纖維陶?；炷羶鋈谛阅芗皳p傷模型試驗(yàn)研究

李秀，朱紅兵，邵旭亮，向杰，石衛(wèi)華

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院 交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院； 3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

纖維陶?；炷磷鳛橐环N輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗震、抗裂、耐久的新型綠色材料，更加符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)大跨度、超高層工程結(jié)構(gòu)的需求。近幾十年來，混凝土結(jié)構(gòu)因耐久性不足導(dǎo)致建筑物過早退役，造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。抗凍性是混凝土耐久性最具代表性的指標(biāo)之一。因此纖維陶?；炷恋目箖鲂匝芯繉?duì)其推廣應(yīng)用具有重要的推進(jìn)作用和實(shí)用價(jià)值。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土凍融損傷模型的研究主要集中在建立以凍融循環(huán)次數(shù)為單一自變量的指數(shù)模型、一次模型或者二次多項(xiàng)式模型，且對(duì)陶?；炷恋膬鋈趽p傷研究較少。由于纖維混凝土凍融損傷受纖維摻量和凍融循環(huán)雙重影響，建立凍融循環(huán)和纖維摻量兩個(gè)自變量的凍融損傷模型非常必要。該文通過不同摻量的纖維陶?；炷羶鋈谠囼?yàn)，研究凍融循環(huán)下纖維陶粒混凝土質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量的損傷規(guī)律，并建立凍融循環(huán)次數(shù)和纖維摻量兩個(gè)自變量的凍融損傷模型，以期更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料及混凝土配合比

試驗(yàn)采用P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其密度為3.15 g/cm3；粗骨料選用某公司生產(chǎn)的900級(jí)高強(qiáng)碎石型頁巖陶粒，試驗(yàn)前進(jìn)行1 h預(yù)濕處理；細(xì)骨料為顆粒級(jí)配良好的天然砂(細(xì)度模數(shù)為2.7)；礦物摻料為Ⅰ級(jí)粉煤灰和S95級(jí)礦粉；纖維選用束狀單絲聚丙烯纖維；減水劑采用HSC聚羧酸高性能減水劑，其固含量為20%；纖維陶粒混凝土配合比見表1。

表1 纖維陶粒混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法，在TDR-10型快速凍融試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。凍融試驗(yàn)開始前把所有試件放入水中浸泡4 d，保證試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí)均處于飽水狀態(tài)，試驗(yàn)過程中,試件中心高低和最高溫度控制在(-18±2) ℃和(5±2) ℃內(nèi)，每次凍融循環(huán)時(shí)間為2～4 h。試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，棱柱體試件用來測試質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量，立方體試件用來測試抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

每凍融循環(huán)25次后，測量一次試件質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度(破壞試驗(yàn))、劈裂抗拉強(qiáng)度(破壞試驗(yàn))，同時(shí)觀察記錄每25次凍融循環(huán)對(duì)應(yīng)的凍融損傷情況。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

每經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后觀察一次試件的外觀。其中凍融175次循環(huán)后各組試件照片見圖1。

試驗(yàn)過程中觀察到，在凍融循環(huán)50次時(shí)，P-A組試件外表面開始出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，其余3組摻加纖維的試件并無明顯形態(tài)變化。凍融循環(huán)達(dá)到100次時(shí)，P-A組試件外表面保護(hù)層剝蝕嚴(yán)重并出現(xiàn)麻面現(xiàn)象，部分邊角處出現(xiàn)混凝土剝落現(xiàn)象，同時(shí)P-B組、P-C組、P-D組試件均出現(xiàn)明顯的剝蝕現(xiàn)象，但P-C組外表面剝蝕的程度相比較輕。凍融循環(huán)175次時(shí)，

圖1 凍融循環(huán)175次后各組試件外觀對(duì)比

P-A組外表面麻面現(xiàn)象嚴(yán)重，試件局部出現(xiàn)坑洞，同時(shí)P-B組、P-C組、P-D組試件外表面保護(hù)層大部分已剝蝕，部分裸露出白色聚丙烯纖維且大面積出現(xiàn)麻面，P-C組麻面現(xiàn)象相比其余3組較輕微(圖1)。凍融循環(huán)200次時(shí)，4組試件均有嚴(yán)重麻面現(xiàn)象，P-A組試件剝落嚴(yán)重且出現(xiàn)大面積掉角、產(chǎn)生大量殘?jiān)?，P-D組纖維黏結(jié)混凝土外露現(xiàn)象嚴(yán)重。凍融一定次數(shù)后試件表面缺陷情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由圖1及表2可見：在凍融循環(huán)初期，未摻加纖維的P-A組凍融損傷程度明顯大于其余摻加纖維的試件，摻加纖維的3組試件凍融損傷有微小差別，P-B組與P-D組試件僅從外觀無法分辨出凍融損傷的輕重，而通過仔細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)P-C組試件凍融損傷最為輕微。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各種試件凍融損傷加劇但試件外觀形態(tài)區(qū)別逐漸減小。

3.2 質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量

每25次凍融循環(huán)后測量棱柱體質(zhì)量和動(dòng)彈性模量，按相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)定義的公式計(jì)算混凝土試件質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，計(jì)算結(jié)果列入表3，變化趨勢見圖2、3。

表2 混凝土凍融循環(huán)后表面缺陷情況統(tǒng)計(jì)

表3 凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量

續(xù)表3

圖2 凍融循環(huán)下質(zhì)量損失率變化

圖3 凍融循環(huán)下相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

由圖2、3可見：試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。200次凍融循環(huán)結(jié)束后，不摻加纖維的P-A組試件質(zhì)量損失率為4組中最高(達(dá)到2.15%)，相對(duì)動(dòng)彈性模量為4組中最低(為56.6%)。P-C組試件抗凍融效果最佳，相對(duì)于未摻加纖維的P-A組試件，質(zhì)量損失率減小了18.6%，相對(duì)動(dòng)彈性模量增加了2.7%。經(jīng)分析，摻加纖維可以改善陶?；炷恋膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高陶?；炷恋目箖鲂?，但陶?；炷链嬖诶w維最優(yōu)摻量，過高的纖維摻量會(huì)導(dǎo)致陶?；炷恋拿軐?shí)度下降進(jìn)而影響混凝土的抗凍性。此次試驗(yàn)中纖維陶?；炷恋妮^優(yōu)摻量為1.0 kg/m3。

由表3可知：纖維對(duì)陶粒混凝土質(zhì)量損失的改善效果較好，對(duì)動(dòng)彈性模量有一定的改善?？赡苁怯捎诶w維的黏結(jié)性改善了骨料的掉渣現(xiàn)象，而對(duì)其內(nèi)部損傷發(fā)展的影響則有限。動(dòng)彈性模量可表示混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度，凍融后試件內(nèi)部雖然已經(jīng)有損傷，但是陶?；炷羷兾g的殘?jiān)鼌s因?yàn)槔w維的黏結(jié)而沒有掉落，從而導(dǎo)致纖維對(duì)陶?；炷临|(zhì)量損失的改善效果大于對(duì)動(dòng)彈性模量的改善效果。

3.3 凍融循環(huán)作用下纖維陶粒混凝土強(qiáng)度衰減規(guī)律

在經(jīng)歷一定凍融循環(huán)次數(shù)后，將部分試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度破壞試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度破壞試驗(yàn)，測試?yán)w維陶?；炷猎嚰膹?qiáng)度退化衰減規(guī)律，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 凍融循環(huán)下抗壓強(qiáng)度變化

圖5 凍融循環(huán)下劈裂抗拉強(qiáng)度變化

由圖4、5可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度不斷減小。在200次凍融循環(huán)后，P-A組強(qiáng)度降幅最大。說明纖維的摻加可以有效減緩陶粒混凝土凍融環(huán)境下的強(qiáng)度衰減。

對(duì)比每25次凍融循環(huán)后的P-B組、P-C組、P-D組強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度衰減速率較穩(wěn)定，但劈裂抗拉強(qiáng)度則在25～100次凍融循環(huán)期間衰減較快，其余循環(huán)周期內(nèi)的衰減速率較穩(wěn)定。

3.4 凍融損傷機(jī)理分析

陶?；炷恋膬鋈谄茐氖怯蓛?nèi)而外、由微觀到宏觀，最終導(dǎo)致機(jī)體破壞的復(fù)雜的物理變化過程。根據(jù)靜水壓理論和滲透壓理論，陶?；炷羶?nèi)部不可避免地會(huì)有細(xì)微裂縫，水通過這些裂縫到達(dá)混凝土內(nèi)部，在正、負(fù)溫度交替作用下，水在混凝土內(nèi)部結(jié)冰融化循環(huán)往復(fù)，從而引起陶粒混凝土內(nèi)部靜水壓力和滲透壓力，當(dāng)力達(dá)到陶?；炷僚R界值后機(jī)體凍融破壞。纖維的摻入可以有效抑制陶?；炷猎缙陂_裂和內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，起到良好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)作用。陶?；炷羶?nèi)部纖維彼此黏結(jié)起到了承托骨料的作用，降低了輕骨料的析水和離析。亂向分布的微細(xì)纖維相互搭接起到了引氣劑作用，使輕骨料含氣量增大，降低了凍融循環(huán)過程中陶?；炷羶?nèi)部的靜水壓力和滲透壓力，從而提高了陶?；炷恋目箖鲂?。但是纖維的加入對(duì)陶粒混凝土也有不利的影響，聚丙烯纖維的表面不親水性使得纖維與漿體界面是輕骨料混凝土中最薄弱的界面，隨著纖維摻量的增加，薄弱界面增多且纖維的大量摻加降低了機(jī)體的密實(shí)度，從而對(duì)抗凍造成不利影響。

4 凍融作用下纖維陶?；炷翐p傷模型

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維陶粒混凝土內(nèi)部損傷不斷積累。根據(jù)損傷力學(xué)的原理，定義D為纖維陶?；炷羶鋈趽p傷度。損傷度對(duì)應(yīng)的質(zhì)量Dg、動(dòng)彈性模量De、強(qiáng)度Df表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

式中：G0、Gn為凍融前、循環(huán)n次后纖維陶粒混凝土的質(zhì)量(kg)；E0、En為凍融前、循環(huán)n次后纖維陶?；炷恋膭?dòng)彈性模量(MPa)；f0、fn為凍融前、循環(huán)n次后纖維陶?；炷恋目箟?或劈裂抗拉)強(qiáng)度(MPa)。

根據(jù)公式計(jì)算得到損傷度，繪制損傷度變化圖，如圖6～9所示。

圖6 質(zhì)量損傷度

圖7 相對(duì)動(dòng)彈性模量損傷度

圖8 抗壓強(qiáng)度損傷度

由圖6～9可見：質(zhì)量損傷度、動(dòng)彈性模量損傷度、強(qiáng)度損傷度均能夠反映出凍融循環(huán)增加后混凝土的損傷規(guī)律。

由圖6可知：凍融循環(huán)初期質(zhì)量損傷度變化較大，而凍融后期各組試件損傷度區(qū)別不明顯，可能是由于凍融循環(huán)初期試件會(huì)因?yàn)槲龃笾亓吭斐蓴?shù)據(jù)差別較大。由圖7、8可知：凍融循環(huán)過程中損傷由小到大、

圖9 劈裂抗拉強(qiáng)度損傷度

損傷速率由慢到快所表現(xiàn)出的損傷積累急劇增長的過程，也說明了以相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度定義的損傷度能夠更加清晰直觀地反映纖維陶?；炷羶鋈趽p傷過程。圖9為由劈裂強(qiáng)度定義的損傷度，由圖9可知：凍融后期不同纖維摻量試件的區(qū)別明顯，可能是因?yàn)槔w維的牽拉黏結(jié)作用對(duì)纖維陶?；炷恋呐芽估瓘?qiáng)度增加更明顯。對(duì)比圖6～9中凍融循環(huán)損傷度最小組可知，纖維摻量為1.0 kg/m3時(shí)以質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度表征的損傷衰減最小，而纖維摻量為0.8 kg/m3時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度損傷衰減最小。

與單自變量的二維損傷模型比較，三維多元的凍融損傷模型能夠更加有效地評(píng)估材料在復(fù)雜環(huán)境下的凍融損傷，也更便于分析其在復(fù)雜環(huán)境中的凍融演化過程。張峰和高矗根據(jù)損傷理論分別建立了普通混凝土和輕骨料混凝土的三維凍融損傷模型，但其模型方程較復(fù)雜。為了更好地服務(wù)工程實(shí)踐，該文針對(duì)纖維陶?；炷敛牧?，對(duì)模型方程進(jìn)行了優(yōu)化，建立以凍融循環(huán)次數(shù)和纖維摻量兩個(gè)自變量的凍融損傷方程：

(4)

式中：N為凍融循環(huán)次數(shù)(次)；Vf為纖維摻量(kg/m3)；a，b，c，d，f，g為與纖維陶?；炷敛牧舷嚓P(guān)的系數(shù)。

采用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖10～13所示，通過擬合得到的纖維陶粒混凝土凍融循環(huán)衰減模型參數(shù)如表4所示。

由表4可知：4組衰減模型相關(guān)系數(shù)均為0.97以上，表明由纖維摻量和凍融循環(huán)次數(shù)兩個(gè)自變量建立的損傷模型可以很好地反映出纖維陶?；炷恋膬鋈趽p傷情況。

5 結(jié)論

(1) 凍融循環(huán)作用下，纖維陶?；炷猎嚰砻?/p>

圖10 質(zhì)量損傷度擬合

圖11 動(dòng)彈性模量損傷度擬合

圖12 抗壓強(qiáng)度損傷度擬合

圖13 劈裂抗拉強(qiáng)度損傷度擬合

不斷剝蝕，質(zhì)量損失率不斷增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量不斷降低。從試件表面缺陷、質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)分析，摻加纖維后試件的抗凍性優(yōu)于未摻加纖維的試件，纖維摻量為1.0 kg/m3時(shí)陶粒混凝土的抗凍性較優(yōu)。

表4 凍融損傷度D的衰減系數(shù)

(2) 凍融循環(huán)過程中，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐步降低，摻加纖維試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于未摻加纖維的試件，說明纖維可以延緩混凝土的凍融破壞。纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響效果不同，凍融循環(huán)中摻量為1.0 kg/m3的試件抗壓強(qiáng)度最大，摻量為0.8 kg/m3的試件劈裂抗拉強(qiáng)度最大。

(3) 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別以質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度定義的損傷變量，建立含凍融循環(huán)次數(shù)和纖維摻量兩個(gè)自變量的凍融損傷模型，4組模型方程的相關(guān)系數(shù)均為0.97以上，該模型可以很好地反映出纖維陶粒混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷過程。