凍融循環(huán)作用對(duì)纖維混凝土界面過(guò)渡區(qū)性能影響研究

馬寶富

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

1 引言

混凝土是由膠凝材料、骨料、細(xì)集料組成的多相復(fù)合材料，不同相如水化產(chǎn)物、凈漿、砂漿、骨料之間的尺寸跨度巨大， 造成內(nèi)部存在諸多界面結(jié)構(gòu)[1-4]。 研究指出，界面過(guò)渡區(qū)存在較多氫氧化鈣，結(jié)構(gòu)疏松多孔，是混凝土受荷載作用時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)[5-6]，因而提高混凝土界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)性能是改善混凝土力學(xué)及耐久性的有效措施之一。 纖維能有效分散混凝土內(nèi)部收縮及外部應(yīng)力作用，改善混凝土脆性，礦物摻合料能提高纖維與混凝土之間的界面粘結(jié)性[7-9]。 本文通過(guò)研究纖維及礦物摻合料對(duì)混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)下界面區(qū)的影響，得出界面過(guò)渡區(qū)的物理及力學(xué)性能變化規(guī)律，為纖維混凝土抗凍性能的提高提供數(shù)據(jù)支撐。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

（1）水泥：試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求。

（2）粉煤灰：試驗(yàn)采用廣西南寧生產(chǎn)的II 級(jí)粉煤灰，其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均滿(mǎn)足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的規(guī)定。

（3）細(xì)集料：試驗(yàn)用細(xì)集料采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.4，泥塊含量、堅(jiān)固性經(jīng)檢測(cè)均符合《建設(shè)用砂》（GB/T14684-2011） 的規(guī)定， 表觀(guān)密度為2490 kg·m-3。

（4）粗集料：試驗(yàn)用粗集料選用人工碎石，碎石級(jí)配分為4.75～9.5 mm 及9.5～19 mm 2 檔， 摻配比例為4∶6。

（5）外加劑：試驗(yàn)級(jí)配所用外加劑為廣西亞仔有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑， 減水率為23%，含固量為25%。

（6）聚丙烯纖維（PPF）：物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 聚丙烯纖維物理性能

（7）混凝土級(jí)配組成

試驗(yàn)用混凝土強(qiáng)度為C40， 水膠比為0.35，試驗(yàn)級(jí)配分為2 種，一種為僅摻纖維的基準(zhǔn)纖維混凝土， 另一種為復(fù)摻纖維和礦物摻合料的混凝土，拌制時(shí)采用粉煤灰替代水泥， 膠凝材料總質(zhì)量不變，基準(zhǔn)纖維混凝土級(jí)配組成表2。

表2 基準(zhǔn)纖維混凝土級(jí)配組成

2.2 測(cè)試方法

（1）抗壓強(qiáng)度

纖維混凝土抗壓強(qiáng)度根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50081-2002）的規(guī)定，采用（150×150×150）mm 的立方體試件進(jìn)行測(cè)試。凍融循環(huán)后，將試件表面浮渣擦拭完畢后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

（2）電鏡掃描-能譜分析（SEM-EDS）

經(jīng)過(guò)抗壓強(qiáng)度測(cè)試過(guò)后，取壓碎試樣進(jìn)行電鏡掃描測(cè)試。 試驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對(duì)纖維混凝土的界面過(guò)渡區(qū)厚度進(jìn)行判定，過(guò)程如圖1 所示。 首先采用掃描電鏡將試件放大至一定倍數(shù)后找到界面過(guò)渡區(qū)，接著以界面過(guò)渡區(qū)邊界為起點(diǎn)定點(diǎn)，采用能譜分析儀對(duì)界面區(qū)一定距離范圍內(nèi)點(diǎn)的元素進(jìn)行定量分析，確定鈣硅比突變點(diǎn)即為界面過(guò)渡區(qū)邊界。

（3）納米壓痕技術(shù)

納米壓痕技術(shù)是通過(guò)將特定尺寸的壓頭壓入試件表面，記錄壓力-位移曲線(xiàn)，如圖2 所示，從而確定測(cè)點(diǎn)處的硬度值，納米壓痕測(cè)試壓頭加載及卸載速率均為100 mN/s。

圖1 界面過(guò)渡區(qū)厚度確定示意圖

圖2 納米壓痕荷載-位移曲線(xiàn)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是衡量混凝土內(nèi)部損傷程度的重要表征，圖3 為經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度變化。 由圖可知，隨凍融次數(shù)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降。 凍融過(guò)程中由于結(jié)冰壓和滲透壓的不斷增大，造成混凝土內(nèi)部裂縫和孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展， 從而影響了混凝土的強(qiáng)度。 同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，100 次凍融循環(huán)內(nèi)，混凝土強(qiáng)度降低率稍低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)150 次后， 混凝土強(qiáng)度開(kāi)始顯著下降。 為研究礦物摻合料對(duì)纖維混凝土凍融循環(huán)過(guò)程中強(qiáng)度降低的改善效果， 設(shè)置了6 種粉煤灰替代率，研究其經(jīng)過(guò)150 次凍融循環(huán)后的混凝土強(qiáng)度變化，結(jié)果見(jiàn)圖4 所示。 分析可知，一定質(zhì)量的粉煤灰的摻入能有效改善混凝土由于凍融循環(huán)造成的強(qiáng)度損傷， 與不摻粉煤灰的纖維混凝土相比， 摻入15%粉煤灰的纖維混凝土150 次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度可提高11.88%。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖4 不同粉煤灰摻量下纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

3.2 界面過(guò)渡區(qū)厚度

研究表明，混凝土界面區(qū)厚度范圍在5～100 μm內(nèi)，界面區(qū)厚度越大，氫氧化鈣富集程度越高，界面力學(xué)性能越差[10]。

圖5 為經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的纖維混凝土界面區(qū)厚度變化，從圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加， 纖維混凝土界面區(qū)厚度逐漸加寬。纖維與混凝土粘結(jié)界面存在孔隙，凍融循環(huán)過(guò)程中的混凝土內(nèi)部孔隙受到凍脹力作用，界面區(qū)結(jié)構(gòu)疏松多孔，在凍融循環(huán)作用下更易受損[11]，導(dǎo)致界面區(qū)厚度不斷擴(kuò)張。 不同礦物摻合料摻量的纖維混凝土界面區(qū)厚度結(jié)果如圖6 所示，結(jié)果表明，不摻粉煤灰的纖維混凝土界面過(guò)渡區(qū)厚度最大， 說(shuō)明纖維與混凝土之間存在明顯的薄弱帶， 而粉煤灰由于顆粒粒徑小于水泥， 能更好地填充于纖維于混凝土接觸界面上，降低界面區(qū)孔隙率，從而減小界面區(qū)厚度[12]。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下纖維混凝土的界面區(qū)厚度

圖6 不同粉煤灰摻量下纖維混凝土的界面區(qū)厚度

3.3 界面過(guò)渡區(qū)硬度

混凝土界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的物質(zhì)主要包括未水化的水泥顆粒、高密度水化硅酸鈣、低密度水化硅酸鈣、氫氧化鈣等，界面區(qū)顯微硬度值取決于水化程度、界面區(qū)水灰比等。 經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的纖維混凝土界面過(guò)渡區(qū)硬度變化如圖7 所示， 結(jié)果表明，凍融循環(huán)作用顯著降低了混凝土界面區(qū)的力學(xué)性能，其顯微硬度值較未凍融的混凝土降低了12.35%。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下纖維混凝土的界面區(qū)硬度

謝瑞峰[13]研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)過(guò)后，鋼纖維混凝土界面區(qū)上的微孔隙結(jié)構(gòu)明顯增加， 主要表現(xiàn)為30 μm 的膠孔增多，且高低密度水化硅酸鈣的體積分?jǐn)?shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加顯著降低， 因而界面區(qū)的顯微硬度出現(xiàn)降低趨勢(shì)。 圖8 為不同粉煤灰摻量的纖維混凝土經(jīng)過(guò)150 次凍融循環(huán)后的顯微硬度變化，分析圖可知，粉煤灰的摻入有效改善了界面區(qū)的顯微硬度值， 原因可能在于粉煤灰后期水化填充了界面區(qū)的孔隙，降低了膠孔含量，導(dǎo)致在受到凍融循環(huán)作用時(shí)，薄弱區(qū)內(nèi)的微孔和微裂縫數(shù)量減少。

圖8 不同粉煤灰摻量下纖維混凝土的界面區(qū)硬度

3.4 抗壓強(qiáng)度與界面區(qū)特征參數(shù)的相關(guān)性分析

圖9、10 為纖維混凝土抗壓強(qiáng)度與界面區(qū)厚度、顯微硬度的關(guān)系。 從圖中可以看出，混凝土的宏觀(guān)性能與內(nèi)部界面區(qū)有密切的關(guān)聯(lián)性，界面區(qū)厚度越大、顯微硬度越小，混凝土的宏觀(guān)抗壓強(qiáng)度越低。

圖9 混凝土抗壓強(qiáng)度與界面區(qū)厚度的關(guān)系

圖10 混凝土抗壓強(qiáng)度與界面區(qū)硬度的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)作用加速了纖維混凝土內(nèi)部界面區(qū)性能的劣化，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，界面區(qū)厚度逐漸加大，界面區(qū)硬度值逐步降低；

（2）粉煤灰能顯著改善纖維混凝土由于凍融循環(huán)造成的界面區(qū)性能劣化,粉煤灰摻量為15%時(shí)，纖維混凝土界面區(qū)厚度最小且硬度值最高；

（3）凍融循環(huán)作用下，纖維混凝土抗壓強(qiáng)度與界面區(qū)厚度及硬度關(guān)系較為密切,界面區(qū)寬度越小、硬度越高，混凝土抗壓強(qiáng)度越高。