多種纖維混凝土抗凍性能研究

張 生

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610017)

[定稿日期]2018-01-05

隨著西部大開(kāi)發(fā)，在高寒地區(qū)我們國(guó)家已修建了越來(lái)越多的隧道，據(jù)高寒地區(qū)隧道調(diào)查顯示，接近90 %的隧道或多或少的發(fā)生了凍害，有滲漏情況的隧道接近60 %，有約20 %的隧道有二次襯砌剝落、開(kāi)裂的現(xiàn)象。從而導(dǎo)致這些隧道的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用過(guò)高，甚至影響隧道結(jié)構(gòu)安全[2]。

季節(jié)性凍土隧道綜合防抗凍技術(shù)主要分為兩塊，一是防凍技術(shù)，主要是通過(guò)設(shè)置保溫層、電加熱、保溫或深埋水溝被動(dòng)性的防凍；二是抗凍技術(shù)，主要是通過(guò)提高隧道二次襯砌的抗凍性能。寒區(qū)隧道二次襯砌耐久性重要的一項(xiàng)指標(biāo)就是抗凍性。關(guān)于提高混凝土的抗凍性能，許多學(xué)者從不同角度做了大量的研究，其中很重要的一個(gè)方向就是在混凝土中添加纖維，但是面對(duì)市場(chǎng)上種類繁多的纖維類型，究竟哪一種更好、最優(yōu)纖維摻量是多少，仍然研究較少，系統(tǒng)性不夠完善。本文在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，以素混凝土為基準(zhǔn)，選擇纖維素纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇三種纖維進(jìn)行凍融試驗(yàn)，并觀測(cè)其微觀結(jié)構(gòu)，初探其抗凍機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及試件設(shè)計(jì)

采用普通自來(lái)水，常用的P.O.42.5R水泥，河沙(細(xì)度模數(shù)1.7),粗集料(最大粒徑為16 mm的碎石),引氣型減水劑；選取的三種纖維主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 纖維的性能指標(biāo)

本次采用的混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度為常用的C30，由前人研究可知，該三種纖維的最優(yōu)摻量均在0.9 kg/m3左右[4-5]。因此，本文的兩種纖維摻量均為0.9 kg/m3，本次試驗(yàn)其基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表2。

表2 施工配合比 kg/m3

試件主要包括兩部分，即：(纖維)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、(纖維)混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)試件的尺寸、個(gè)數(shù)及坍落度值如表3所示。

表3 試驗(yàn)試件概況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)的試件制作、試驗(yàn)方法主要依據(jù)JGJ55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、GB-T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB-T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》等試驗(yàn)規(guī)范，混凝土采用HJW-60型強(qiáng)制攪拌機(jī)拌合。

本實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度試驗(yàn)采用的是200 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)；其主要過(guò)程為：將立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)成型側(cè)面做承壓面并使其與試驗(yàn)機(jī)上下壓板軸心對(duì)齊，控制加載速度為11.3 kN/s(約0.502 MPa/s)，直至試件破壞，并記錄破壞時(shí)壓力機(jī)數(shù)值。

本文凍融實(shí)驗(yàn)方法采用快凍法進(jìn)行。本次凍融實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備是KDR-V9全自動(dòng)混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)和DT-W18型混凝土動(dòng)彈性模量測(cè)定儀?？箖鲈嚰某叽鐬?00 mm×100 mm×400 mm，每種纖維摻量澆筑3個(gè)試件。試件經(jīng)過(guò)2晝夜后脫模，并立即進(jìn)行外觀檢查，符合要求的放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度≥95 %)養(yǎng)護(hù)。待養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到24 d時(shí)，從標(biāo)養(yǎng)箱取出試件并置于20±2 ℃的水中浸泡4 d，達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行混凝土凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中每?jī)鋈?5次對(duì)試件進(jìn)行一次動(dòng)彈性模量及質(zhì)量檢測(cè)。本次SEM試驗(yàn)主要利用JSM-7500F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，將纖維混凝土切成小薄片，放入電子顯微鏡下觀測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

試件加載后，豎向發(fā)生壓縮變形，水平向?yàn)樯扉L(zhǎng)變形。但試件的上、下端因受到加載壓頭的約束而橫向變形小，中部的橫向膨脹變形最大。隨著荷載或試件應(yīng)力的增大，試件的變形逐漸加快增長(zhǎng)。試件接近破壞前，首先在試件高度的中央及靠近側(cè)表面的位置上出現(xiàn)豎向裂縫，然后逐漸延伸，并逐漸由表層向混凝土內(nèi)部擴(kuò)展，表層混凝土開(kāi)始剝落，最終形成正倒相接的四角錐破壞形態(tài)。

由圖1可知，本次強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)同組試件強(qiáng)度值離散性較小，所測(cè)數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。圖1中S為素混凝土，J為聚丙烯纖維混凝土，P為聚乙烯醇纖維混凝土，X為纖維素纖維混凝土(下同)。

圖1 纖維混凝土28d抗壓強(qiáng)度值

實(shí)驗(yàn)表明：聚丙烯纖維的摻入對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有略微提高，提高幅度大約為2 %；而聚乙烯醇纖維及纖維素纖維的摻入對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定程度的降低，但幅值都比較小，其降低幅度分別約為3 %、7 %。綜上所述，纖維的摻入主要影響混凝土的和易性，但不同纖維對(duì)混凝土的影響有所不同，而纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響甚小。

2.2 凍融試驗(yàn)

在凍融循環(huán)作用下,隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土表面均逐漸出現(xiàn)疏松孔洞、漿皮脫落的現(xiàn)象，但出現(xiàn)的時(shí)間有著明顯的區(qū)別。聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)25次后即出現(xiàn)較明顯的表皮剝落、粗骨料外露的現(xiàn)象；而素混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土則是在凍融循環(huán)75次后才逐漸開(kāi)始出現(xiàn)表皮剝落的現(xiàn)象；纖維素纖維混凝土則在經(jīng)過(guò)125次凍融循環(huán)后才有輕微的表皮剝落的現(xiàn)象，在這之前主要是孔洞逐漸增多、擴(kuò)大直至連通的過(guò)程。在表皮剝落后聚丙烯纖維混凝土能夠明顯看見(jiàn)聚丙烯在混凝土內(nèi)部雜亂分布的現(xiàn)象，而纖維素纖維肉眼幾乎無(wú)法看見(jiàn)。

300次凍融循環(huán)后，各組試件表面情況如圖2所示。素混凝土表面剝蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，在頂(底)面粗骨料剝落嚴(yán)重。而聚乙烯醇纖維混凝土與纖維素纖維混凝土的情況卻比較輕微，尤其是纖維素纖維，幾乎沒(méi)有粗骨料剝落現(xiàn)象發(fā)生，其表面甚至還有較為光滑的表面存在，只有X2-2試件表面有1～2顆粗骨料剝落。這也表明，纖維素纖維在凍融后期增強(qiáng)混凝土抗剝落能力十分有效。

(a) 素混凝土

(b) 聚乙烯醇纖維混凝土

(c) 纖維素纖維混凝土圖2 300次凍融循環(huán)后混凝土試件

(1) 凍融后所有種類混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增大，同類型混凝土質(zhì)量損失率差異較小，不同類型混凝土的質(zhì)量損失率差異較大。由圖3可知，素混凝土在凍融初期無(wú)明顯的質(zhì)量損失，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到125次以后，其質(zhì)量損失速率才明顯加大。聚丙烯纖維混凝土在凍融初期就開(kāi)始出現(xiàn)質(zhì)量損失，凍融循環(huán)大約100次以后，其質(zhì)量損失速率明顯加快，通過(guò)對(duì)比說(shuō)明摻入聚丙烯纖維將會(huì)削弱混凝土的抗剝落能力。對(duì)于聚乙烯醇纖維，凍融初期無(wú)明顯的質(zhì)量損失，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到125次以后，其質(zhì)量損失率才明顯加大，但其速率明小于素混凝土質(zhì)量損失速率。而對(duì)于兩組摻入纖維素纖維的混凝土試件，在凍融初期，基本沒(méi)有質(zhì)量損失，當(dāng)其凍融循環(huán)大約150次后，其才出現(xiàn)比較明顯的質(zhì)量損失，說(shuō)明摻入纖維素纖維有助于增強(qiáng)混凝土凍融初期表面抵抗表面剝落的能力。200次凍融循環(huán)后，兩組聚丙烯纖維質(zhì)量損失率已達(dá)5 %，已達(dá)到破壞的標(biāo)準(zhǔn)。300次凍融循環(huán)后，素混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土和纖維素纖維混凝土的質(zhì)量損失率分別為3.06 %、2.45 %、1.76 %?？梢?jiàn)，聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的摻入明顯降低了混凝土在凍融過(guò)程中的質(zhì)量損失，尤其以纖維素纖維更為突出，然而聚丙烯纖維的摻入則明顯增強(qiáng)了混凝土在凍融過(guò)程中的質(zhì)量損失。說(shuō)明纖維的親水性與否對(duì)混凝土在凍融過(guò)程中抵抗質(zhì)量損失有著重要的影響。不同類型纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 不同類型纖維混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖4 不同類型纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

(2) 除質(zhì)量損失率以外，相對(duì)東彈性模量是衡量混凝土凍融破壞另一個(gè)重要指標(biāo)，相對(duì)動(dòng)彈性模量是利用動(dòng)彈性模量測(cè)定儀根據(jù)聲波檢測(cè)原理測(cè)定混凝土試件的共振頻率，而后根據(jù)式1計(jì)算得出，通過(guò)多次測(cè)量、計(jì)算從而得到混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中內(nèi)部損傷的演化規(guī)律。

(1)

式中：Pi為經(jīng)N次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量(%)；fni為經(jīng)N次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的橫向基頻(Hz)；f0i為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第個(gè)試件橫向基頻初始值(Hz)。

凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)前，S1、S2、J1、J2、P1、P2、X1、X2的動(dòng)彈性模量分別為40.62、39.86、40.20、39.92、39.49、39.00、39.05、39.90 GPa，各組的動(dòng)彈性模量值均十分接近，約為40 GPa，說(shuō)明纖維的摻入對(duì)混凝土的初始動(dòng)彈性模量影響很小。由纖維混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)可知，S2、J1、J2經(jīng)歷較少次凍融循環(huán)后便達(dá)到了破壞標(biāo)準(zhǔn)，而S1、P1、X2則經(jīng)過(guò)300次凍融后方達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，其動(dòng)彈性模量分別為20.68、19.41、22.89 GPa。300次凍融循環(huán)后，P2與X1仍未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，其動(dòng)彈性模量分別為23.35 GPa與27.26 GPa，相比凍融前，分別降低了約40 %和32 %。由此可以看出，纖維素纖維混凝土的整體抗凍性能明顯優(yōu)于另外三種混凝土。

2.3 微觀試驗(yàn)

電鏡實(shí)驗(yàn)待測(cè)纖維混凝土試樣，其樣品厚度為1～2 mm，邊長(zhǎng)約為5～10 mm。其樣品厚度為1～2 mm，邊長(zhǎng)為5～10mm。

圖5為聚丙烯纖維混凝土掃描電鏡結(jié)果。由圖5可知，纖維表面光滑，只有極少量的水泥砂漿粘接在纖維表面。纖維與水泥砂漿之間存在一個(gè)明顯的薄弱帶。

圖5 聚丙烯纖維混凝土電鏡掃描結(jié)果

圖6為聚乙烯醇纖維混凝土掃描電鏡結(jié)果。由圖6可知，纖維表面較為光滑，有少量水泥砂漿粘接在纖維表面。同聚丙烯纖維相比，聚乙烯醇纖維與水泥砂漿的薄弱面不甚明顯。

圖6 聚乙烯醇纖維混凝土電鏡掃描結(jié)果

圖7為纖維素纖維混凝土掃描電鏡結(jié)果。由圖7可知，纖維素纖維可以同水泥砂漿很好的膠結(jié)在一起，纖維表面與水泥砂漿較好的附裹在一起，且纖維與混凝土的膠結(jié)面不明顯，無(wú)清晰的薄弱面存在。

圖7 纖維素纖維混凝土電鏡掃描結(jié)果

通過(guò)掃描電鏡結(jié)果可知，三種纖維與水泥砂漿的膠結(jié)能力不一樣，其膠結(jié)能力由強(qiáng)到若分別為：纖維素纖維>聚乙烯醇纖維>聚丙烯纖維。在凍融環(huán)境作用下，自由水結(jié)冰體積膨脹，當(dāng)冰體垂直于纖維縱向時(shí)，由于纖維與混凝土的膠結(jié)作用，可以減緩孔裂隙的應(yīng)力集中，并起到阻裂的作用，致使混凝土內(nèi)部孔裂隙生長(zhǎng)緩慢，從而提高混凝土的抗凍能力。另一方面，自由水沿著纖維縱向滲入，當(dāng)自由水受凍膨脹后，其在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)一步加速纖維與水泥砂漿剝離，從而加速混凝土的凍融破壞。以上分析可知，纖維在混凝土內(nèi)部一方面由于橫向阻裂提高混凝土的抗凍能力；一方面由于縱向的薄弱帶，加速水分向內(nèi)滲入，從而降低混凝土的抗凍能力。所以，纖維對(duì)混凝土的作用是這兩方面的綜合結(jié)果。當(dāng)纖維能與水泥砂漿較好膠結(jié)時(shí)，不僅能提高橫向阻裂能力，而且可以減緩纖維縱向的破壞程度，從而提高混凝土的抗凍融能力。這也解釋了纖維素纖維混凝土的抗凍能力優(yōu)于其他兩種纖維混凝土。

2.4 作用機(jī)理分析

一般認(rèn)為，混凝土的凍融是一個(gè)物理作用過(guò)程。目前比較經(jīng)典的凍融破壞理論主要是靜水壓理論、滲透壓理論等[6]。這兩種理論均認(rèn)為混凝土在受凍過(guò)程中內(nèi)部總存在著水分遷移的現(xiàn)象。這兩種理論無(wú)論哪一種占據(jù)主導(dǎo)地位，其內(nèi)部均存在著水分遷移，由此可見(jiàn)水分遷移是造成混凝土受凍損傷的主要原因[7]。在水分遷移過(guò)程中水泥漿體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)水泥石的抗拉強(qiáng)度時(shí)即會(huì)使毛細(xì)孔遭到破壞，從而在混凝土內(nèi)部形成微裂紋，進(jìn)而使混凝土發(fā)生宏觀破壞[8]。

將纖維摻入混凝土中，纖維雜亂無(wú)序的分布可阻止微小裂縫的擴(kuò)展，從而提高混凝土的抗凍能力。摻入纖維是否有利于提高混凝土的抗凍能力，還有摻入的纖維本身的材質(zhì)有關(guān)，聚丙烯纖維屬于憎水性纖維，其與水泥漿體膠結(jié)時(shí)，在其周邊形成明顯的薄弱帶，當(dāng)凍融循環(huán)時(shí)，混凝土內(nèi)液體沿著這一薄弱層往復(fù)流動(dòng)，引起混凝土沿著該纖維長(zhǎng)度方向發(fā)生破壞，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部逐漸疏松，宏觀上混凝土表面剝落，降低了混凝土本身的抗凍性能。相反，由于聚乙烯醇纖維、纖維素纖維屬于親水性纖維，能夠與水泥漿體發(fā)生較好的膠結(jié)，特別是纖維素纖維，不會(huì)像聚丙烯纖維那樣在纖維周邊形成明顯的薄弱地帶，加上纖維本身的抗拉強(qiáng)度較高，當(dāng)混凝土內(nèi)部發(fā)生凍融破壞時(shí)，纖維素可有效阻礙內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，并使表面剝落現(xiàn)象明顯降低，大大提高了混凝土的抗凍性能。

3 結(jié)論

(1)四種不同類型混凝土抗凍能力由強(qiáng)至弱分別為：纖維素纖維混凝土>聚乙烯醇纖維混凝土>素混凝土>聚丙烯纖維混凝土；

(2)纖維摻入混凝土后主要通過(guò)改變其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響其抗凍性能；

(3)疏水性纖維摻入后形成的有害孔隙較多，內(nèi)部微缺陷連通性好，較多的滲水通道加速了混凝土凍融損傷；親水性纖維摻入后形成較多的微細(xì)孔隙，內(nèi)部微缺陷連通性差，孤立的微細(xì)孔隙可在一定程度上釋放水分遷移形成的壓力，提升混凝土的抗凍能力；

(4) 纖維主要通過(guò)調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響混凝土的性能；但在凍融過(guò)程中，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及其機(jī)制仍不明確；今后將結(jié)合工業(yè)CT進(jìn)一步研究其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)在凍融損傷過(guò)程中的演化規(guī)律，從微細(xì)觀角度進(jìn)一步探討混凝土凍融損傷機(jī)制。

[1] 中華人民共和國(guó)發(fā)展和改革委員會(huì).國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013-2030)[OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201402/P020140221361534132568.pdf.

[2] 葉秀璽.寒區(qū)隧道凍害防治技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)安大學(xué),2010.

[3] 陳建勛.隧道凍害防治技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)安大學(xué),2004.

[4] 鄧宗才，張永方.纖維素纖維混凝土抗凍性試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2012(12):44-47.

[5] 黃功學(xué)，趙軍，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融后力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2009,31(5)：105-108.

[6] 李藝，趙文.混雜纖維混凝土阻裂增韌及耐久性能[M].科學(xué)出版社，2012.

[7] 劉中林, 趙振祥, 馮金東. 混凝土凍害研究與防凍施工[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2011.

[8] 何柏，張生，陳昕，等. 纖維親水性能對(duì)改善混凝土抗凍能力的影響[J].四川建筑科學(xué)研究,2014,40(1): 245-248.