聚丙烯纖維橡膠混凝土的抗凍性能及損傷劣化模型

文江，蘇有文

（西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引言

在現(xiàn)代化發(fā)展的今天，為倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的需要，更多環(huán)保材料加入到混凝土中，制成新型復(fù)合土木工程材料，橡膠混凝土應(yīng)運(yùn)而生[1]。橡膠混凝土具有輕質(zhì)高彈、吸聲隔熱、抗?jié)B抗沖擊、減震耐磨等特性[2-5]，已成功應(yīng)用于城際公路、城市步道等工程。但在我國寒冷地區(qū)，橡膠混凝土路面常處在低溫環(huán)境中，凍融作用使得橡膠混凝土出現(xiàn)開裂、剝離、脫落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其服役壽命。因此，在凍融環(huán)境中，如何提高橡膠混凝土抗凍性能，延長其服役壽命，尤為重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對橡膠混凝土抗凍性能的研究主要集中在橡膠顆粒摻量、細(xì)度、橡膠顆粒改性處理、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面[6-11]，其目的均是通過提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度，改善橡膠顆粒與水泥石的界面粘結(jié)性能，達(dá)到提升抗凍性能的效果。Alsaif等[12]通過凍融后試件表面收縮、內(nèi)部損傷、殘余抗壓強(qiáng)度以及彎曲行為等方面評估了專為柔性混凝土路面設(shè)計(jì)的鋼纖維增強(qiáng)橡膠混凝土（SFRRuC）的凍融性能。結(jié)果表明，鋼纖維增強(qiáng)效果明顯，SFRRuC 可承受56 次凍融循環(huán)不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部損壞或力學(xué)性能下降，凍融條件下表現(xiàn)良好。Wang 等[13]從力學(xué)性能、耐久性和微觀結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面評價(jià)了聚丙烯（PP）纖維與橡膠混凝土的協(xié)同效應(yīng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維和橡膠骨料均能提高素混凝土的斷裂能，與素混凝土相比，PP 纖維增強(qiáng)橡膠混凝土的干燥收縮、抗凍性能均得到增強(qiáng)。楊晨晨[14]、陳疏桐等[15]和陳愛玖等[16]的研究認(rèn)為，玄武巖纖維與橡膠顆粒有很好的協(xié)同作用，將一定比例玄武巖纖維摻入到橡膠混凝土中能有效降低混凝土受凍融循環(huán)而發(fā)生的損傷劣化程度，明顯提高混凝土的抗凍性能。目前，對摻鋼纖維、玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土的抗凍性能已有大量試驗(yàn)研究，但是針對摻聚丙烯纖維橡膠混凝土抗凍性的研究相對較少。

本文通過分析不同聚丙烯纖維摻量橡膠混凝土試件在相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量、抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律，研究聚丙烯纖維對橡膠混凝土抗凍性能的影響。并依據(jù)損傷力學(xué)，定義混凝土損傷程度，通過二次函數(shù)擬合得出凍融損傷模型。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：工源牌P·O42.5R 水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求，安定性合格，物理力學(xué)性能見表1；細(xì)骨料：級(jí)配良好的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.85；粗骨料：粒徑5～20 mm 石灰?guī)r碎石，砂和碎石的主要技術(shù)性能見表2；橡膠顆粒：江蘇宏騰橡膠廠生產(chǎn)，主要技術(shù)性能見表3；聚丙烯纖維：河北廊坊輝煌廠生產(chǎn)的抗拉束狀單絲聚丙烯纖維，主要技術(shù)性能見表4；外加劑：萘系高效減水劑，固體含量為（98±1）%，摻量為0.12%時(shí)，減水率為18%～23%；水：自來水。試驗(yàn)用橡膠顆粒及聚丙烯纖維外觀如圖1 所示。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 砂和碎石的主要技術(shù)性能

表3 橡膠顆粒的主要技術(shù)性能

表4 聚丙烯纖維的主要技術(shù)性能

圖1 試驗(yàn)用橡膠顆粒及聚丙烯纖維的外觀

1.2 試件制作

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，采用橡膠顆粒等體積取代細(xì)砂（取代率約10%），分別摻入4、6、8、10、15 kg/m3聚丙烯纖維（占水泥質(zhì)量的0.90%、1.35%、1.80%、2.25%、3.41%）。按照J(rèn)GJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》共設(shè)計(jì)了6組不同配合比，具體配合比見表5。

表5 聚丙烯纖維橡膠混凝土的配合比

1.2.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)

在試件制作前，為增強(qiáng)橡膠顆粒與水泥石基界面的粘結(jié)性能，將橡膠顆粒置于濃度為3%的NaOH 溶液中浸泡4 h 左右，取出后烘干，對橡膠顆粒表面進(jìn)行改性處理。投料攪拌過程中，為保證纖維分散均勻，防止纖維成團(tuán)，將橡膠顆粒、水泥、砂、碎石先干拌30 s；然后向攪拌機(jī)分散投入聚丙烯纖維，干拌30 s；最后投入水和減水劑，攪拌約60 s。最后，將攪拌好的混凝土倒入100 mm×100 mm×400 mm 和150 mm×150 mm×150 mm 模具內(nèi)，置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)，待試件成型后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法與儀器設(shè)備

本試驗(yàn)采用快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融介質(zhì)為清水。開始凍融前，取出試件，將其置于清水中浸泡4 d，液面高度應(yīng)高于試件上端20 mm 左右，保證凍融過程聚丙烯纖維橡膠混凝土處于全浸水狀態(tài)。每凍融25 次為1 個(gè)階段，每個(gè)階段結(jié)束后，測試試件的質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)抗凍設(shè)備為混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)；動(dòng)彈性模量測試采用DT-20 動(dòng)彈性模量測定儀；抗壓強(qiáng)度測試采用WHY-2000 微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)；劈裂抗拉強(qiáng)度測試采用WES-1000B 數(shù)顯萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。混凝土的力學(xué)性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，抗凍性能按照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)》進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯纖維摻量對橡膠混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率的影響（見圖2）

圖2 不同聚丙烯纖維摻量橡膠混凝土的質(zhì)量損失率

由圖2 可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)從0 增加到25 次，各組混凝土試件的質(zhì)量損失率都逐漸減小，且數(shù)值變化幾乎同步，表明試件質(zhì)量有一定程度的增長。這是因?yàn)樵趦鋈诔跗冢嚰?nèi)部存在微裂縫，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，裂縫開始擴(kuò)展，水分通過毛細(xì)作用不斷進(jìn)入混凝土內(nèi)部，試件脫落的質(zhì)量小于吸水增重的質(zhì)量，因此在凍融初期，各組試件在宏觀上都表現(xiàn)出質(zhì)量損失率負(fù)增長。凍融循環(huán)50 次后，各組試件的質(zhì)量損失率開始出現(xiàn)正值，表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件損傷破壞加劇，表面裂縫增多，裂縫發(fā)展過程伴隨水泥砂漿的脫落，剝離脫落的質(zhì)量遠(yuǎn)大于吸水增重的質(zhì)量。50～150 次凍融過程中，各組試件的質(zhì)量損失率曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，150 次凍融循環(huán)時(shí)，JZ 組的質(zhì)量損失率最大，為2.34%，PF-3 組的質(zhì)量損失率最小，為1.68%。各組試件質(zhì)量損失率由大到小依次為：JZ>PF-1>PF-5>PF-2>PF-4>PF-3。單考慮質(zhì)量損失率，聚丙烯纖維摻量為1.80%時(shí)抗凍性能最好。聚丙烯纖維作為韌性材料，其在混凝土內(nèi)部空間亂向分布，形成了致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將集料牢牢連結(jié)在一起，緩沖了因凍融過程混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分子結(jié)冰產(chǎn)生的冰脹應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)不易開裂，試件表面的水化物不易脫落，從而使得試件質(zhì)量損失率降低。PF-4、PF-5 組試件的質(zhì)量損失率較大的主要原因是：在凍融環(huán)境中，混凝土孔隙中水分子結(jié)冰體積膨脹，產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，而過多的纖維影響了橡膠顆粒與水泥石界面間的粘結(jié)性能，冰脹作用使得界面產(chǎn)生相對滑移，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，外部水分子通過裂縫進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在凍融循環(huán)的耦合作用下，凍融損傷進(jìn)一步加重，使得試件質(zhì)量損失率不降反增。

2.2 聚丙烯纖維摻量對橡膠混凝土凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量的影響（見圖3）

圖3 不同聚丙烯纖維摻量橡膠混凝土的相對動(dòng)彈性模量

由圖3 可見，凍融循環(huán)0～150 次時(shí)，各組試件的相對動(dòng)彈性模量都出現(xiàn)明顯的降低，但降幅不同，JZ 組試件的相對動(dòng)彈性模量下降速度最快，抗凍性能最差。凍融破壞是一個(gè)由表及里的緩慢過程，25 次凍融循環(huán)結(jié)束后，各組試件的相對動(dòng)彈性模量差異相對較小，主要是因?yàn)榇藭r(shí)混凝土僅表面出現(xiàn)損傷，而這種損傷會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加，進(jìn)而擴(kuò)展到混凝土內(nèi)部，試件損傷破壞，動(dòng)彈性模量逐漸降低。150 次凍融循環(huán)后，各組試件的相對動(dòng)彈性模量由大到小依次為：PF-3＞PF-4＞PF-2＞PF-5＞PF-1＞JZ，PF-3 組、JZ 組的相對動(dòng)彈性模量分別為87.6%、74.8%，差距較大，說明聚丙烯纖維能夠降低橡膠混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，提高橡膠混凝土的抗凍性能?；炷恋膭?dòng)彈性模量主要取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)程度。凍融交替環(huán)境中，混凝土內(nèi)部裂縫增多，孔隙增大，密實(shí)度逐漸降低，凍融損傷加重，動(dòng)彈性模量降低。聚丙烯纖維在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部散亂分布，充當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各材料之間的“橋梁”，將各材料緊密連接起來，緩解了混凝土成型期間橡膠顆粒上浮導(dǎo)致試件表面強(qiáng)度降低，也抑制了橡膠混凝土因早齡期結(jié)構(gòu)干縮導(dǎo)致的原始裂縫的產(chǎn)生。凍融階段，聚丙烯纖維與水泥共同緩解冰脹應(yīng)力，抑制裂縫的發(fā)展，保證結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，提高橡膠混凝土抗凍性能。同樣，聚丙烯纖維摻加過多時(shí)，在混凝土內(nèi)部分布不均直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低，混凝土抗凍性能因此降低。

2.3 聚丙烯纖維摻量對橡膠混凝土凍融循環(huán)后強(qiáng)度的影響

不同聚丙烯纖維摻量橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化分別見圖4、圖5。

圖4 不同聚丙烯纖維摻量橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖5 不同聚丙烯纖維摻量橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖4、圖5 可見，凍融破壞對試件的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度幾乎都呈線性下降，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，各組試件強(qiáng)度由高到低依次為：PF-3＞PF-4＞PF-2＞PF-5＞PF-1＞JZ，說明聚丙烯纖維的摻入對橡膠混凝土的強(qiáng)度提高有積極作用，且纖維摻量直接影響橡膠混凝土強(qiáng)度提高效果。另外，通過圖4、圖5 對比發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維對橡膠混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的提高作用大于對抗壓強(qiáng)度的作用。將PF-3 組與JZ 組對比可知，未凍融時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高了13.56%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了27.40%；而經(jīng)150 次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度提高了39.31%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了65.0%。凍融初期，聚丙烯纖維對橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的改善作用并不明顯，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這種作用得到了體現(xiàn)，強(qiáng)度提高幅度逐漸增大。聚丙烯纖維是良好的韌性材料，它將水泥同橡膠集料連結(jié)在一起，增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，其“環(huán)箍”作用約束了橡膠混凝土的橫向變形，使得試件在承受荷載時(shí)不易發(fā)生突然脹裂而產(chǎn)生豎向貫通裂縫。聚丙烯纖維對橡膠混凝土抗拉強(qiáng)度的提高效果較明顯，纖維與水泥基體共同承擔(dān)荷載，結(jié)構(gòu)整體韌性得到增強(qiáng)。

3 凍融損傷劣化模型

橡膠混凝土因在振搗過程中，橡膠顆粒隨砂漿上浮，大量存在于混凝土表層，結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙增多；此外，粗細(xì)骨料尺寸、級(jí)配的選擇也會(huì)造成結(jié)構(gòu)孔隙的形成。這些孔隙是直接影響混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的重要因素。摻加聚丙烯纖維，由于其“橋梁”作用，一定程度約束了橡膠顆粒的浮動(dòng)，減少了橡膠混凝土結(jié)構(gòu)孔隙數(shù)量，保證了結(jié)構(gòu)密實(shí)程度?；炷两Y(jié)構(gòu)損傷劣化的過程具體表現(xiàn)為：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土出現(xiàn)微裂紋，繼而發(fā)展成裂縫，伴隨骨料、砂漿的脫落，最終結(jié)構(gòu)破壞。

3.1 基于相對動(dòng)彈性模量的凍融損傷模型

試驗(yàn)中，因凍融初期聚丙烯纖維橡膠混凝土質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象，這與混凝土凍融損傷不可逆的事實(shí)相悖[17]，故采用相對動(dòng)彈性模量數(shù)據(jù)，建立基于相對動(dòng)彈性模量的凍融損傷模型。依據(jù)混凝土損傷力學(xué)，定義混凝土損傷程度DE，按式（1）[18]計(jì)算：

式中：DE——凍融損傷程度，%；

n——凍融循環(huán)次數(shù)；

E0——未凍融混凝土試件的相對動(dòng)彈性模量，%；

En——凍融n 次混凝土試件的相對動(dòng)彈性模量，%。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（1），繪制出基于相對動(dòng)彈性模量下凍融損傷程度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖6 所示。

圖6 凍融損傷程度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖6 可知，各組混凝土試件凍融損傷程度曲線都呈陡增趨勢，凍融循環(huán)次數(shù)越多，損傷越大。150 次凍融循環(huán)結(jié)束后，6 組試件中，JZ 組的凍融損傷最嚴(yán)重，曲線最陡峭；PF-3組受凍融損傷最小，曲線上升速率相對緩慢。對比圖3 知，相對動(dòng)彈性模量越大，試件凍融損傷程度越小。為了能更加準(zhǔn)確地描述聚丙烯纖維橡膠混凝土凍融損傷劣化程度，采用二次函數(shù)型衰減模型進(jìn)行擬合，模型公式如式（2）所示：

式中：D——凍融損傷程度，%；

N——凍融循環(huán)次數(shù)；

b1、b2、b3——待定系數(shù)。

按照式（2）對各組混凝土試件的凍融損傷程度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到凍融損傷劣化模型，如表6 所示。

表6 相對動(dòng)彈性模量下凍融損傷劣化模型參數(shù)

3.2 基于抗壓強(qiáng)度的凍融損傷模型

為探討聚丙烯纖維橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)條件下的衰減規(guī)律，根據(jù)損傷力學(xué)，定義聚丙烯纖維橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度退化程度Dc，如式（3）[19]所示：

式中：Dc——抗壓強(qiáng)度退化程度，%；

n——凍融循環(huán)次數(shù)；

fc，0——未凍融混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；

fc，n——凍融n 次混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，MPa。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（3），繪制出抗壓強(qiáng)度退化程度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線，如圖7 所示。

圖7 抗壓強(qiáng)度退化程度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖7 可知，抗壓強(qiáng)度退化程度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與凍融損傷程度變化規(guī)律大致相同。同樣按式（3）對抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出基于抗壓強(qiáng)度的凍融損傷模型，如表7 所示。

表7 抗壓強(qiáng)度下凍融損傷劣化模型參數(shù)

3.2 基于劈裂抗拉強(qiáng)度的凍融損傷模型

同樣，根據(jù)損傷力學(xué)，定義聚丙烯纖維橡膠混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度退化程度Dst，如式（4）[19]所示：

式中：Dst——劈裂抗拉強(qiáng)度退化程度，%；

n——凍融循環(huán)次數(shù)；

fst，0——未凍融混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

fst，n——凍融n 次混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（4），繪制出劈裂抗拉強(qiáng)度退化程度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖8 所示。

圖8 劈裂抗拉強(qiáng)度退化程度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖8 可知，劈裂抗拉強(qiáng)度退化趨勢與抗壓強(qiáng)度退化趨勢大致相同，按式（4）對劈裂抗拉強(qiáng)度退化程度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出基于劈裂抗拉強(qiáng)度的凍融損傷模型，如表8 所示。

表8 劈裂抗拉強(qiáng)度下凍融損傷劣化模型參數(shù)

由表6～表8 可以看出，基于動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度建立的二次型凍融損傷劣化模型，相關(guān)系數(shù)均不小于0.990，表明建立的模型有很高的擬合精度，能較為準(zhǔn)確地描述聚丙烯纖維橡膠混凝土在凍融環(huán)境下的損傷劣化規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）在凍融循環(huán)早期，橡膠混凝土質(zhì)量損失率呈負(fù)增長趨勢，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，質(zhì)量損失率增大并逐步上升；相對動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)增多均逐步下降。

（2）聚丙烯纖維能夠提升橡膠混凝土的抗凍性能；纖維對抗拉強(qiáng)度的提高效果高于抗壓強(qiáng)度；就質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量及強(qiáng)度指標(biāo)綜合來看，聚丙烯摻量為1.80%時(shí)橡膠混凝土的抗凍性能最優(yōu)。

（3）基于相對動(dòng)彈性模量、抗壓（劈裂抗拉）強(qiáng)度建立了二次型凍融損傷劣化模型。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，發(fā)現(xiàn)模型擬合精度較高，表明二次型函數(shù)模型能較準(zhǔn)確地描述聚丙烯纖維橡膠混凝土的凍融損傷規(guī)律。