有限，且大量的細纖維已拔出，導(dǎo)致其無法有效阻止大裂縫擴展，而HPP粗纖維單根承載力強，開始嵌鎖裂縫兩側(cè)基體而充分發(fā)揮阻裂作用，在其拔出過程中會消耗較多的能量，延緩大裂縫的擴展，致使混凝土破壞減緩，從而達到了宏觀尺度

圖6 試件破壞形態(tài)

與細觀尺度相互輔助的增韌效果.因此，粗細纖維的協(xié)同增韌作用可從以下兩個角度分析.

從細纖維角度來看，PE纖維中的PE分子憎水基團多，親水性差，表面有一定的光滑度，與水泥基體間的化學(xué)粘結(jié)薄弱，界面粘結(jié)以摩擦粘結(jié)為主，因此界面粘結(jié)強度相對較低，導(dǎo)致在裂縫擴展過程中PE纖維表現(xiàn)為撥出破壞.纖維拔離過程中可有效分擔(dān)破壞能量，纖維的傳遞和變形增大，會消除更多尖端集中應(yīng)力，纖維滑移會重新獲得橋接應(yīng)力，從而在基體內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生時及時有效地抑制小裂縫擴展，提高混凝土裂紋出現(xiàn)后的變形能力.

對于HPP纖維來講，其表面粗糙，直徑達0.8 mm，長度為28 mm，質(zhì)地較硬.該纖維易于分散，受粗集料空間分布的影響相對較小，可以相對均勻地分散在混凝土中.當(dāng)混凝土局部產(chǎn)生宏觀裂縫時，細纖維已難以起阻裂作用，此時HPP粗纖維開始充分發(fā)揮嵌鎖橋聯(lián)作用，界面作用模式以機械咬合為主，在混凝土后續(xù)承載開裂破壞過程中逐漸拔出破壞.

綜合來看，由于粗、細纖維與水泥基體界面的作用方式不同，作用時間也有差異，總體表現(xiàn)為橋聯(lián)作用機制的不同，因此針對混凝土多層次的結(jié)構(gòu)特點，只有當(dāng)增強體的比例合適時才能在裂紋產(chǎn)生以及穩(wěn)態(tài)擴展過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的阻抗作用.對于配比C，粗纖維的摻量是細纖維摻量的3倍，容易導(dǎo)致細纖維橋聯(lián)失效過早而影響增韌效果；對于配比D，兩種纖維的摻量一致，但是粗纖維的自身體積遠大于細纖維，因此二者的分布狀態(tài)差異太大從而影響增韌效果.所以，配比B和E受凍作用前后的各項性能均明顯優(yōu)于普通混凝土的配比A.

2.6.2 凍融循環(huán)對微結(jié)構(gòu)的影響分析

在配比E凍融作用前后的試件斷面處取樣進行SEM掃描，從微觀角度分析凍融作用前后混凝土的水化產(chǎn)物以及纖維與基體的粘結(jié)界面，微結(jié)構(gòu)分析如圖7所示.

對照圖7(a)和7(b)，經(jīng)SEM微結(jié)構(gòu)分析可以明顯看出，未經(jīng)受凍融處理的混凝土中水化產(chǎn)物C-S-H交錯生長，板片狀Ca(OH)2較少，結(jié)構(gòu)致密，而經(jīng)凍融循環(huán)作用后出現(xiàn)大量的六方板狀Ca(OH)2，并且松散的針棒狀鈣礬石數(shù)量增多.同時，經(jīng)受凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部孔隙較大，致密度下降，水化產(chǎn)物間連接較松散，所以經(jīng)過凍融循環(huán)后各組試件的抗壓和抗彎拉強度均有下降.由圖7(c)和7(d)可以看出纖維與基體的連接界面以及纖維的拔出痕跡.未經(jīng)受凍融循環(huán)作用的混雜纖維混凝土中纖維拔出的痕跡光滑，沒有微裂紋產(chǎn)生；經(jīng)凍融循環(huán)作用后混凝土中纖維拔出的通道表面粗糙，且出現(xiàn)較多微裂紋.裂紋逐漸向上擴展，到達纖維處裂紋分散、變小或閉合，說明纖維有抑制裂紋擴展、分散應(yīng)力的作用.纖維混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)作用時，混凝土內(nèi)部自由水結(jié)冰，體積膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，纖維的加入可產(chǎn)生較多的孔隙、通道，從而緩解并分散一定的集中應(yīng)力，使混凝土的破壞速度減慢，提高其抗凍融循環(huán)性能.由圖7(e)和7(f)纖維與混凝土基體的粘結(jié)界面可以看出，凍融作用前后的混凝土中，纖維與基體的連接均有較好的粘結(jié)、捆綁作用.在受到外力作用時可以有優(yōu)異的橋聯(lián)作用，在應(yīng)力的傳遞過程中纖維可承受較大的拉應(yīng)力，阻礙裂紋擴展，有效延遲試件的破壞，且纖維的拔斷或拔出可消除部分應(yīng)力.

圖7 凍融循環(huán)前后混凝土的微結(jié)構(gòu)

Fig.7 Microstructure of concrete before and after freeze-thaw cycles

3 結(jié)論

綜上所述，得出以下結(jié)論.

1)不同配比混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)過程中表面損傷的程度不同，其中普通混凝土出現(xiàn)較大的剝落，甚至出現(xiàn)少量粗集料裸露，而混雜纖維混凝土表面完整性較好，纖維摻量為0.8%+1.2%時經(jīng)300次凍融循環(huán)作用后表面只出現(xiàn)少量麻點，沒有剝落或破壞現(xiàn)象.

2)普通混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量呈先增長后降低的趨勢，而纖維混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量呈持續(xù)增長狀態(tài)；各配比混凝土的動彈性模量在整個凍融循環(huán)過程中呈先基本不變后下降的規(guī)律，但變化速率不同，其中纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土在經(jīng)受300次凍融循環(huán)作用后其相對動彈性模量仍保持為83.63%.

3)混雜纖維的摻入對混凝土抗壓強度有所提升，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組混凝土的抗壓強度表現(xiàn)出先基本不變后降低的變化規(guī)律；凍融試驗結(jié)束后混雜纖維混凝土的強度保持能力均優(yōu)于素混凝土，其中纖維摻量為0.8%+1.2%的混雜纖維混凝土在經(jīng)受300次凍融循環(huán)作用后其強度仍高于70 MPa.

4)PE和HPP粗細纖維的協(xié)同作用使混凝土脆性有了顯著的改善，混雜纖維混凝土的韌性指數(shù)與殘余強度隨纖維摻量而變化，當(dāng)摻量為0.8%+1.2%時優(yōu)于理想彈塑性材料；經(jīng)凍融作用后，混凝土的彎曲韌性有一定的損傷，但仍表現(xiàn)出較好的延展性；混雜纖維的協(xié)同效應(yīng)所產(chǎn)生的捆綁、橋聯(lián)作用可減弱體積膨脹產(chǎn)生的集中應(yīng)力對基體的破壞，所以抗凍性能提升.

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Frost Resistance of PE/HPP Hybrid Fiber-Reinforced Concrete

HERui1,2LIDan3WANGShuai4CHENHua-xin1,2

(1.School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China;2. Engineering Research Center of Transportation Materials of the Ministry of Education, Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China;3. Shaanxi Provincial Transport Planning Design and Research Institute,Xi’an 710065, Shaanxi, China;4. Shanxi Transportation Research Institute,Taiyuan 030006, Shanxi, China)

In this paper, first, hybrid fiber-reinforced concrete was prepared by using the hybrid fiber of polyethylene fiber (PE) and polypropylene plastic fiber (HPP). Then, the frost resistance of the reinforced concrete before and after the freeze-thaw process was investigated in terms of quality variation, dynamic elasticity modulus, compressive strength and flexural performance. Finally, the damage mechanism of the concrete was analyzed by using SEM analysis technique. The results show that (1) freeze-thaw cycles may cause obvious damage to plain concrete, and hybrid fiber can improve the integrity of concrete and decrease the surface damage; (2) the quality of plain concrete first increases and then decreases in the freeze-thaw cycle, while that of the hybrid fiber-reinforced concrete continuously increases; (3) the dynamic elastic modulus of the concrete with different proportions almost remains unchanged at first and then decreases; (4) after 300 freeze-thaw cycles, the relative dynamic elastic modulus of the concrete with a fiber content of 0.8%+1.2% still keeps at 83.63%;(5)the variation rule of compressive strength is similar to that of the dynamic elastic modulus; (6) the synergistic effect of fine-PE and coarse HPP fibers significantly improves the brittleness of concrete; (7) both the toughness index and the residual strength of hybrid fiber-reinforced concrete vary with the fiber content; (8) the prepared reinforced concrete is superior to the ideal elastic-plastic material when the hybrid fiber content is 0.8%+1.2%; and (9) freeze-thaw cycles may result in certain damage to the flexural toughness,but still no brittle fracture appears, and the concrete still possesses good ductility.

cement concrete; hybrid fiber; frost resistance; flexural toughness; micro-structure

2016-08-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508030);中國博士后科學(xué)基金資助項目(2015M582592);青海省重大科技專項(2014-GX-A2A);長安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(310831162001,310831161001) Foundation items: Supported by the National Nature Science Foundation of China(51508030),China Postdoctoral Science Foundation(2015M582592) and the Science and Technology Major Project in Qinghai Province(2014-GX-A2A)

何銳(1984-)，男，博士，副教授，主要從事道路材料與結(jié)構(gòu)研究.E-mail:heruia@163.com

1000-565X(2017)04-0087-08

U 414;TU 528

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.013