凍融循環(huán)下玄武巖纖維混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究及灰色預(yù)測(cè)

許新勇，劉漢聲，蔣莉

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

為優(yōu)化中國(guó)西部地區(qū)水土資源的空間配置，修建了大量的水工建筑物，但在高寒、高鹽堿環(huán)境下混凝土易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。因此，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行模擬并預(yù)測(cè)混凝土力學(xué)性能衰減規(guī)律及損傷機(jī)理進(jìn)行研究對(duì)實(shí)際工程意義重大。

玄武巖纖維抗腐蝕性能優(yōu)異，常被使用在特殊工況中。孫斯慧等的研究得出玄武巖纖維不能有效增強(qiáng)混凝土的抗壓性能但能夠通過(guò)控制其摻量來(lái)實(shí)現(xiàn)改善抗折強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度。Cory High等以玄武巖纖維棒代替抗彎鋼筋，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維棒大大降低使用載荷水平下的撓度，顯著提高混凝土構(gòu)件彎曲模量。Mehran Khan等探究摻量對(duì)玄武巖纖維混凝土的影響，得出當(dāng)摻量超過(guò)0.68%后，混凝土的力學(xué)性將不再有明顯的提升。對(duì)于實(shí)際工程背景下的玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能、破壞機(jī)理以及衰減規(guī)律研究較少。因此，以玄武巖纖維混凝土作為研究對(duì)象，以?xún)鋈谘h(huán)數(shù)、凍融介質(zhì)和玄武巖纖維組織摻量作為改變量，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究其抗凍、抗侵蝕性和相關(guān)力學(xué)性能損傷規(guī)律，為實(shí)際情況下的玄武巖纖維混凝土奠定一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

采用PO42.5級(jí)水泥；細(xì)骨料為天然河砂，其細(xì)數(shù)模度為2.74；粗骨料粒徑5～20 mm，為連續(xù)級(jí)配且無(wú)針片狀顆粒；外加劑采用JDU-1的混凝土專(zhuān)用引氣劑，含量為0.01%；試驗(yàn)用水選取普通自來(lái)水；采用天津致遠(yuǎn)制作的無(wú)水硫酸鈉和無(wú)水氯化鈉。其相關(guān)材料指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 玄武巖纖維性能指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選用C30混凝土配比作為本次試驗(yàn)參照基準(zhǔn)，不同百分比的纖維摻量為試驗(yàn)變量。實(shí)驗(yàn)步驟：首先向基礎(chǔ)配比的5個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象中加入不同摻量的短切玄武巖纖維，摻量為0.05%～0.25%。以清水凍融、3%的氯化鈉和5%的硫酸鈉混合溶液為兩組凍融工況。測(cè)試五種不同摻量玄武巖纖維混凝土在清水凍融和溶液凍融兩種不同工況下的耐久性規(guī)律。以PC代表普通混凝土，BFRC代表玄武巖纖維混凝土。

1.3 室內(nèi)快速凍融實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)以《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》為基準(zhǔn)，試驗(yàn)過(guò)程為：制作好的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d后，將試件分別浸泡在不同凍融介質(zhì)中96 h，當(dāng)試件達(dá)到28 d后開(kāi)始凍融試驗(yàn)。首先將試件取出放入配置好相應(yīng)鹽溶液的試模中進(jìn)行標(biāo)號(hào)。實(shí)驗(yàn)中要保證液面高度穩(wěn)定在試件上方0.50～1.00 cm；凍融液始終保持高于試模內(nèi)液面的高度。一次循環(huán)4 h，試件融化的時(shí)間須大于整個(gè)凍融時(shí)長(zhǎng)的25%。最后，實(shí)驗(yàn)環(huán)境以低溫-20℃～-16℃和高溫8℃～4℃為宜，溫度變化的時(shí)間須超過(guò)單個(gè)過(guò)程時(shí)長(zhǎng)的50%。為在同等條件下實(shí)現(xiàn)相同的凍融效果，從而獲得更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，凍融機(jī)在試驗(yàn)全程必須滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)作。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量損失率分析

由PC和BFRC在兩種凍融介質(zhì)中的質(zhì)量損失率可知（圖1），兩種介質(zhì)的侵蝕機(jī)理不同所造成的質(zhì)量損失也有所差異。測(cè)試部件的實(shí)際質(zhì)量損失都會(huì)伴隨著凍融數(shù)目的增長(zhǎng)而逐步增多，這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成細(xì)小裂縫，并且隨著次數(shù)的增加，內(nèi)部損傷會(huì)逐漸外化為表層裂縫，甚至?xí)?dǎo)致水泥砂漿脫落、骨料掉落等現(xiàn)象的發(fā)生。PC與BFRC相比其質(zhì)量損失總是較高，說(shuō)明玄武巖纖維的摻入可以使其在時(shí)間內(nèi)布縱橫交錯(cuò)，增強(qiáng)了混凝土的聯(lián)結(jié)能力并減少了表層材料的劣化與脫落，對(duì)適量損失起到了一定的抑制作用；而對(duì)于玄武巖纖維摻量而言，摻量過(guò)小則表達(dá)效果不明顯，過(guò)大則會(huì)產(chǎn)生較多孔洞及微小裂縫，進(jìn)而削弱纖維拉結(jié)能力。

圖1 混凝土質(zhì)量損失率變化曲線(xiàn)圖

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖2為PC和玄武巖纖維混凝土在兩種凍融介質(zhì)中抗壓強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)圖，摻加玄武巖纖維對(duì)混凝土初始強(qiáng)度的影響不明顯，在凍融后的提升較為顯著。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線(xiàn)圖

綜上可知，抗壓強(qiáng)度的降低可能是由于凍融循環(huán)對(duì)試件內(nèi)部造成損傷所導(dǎo)致。兩種介質(zhì)中BFRC的抗壓強(qiáng)度下降速率低于PC，并伴隨凍融次數(shù)的增加，產(chǎn)物也隨之遞增并產(chǎn)生膨脹反應(yīng)和凍脹反應(yīng)，測(cè)試部件內(nèi)部之間的纖維組織絲狀結(jié)構(gòu)抗壓能力實(shí)現(xiàn)最高有效數(shù)值，對(duì)混凝土測(cè)試部件的損害逐步轉(zhuǎn)為推動(dòng)作用，說(shuō)明玄武巖纖維的摻入在初始階段對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升效果略小，單可以減緩和鹽侵對(duì)混凝土所帶來(lái)的影響。

2.3 抗折強(qiáng)度分析

圖3為PC和玄武巖纖維混凝土在兩種凍融介質(zhì)中抗折強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)圖。混凝土試件在凍融侵蝕作用下，與PC相比較，摻加纖維的混凝土抗折性能較好，且鹽溶液凍融的條件下的破壞程度較為嚴(yán)重。其作用原理在于隨著凍融循環(huán)增加，試件內(nèi)部逐漸產(chǎn)生損傷，許多微小裂紋隨之出現(xiàn)，最終形成大量裂縫導(dǎo)致水泥和漿體流失。另外，鹽溶液滲透入內(nèi)部與之進(jìn)行一系列水化反應(yīng)后生成結(jié)晶或一些膨脹性物質(zhì)，并伴隨凍融次數(shù)增加，膨脹性產(chǎn)物相應(yīng)增多，內(nèi)部損傷逐漸變大。而摻入玄武巖纖維組織后，纖維組織在基體內(nèi)部的亂向分散可以遏制由塑性收縮作用及干縮而形成的微小裂縫，并且在凍融作用下纖維連接于裂縫之間使裂紋路徑的曲折性提升，阻礙裂縫的擴(kuò)張，抑制水泥和砂漿的脫落，減緩混凝土動(dòng)彈性模量的下降速率，使其抗折性能得到有效提升。

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度變化曲線(xiàn)圖

3 灰色理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在研究階段會(huì)由于各種因素的影響，導(dǎo)致最終獲得的結(jié)果比較片面，存在部分尚未清晰的信息，因此采用灰色模型客觀(guān)地揭示所需要的內(nèi)容。該模型屬于模糊預(yù)測(cè)領(lǐng)域，依靠灰色理論，可以將系統(tǒng)中未知元素推導(dǎo)得出，依據(jù)不完全信息最后推出最終具有一定模糊性的完整信息。詳細(xì)記錄清水和鹽溶液兩種凍融條件下的預(yù)測(cè)模型與精度，同時(shí)依照預(yù)測(cè)出的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)測(cè)時(shí)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)相比對(duì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 實(shí)際抗壓強(qiáng)度與模擬抗壓強(qiáng)度比值曲線(xiàn)圖

結(jié)果可得：不同工況下的混凝土預(yù)測(cè)出的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)測(cè)時(shí)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)相比對(duì)，驗(yàn)證了模型滿(mǎn)足檢驗(yàn)要求，預(yù)測(cè)精度高。

4 結(jié)論

①相同凍融條件下，摻加纖維混凝土的耐久性能下降速率比PC低。與纖維混凝土相比，PC的脆性更高，但含纖維摻量的混凝土能夠延緩發(fā)生脆性破壞的過(guò)程，較普通混凝土的實(shí)用性更高。對(duì)鹽溶液凍融的工況下不同實(shí)驗(yàn)組內(nèi)抗凍性能進(jìn)行比較獲取了最優(yōu)纖維摻量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，加入摻量為0.15%的實(shí)驗(yàn)組混凝土抗凍效果最佳，0.20%次之，0.25%位于第三，并且PC的性能最低。②與清水凍融相比，混凝土在鹽溶液中會(huì)受到更加劇烈的破壞。對(duì)此研究發(fā)現(xiàn)，在其中加入適量的玄武巖纖維能夠起到有效的防護(hù)作用，該作用是通過(guò)降低鹽凍狀況中各項(xiàng)力學(xué)性能的下降速率得以實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，將混合摻量控制在0.15%～0.20%時(shí)最為適當(dāng)，此時(shí)其抗凍效果最優(yōu)。摻量過(guò)小其效果不明顯，過(guò)大反而會(huì)影響混凝土的力學(xué)性能。③灰色預(yù)測(cè)模型在混凝土各項(xiàng)耐久性預(yù)測(cè)方面具有良好的精度，因此在實(shí)際工程中，可針對(duì)不同混凝土結(jié)構(gòu)所處的服役條件對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。