不同種纖維混凝土抗凍性能研究

郭振東，張 業(yè)，黃志強(qiáng)

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100020；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 100020；3.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

在我國廣袤的北方地區(qū)，尤其是寒區(qū)，混凝土深受不同程度的低溫凍融破壞，對建筑物使用安全及經(jīng)濟(jì)環(huán)保造成巨大威脅。近年來，纖維混凝土材料被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究，其結(jié)果均表明纖維結(jié)構(gòu)不僅具有可抵消內(nèi)應(yīng)力、可塑性強(qiáng)、韌性強(qiáng)、與混凝土粘連性強(qiáng)的潛力，而且在提高混凝土抗凍性方面也發(fā)揮重大作用。由于影響纖維混凝土抗凍性的因素種類很多，且纖維混凝土抗凍性研究內(nèi)容正處于纖維混凝土耐久性研究的發(fā)展階段，因此其研究成果尚且不夠全面，缺乏系統(tǒng)性。本文通過綜述國內(nèi)外學(xué)者對纖維混凝土抗凍性影響因素的研究，分析總結(jié)出改善纖維混凝土抗凍性的最佳措施。

1 對不同種類纖維增強(qiáng)混凝土抗凍性研究

纖維混凝土抗凍性已經(jīng)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，眾多學(xué)者[1-4]研究表明纖維材料摻入混凝土中可以降低混凝土在凍融條件下的質(zhì)量損失，從而提高纖維混凝土的抗凍性。眾多學(xué)者[5-6]通過宏觀與微觀的研究表明，鋼纖維在基體中能很好地發(fā)揮出阻裂作用，從而明顯提高混凝土抗剝落能力和抗凍性能。但是有學(xué)者[7]表示，相比于其他種類纖維混凝土來說，不建議在鹽凍融環(huán)境中使用鋼纖維混凝土構(gòu)件。2015年，滕飛等[8]通過研究表明摻入聚丙烯纖維能夠使混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失速度變得緩慢，這一現(xiàn)象說明了聚丙烯纖維的摻入，使混凝土的抗凍性要高于普通緩凝土。

綜上所述，在混凝土中摻入上述四種纖維，均可以增強(qiáng)混凝土的抗凍性，一次分析大多數(shù)纖維混凝土的抗凍性都要優(yōu)于普通混凝土。所以研究纖維混凝土抗凍性影響因素對嚴(yán)寒地區(qū)來說具有重要的意義。

2 不同因素對纖維混凝土抗凍性的影響

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)

凍融循環(huán)次數(shù)是影響抗凍性最基礎(chǔ)的因素，眾多學(xué)者在該因素方面研究結(jié)果相似。陳升平等[9]則是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立凍融環(huán)境下?lián)p傷模型的方法，擬合數(shù)據(jù)分析得出，鋼纖維混凝土的損傷度在凍融次數(shù)增加的過程中逐漸增大，但相比于普通混凝土，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失率曲線上升緩慢，凍融循環(huán)125次后，纖鋼維混凝土質(zhì)量損失率增加的緩慢程度更大，鋼纖維混凝土抗凍性優(yōu)勢更明顯。程紅強(qiáng)[10]通過整合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率曲線。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,聚丙烯纖維混凝土損傷不斷累積，且凍融循環(huán)40次之前，增強(qiáng)抗凍性的作用更明顯，40次之后隨著凍融次數(shù)的增加，增強(qiáng)抗凍性的作用越來越小。該因素的研究程度較為成熟，且研究結(jié)果整體上基本一致。

2.2 纖維摻量

在我國北部嚴(yán)寒地區(qū)的自然環(huán)境中，凍融循環(huán)作用的發(fā)生是不可避免的，所以會(huì)導(dǎo)致纖維混凝土抗凍性下降，因此有學(xué)者提出通過增加纖維摻量的方法來改善嚴(yán)寒環(huán)境下纖維混凝土抗凍性。

寧喜亮通過實(shí)驗(yàn)還得出來鋼纖維摻量為20 kg/m3時(shí)構(gòu)件的損傷程度要比40 kg/m3更低一些，抗凍性更優(yōu)，但對凍融后試件的力學(xué)性能改善程度不如摻量為40 kg/m3時(shí)的構(gòu)件。由于纖維混凝土損傷會(huì)因凍融循環(huán)作用而不斷累加，導(dǎo)致劈拉強(qiáng)度不斷降低。程紅強(qiáng)等通過實(shí)驗(yàn)測定聚丙烯纖維混凝土在不同纖維摻量下的劈拉強(qiáng)度，從而得出纖維摻量與構(gòu)件抗凍性的關(guān)系。

PVA纖維摻量增加，纖維混凝土抗凍性先增大后減小，其主要原因有。

1)PVA 纖維具有較大的彈性模量和較好的韌性，能夠有效抑制再生裂縫以及裂縫的寬度和長度擴(kuò)展，能有效減少混凝土內(nèi)部孔隙連通。

2)低摻量 PVA 纖維，在混凝土中可以更均勻地分布，更大程度地發(fā)揮對混凝土的約束作用，可以減少膨脹壓力對試件本身抗凍性的影響[11]。

3)通過掃描電子顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)，纖維在混凝土中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能會(huì)減少內(nèi)部氣體逸出，從而增大水泥基體內(nèi)部的含氣量，緩解凍融循環(huán)過程中的壓力[12-15]。

但當(dāng) PVA 纖維摻量大于0.5%時(shí)，過多的纖維導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微觀孔隙變多，增加了混凝土內(nèi)部生成通孔的可能性，導(dǎo)致毛細(xì)孔中的水分增多，毛細(xì)孔中膨脹壓和滲透壓增大，導(dǎo)致混凝土抗凍性能劣化。

2.3 摻纖維方式

2019年，喬宏霞等[16]研究了兩種不同摻纖維方式(整體式和層布式)對混凝土抗凍性能的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 質(zhì)量損失率

如圖1所示，從整體上分析可知，凍融循環(huán)次數(shù)越多，纖維混凝土質(zhì)量損失率越大。對比兩種不同的摻纖維方式，層布式混雜纖維混凝土質(zhì)量損失率變化范圍更小，即抗凍性更優(yōu)。

3 結(jié) 語

纖維增加混凝土的抗凍性已經(jīng)得到了眾多學(xué)者的研究，結(jié)果表明，纖維增加混凝土的抗凍性效果明顯。

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維混凝土的抗凍性減弱。

2)不同種纖維在其適量的摻量下可明顯提高混凝土的抗凍性。

總的來說，纖維可以明顯增加混凝土的抗凍性，但對于纖維的混合使用，摻入方式等還可以進(jìn)行深入的研究，希望找到最合適的纖維來提高混凝土的抗凍性。

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