恒低溫養(yǎng)護對全輕聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能的影響

陳停偉，秦文博，王偉

(1.河南省建筑設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州，450000；2.鄭州航空港區(qū)盛世宏圖置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000；3.中建中原建筑設(shè)計院有限公司，河南 鄭州，450000)

受全球極端氣候影響以及隨著高寒鐵路、液化石油氣、液化天然氣儲蓄塔等低溫工程的陸續(xù)建設(shè)，混凝土在低溫及超低溫環(huán)境下的性能變化逐漸受到重視[1]。目前對輕骨料混凝土恒低溫后力學(xué)性能的研究有所報道。譬如，楊健輝等[2]證明了全輕混凝土只要保證前3d不受凍，低溫不僅不會對結(jié)構(gòu)造成損傷，反而會提高結(jié)構(gòu)剛度。而未見針對恒低溫養(yǎng)護下輕骨料混凝土的報道，對其性能研究的缺失，可能造成混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計不安全。輕骨料混凝土具有自保溫性能，其抗凍性優(yōu)于普通混凝土。因此，對恒低溫養(yǎng)護環(huán)境下輕骨料混凝土力學(xué)性能的研究是非常有必要的。

全輕混凝土指采用頁巖陶粒、頁巖陶砂全部替代普通混凝土中的輕、粗骨料配置而成的混凝土[3]，相同強度等級的普通混凝土具有質(zhì)輕高強[4-5]、隔聲、保溫隔熱、耐久性能好、抗震性能好、抗裂性好、無堿集料效應(yīng)等一系列優(yōu)良性能[6-8]。纖維的摻入能提高全輕混凝土的強度、延展性能，改善其脆性破壞過程[9-10]，尤其對全輕混凝土的抗裂縫能力和抗沖擊性能效果提升顯著[11-13]。恒低溫下養(yǎng)護到一定齡期后，其力學(xué)性能、熱工性能、耐久性能等與常溫時有很大差異[14]，所以全輕聚丙烯纖維混凝土恒低溫養(yǎng)護的力學(xué)性能研究對其在極端環(huán)境下的工程應(yīng)用具有重要意義。

根據(jù)本課題組多年的研究成果和工程實踐，以LC30級全輕聚丙烯纖維混凝土為例，分析養(yǎng)護溫度和齡期對全輕聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能的影響，以期為相關(guān)研究和工程實踐提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥為焦作堅固牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為焦作電廠產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰；頁巖陶粒(以下簡稱陶粒)和頁巖陶砂(以下簡稱陶砂)均為洛陽正全實業(yè)有限公司生產(chǎn)，其中，陶粒粒徑5～15mm，筒壓強度為4.5MPa，堆積密度為567～765kg/m3；陶砂粒徑小于5mm，堆積密度為602～774kg/m3，細度模數(shù)為2.33～3.37，連續(xù)級配；減水劑為萘系高效減水劑，減水率約為17%，摻量為膠凝材料的1.8%；水為自來水；纖維為聚丙烯纖維(以下簡稱PPF)，其物理力學(xué)性能指標見表1。

表1 聚丙烯纖維的物理力學(xué)性能指標
Table 1 Physical and mechanical properties of PPF

密度ρ/(×103kg/m3)長度l/mm直徑d/mm彈性模量E/GPa抗拉強度ft/MPa0.91190.048>3.5287

1.2 最優(yōu)配合比

根據(jù)本課題組前期試驗結(jié)果，結(jié)合《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T221-2010)，以質(zhì)量摻量0.9kg/m3的聚丙烯纖維，獲得全輕聚丙烯纖維混凝土，詳細配合比見表2。

表2 全輕聚丙烯纖維混凝土最優(yōu)配合比

1.3 試驗方法

1)陶粒提前24h預(yù)濕，采用二次投料和強制式攪拌機攪拌，攪拌方法按《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)規(guī)定。力學(xué)性能測試方法按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)規(guī)定，使用SYE-2000型壓力試驗機進行力學(xué)性能試驗。

2)常溫養(yǎng)護條件：溫度為(20±2)℃；恒低溫養(yǎng)護條件：調(diào)節(jié)低溫箱溫度為(-5±2)℃、(-10±2)℃、(-15±2)℃、(-20±2)℃、(-25±2)℃、(-30±2)℃。

3)目標溫度T(20℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃)、齡期t(3d、7d、14d、28d)，混凝土澆筑完成后立即放入低溫箱養(yǎng)護至目標齡期，取出后立即進行力學(xué)性能試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

全輕聚丙烯纖維混凝土試塊恒低溫養(yǎng)護一定齡期后表面會有一層薄霜，但顏色與常溫養(yǎng)護下無差別。-5℃、-10℃、-15℃養(yǎng)護的試件基本沒有掉角和剝落現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)新增裂縫。但低于-20℃養(yǎng)護的混凝土試塊，不僅會出現(xiàn)掉角和剝落現(xiàn)象，而且有明顯可見的新增裂縫。力學(xué)性能試驗時的破壞現(xiàn)象和破壞形式與常溫養(yǎng)護也有差異。常溫下試塊達到承受的極限荷載時，其中間位置會出現(xiàn)一條或若干條裂紋，隨荷載的增加裂紋會向上、下承壓面的角部迅速發(fā)展、貫通，形成主裂縫，豎向自由面會逐漸外鼓，最終形成正倒相連的四角錐形破壞。而隨著養(yǎng)護溫度T的降低，受壓加載過程中會伴有輕微碎裂聲，試件受壓上下斷面和邊角損壞越來越嚴重，兩端錐狀體也更加明顯，此時骨料會有破碎跡象，試件的完整性變得越來越差，破碎程度趨于嚴重。

根據(jù)表2中的全輕聚丙烯纖維混凝土配合比和試驗方法，特征強度試驗結(jié)果如表3所示。

表3 全輕聚丙烯纖維混凝土特征強度

注：fcu3d、fc3d、fts3d分別為3d(以下不再標注)立方體抗壓強度(簡稱抗壓強度)、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度(簡稱劈拉強度)/MPa，以下三者統(tǒng)稱特征強度。

2.2 恒低溫對抗壓強度的影響

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，立體抗壓強度與齡期、養(yǎng)護溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

(a)抗壓強度與齡期的關(guān)系

(b)抗壓強度與養(yǎng)護溫度的關(guān)系

采用最小二乘法對低溫養(yǎng)護條件下混凝土抗壓強度試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到混凝土抗壓強度與溫度、齡期之間的部分表達式分別如式(1)、(2)所示。

fcutd=-0.001t2+0.074 1t+8.42，3d≤t≤28d，T=-30℃，R2=0.981 6

(1)

fcu28d=-0.011T2+0.406T+29.94，-30℃≤T≤20℃，R2=0.944 6

(2)

由圖1和式(1)、(2)知，恒低溫下抗壓強度變化規(guī)律與常溫養(yǎng)護一致，fcutd隨t的增加而增大，但增長速度緩慢；fcu隨T的降低而降低，降低速度較快,但均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的fcu28d較20℃養(yǎng)護下分別下降了10%、22%、42%、53%、64%、71%，小于-20℃抗壓強度已不足常溫養(yǎng)護時的50%，混凝土損傷嚴重。

全輕聚丙烯纖維混凝土試塊澆筑后直接放入恒低溫環(huán)境養(yǎng)護，其完全處于恒低溫環(huán)境中，混凝土內(nèi)部部分水分會以固態(tài)冰的形式存在，只有小部分水以液態(tài)存在微孔中，水泥水化反應(yīng)受到影響，水泥水化產(chǎn)物生成較少且骨料的粘結(jié)性差。溫度的持續(xù)降低混凝土中水分會全部變成冰，會導(dǎo)致混凝土試塊凍脹，破壞膠凝材料水化物結(jié)構(gòu)及水泥石[15-17]，抗壓強度降低。PPF纖維的摻入能吸收部分能量，阻止因凍脹產(chǎn)生的微裂縫發(fā)展，使得全輕聚丙烯纖維混凝土的抗裂、抗凍能力有一定的增強[18-19]，大于文獻[20]的全輕混凝土抗壓強度值，也證明了以上結(jié)論。

2.3 恒低溫對軸心抗壓強度的影響

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，軸心抗壓強度與和齡期、養(yǎng)護溫度之間的關(guān)系如圖2所示，軸心抗壓強度與立方體抗壓強度(即fc28d/fcu28d)關(guān)系如圖3所示。

(a)軸心抗壓強度與齡期的關(guān)系

(b)軸心抗壓強度與養(yǎng)護溫度的關(guān)系

圖3 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.3 The ralationships between axial and cubic compressive strength

采用最小二乘法對恒低溫養(yǎng)護條件下混凝土軸心抗壓強度試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到混凝土軸心抗壓強度與溫度、齡期之間的部分表達式分別如式(3)、(4)所示。

fctd=-0.001t2+0.073 9t+7.14，3d≤t≤28d，T=-30℃，R2=0.992 9

(3)

fc28d=-0.009T2+0.3863T+26.93，-30℃≤T≤20℃，R2=0.980 9

(4)

由圖2知，全輕聚丙烯纖維混凝土fctd變化規(guī)律和fcutd基本一致，并且與T、t也表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的fc28d較20℃養(yǎng)護下分別下降了16%、26%、40%、54%、65%、74%，損失率依次增大，較抗壓強度值有所降低，但均大于文獻[20]的全輕混凝土軸心抗壓強度值，證明了聚丙烯纖維能夠提高全輕混凝土的抗凍性和強度。

由圖3可知，fc28d/fcu28d隨溫度降低先減小后增大再減小，其范圍在0.84～0.96之間，比(JGJ51-2002)規(guī)定的輕骨料混凝土LC30級對應(yīng)的fc=(0.66～0.67)fcu要高很多，比普通混凝土的fc28d/fcu28d(0.76)也要高一些。主要是由于全輕聚丙烯纖維混凝土中的陶粒、陶砂材質(zhì)疏脆、孔隙率較大，軸向荷載作用下，試塊受壓的尺寸效應(yīng)較普通混凝土弱[21]，使其軸心抗壓和立方體抗壓強度相差不大，所以fc28d/fcu28d較普通混凝土略大。

2.4 恒低溫對劈拉強度的影響

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，劈拉強度與齡期、養(yǎng)護溫度之間的關(guān)系如圖4所示。

(b)劈拉強度與養(yǎng)護溫度的關(guān)系

采用最小二乘法對恒低溫養(yǎng)護條件下混凝土劈拉強度試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到混凝土劈拉強度與溫度、齡期之間的部分表達式分別如式(5)、(6)所示。

ftstd=-0.001t2+0.009t+1.45，3d≤t≤28d，T=-30℃，R2=0.989 3

(5)

fts28d=-0.001T2+0.036 8T+3.56，-30℃≤T≤20℃，R2=0.956 0

(6)

綜合表3、圖4可知，混凝土ftstd的變化規(guī)律也與fcutd和fctd相似，與T、t同樣有良好的相關(guān)性。其中，20℃的fts7d為fts28d的76%；-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的fts28d較20℃養(yǎng)護下分別下降了7%、19%、31%、43%、48%、58%，強度損失依次增大。但其-25℃時劈拉強度還有常溫養(yǎng)護時的52%，聚丙烯纖維對劈拉強度的增強作用較抗壓強度、軸心抗壓強度大，并且均大于文獻[20]全輕混凝土劈拉強度值，同樣證明聚丙烯纖維能夠提高全輕混凝土的韌性和抗凍性。

由圖4可知，混凝土經(jīng)歷不同的低溫養(yǎng)護后，其劈拉強度呈非線性變化，分為3個階段：①-5℃≤T≤20℃時，強度緩慢變化階段，此時混凝土的劈拉強度會隨著養(yǎng)護溫度降低而緩慢減小，且減小幅度不大；②-25℃≤T≤-5℃時，強度快速損傷階段，劈拉強度隨溫度的降低基本呈線性下降，且隨齡期增大斜率越大；③-30℃≤T≤-25℃時，強度緩慢衰退階段，此時劈拉強度隨溫度的降低呈緩慢降低的趨勢，劈拉強度損失嚴重，達到了劈拉強度最小值[22-24]。

2.5 低溫對彈性模量的影響

全輕聚丙烯纖維混凝土彈性模量與齡期、養(yǎng)護溫度之間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，混凝土處于恒低溫養(yǎng)護條件下的彈性模量變化規(guī)律與特征強度的變化規(guī)律相似，隨T的降低而降低，隨t的增加而增加。齡期養(yǎng)護相同時，溫度高于-5℃后折線變化趨于平緩，齡期3d混凝土在20℃與-5℃養(yǎng)護時的彈性模量基本一致，但大于其它恒低溫養(yǎng)護溫度的彈性模量，同樣大于文獻[20]中全輕混凝土的彈性模量。

由于混凝土處于恒低溫環(huán)境下養(yǎng)護時，內(nèi)部游離水部分凝結(jié)成冰造成混凝土體積膨脹，產(chǎn)生微裂縫，剩余水分被擠壓進入裂縫繼續(xù)結(jié)冰，是裂縫繼續(xù)發(fā)展，使混凝土內(nèi)部損傷越來越嚴重[25-26]，并且早期養(yǎng)護時的溫度越低，損傷越嚴重，抗變形能力越差，彈性模量越小。

2.6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線與養(yǎng)護齡期和養(yǎng)護溫度的關(guān)系圖如圖6所示。

(a)不同齡期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，T=20℃

(b)不同養(yǎng)護溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，t=28d

由圖6(a)可知，常溫養(yǎng)護條件下，全輕聚丙烯纖維混凝土的峰值應(yīng)力σc隨著t增加而增大，σ-ε曲線變得高而陡，但峰值應(yīng)變εc的增加幅度較小。圖6(b)則隨著T升高，σ-ε曲線同樣變得高而陡，σc增加幅度相同時，εc增加越來越少，恒低溫養(yǎng)護下全輕聚丙烯纖維混凝土在較小應(yīng)力下就已經(jīng)發(fā)生破壞。常溫養(yǎng)護下，混凝土的壓應(yīng)變小于2000×10-6時，σ-ε關(guān)系基本保持線性；恒低溫養(yǎng)護下情況則較為復(fù)雜，隨溫度降低，曲線斜率一直減小，試塊破壞有突發(fā)性，-25℃、-30℃的σ-ε曲線沒有測出下降段試塊就已經(jīng)發(fā)生破壞。由此可見，不論是同齡期時隨著T升高，還是同溫度時隨著t增加，應(yīng)力變化幅度相同時，變形減小，這與前述特征強度的變化特征相一致。

3 結(jié)論

通過對LC30級全輕聚丙烯纖維混凝土進行不同恒低溫和齡期的養(yǎng)護，分析溫度、齡期分別對全輕聚丙烯纖維混凝土的立方體抗壓、軸心抗壓、劈拉強度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，得到如下結(jié)論：

1)全輕聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度、軸心抗壓強度、劈拉強度隨溫度降低有不同程度降低，強度損失率依次增大，低于-20℃時抗壓強度已不足常溫的50%，混凝土損傷嚴重；強度隨齡期增長而提高，但增長速度較慢。彈性模量和峰值應(yīng)力隨溫度升高和齡期增長而增大，而峰值應(yīng)變增加幅度減小。這些特征的變化規(guī)律表明，恒低溫養(yǎng)護后其強度特征指標均較大降低。

2)分別給出了全輕聚丙烯纖維混凝土各力學(xué)性能指標隨養(yǎng)護溫度、齡期變化的部分擬合公式，可為相關(guān)試驗與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。

3)恒低溫作用是混凝土損傷的一個重要因素，對恒低溫工作的混凝土結(jié)構(gòu)不注意保護，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷甚至凍壞，溫度越低混凝土的水化速率越慢，其承載力就越低。對于低溫下特殊施工及正常條件下的負溫施工，必須進行抗凍設(shè)計并且做好結(jié)構(gòu)的保溫措施，否則可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴重損傷。