凍融循環(huán)作用下纖維混凝土動態(tài)抗壓性能

王維良,逯靜洲,孔政宇,王建偉

(煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005)

世界各地寒冷地區(qū)的水工混凝土都遭受著凍融循環(huán)帶來的耐久性問題,就此問題,部分學者通過對混凝土構件進行快速凍融試驗、抗壓試驗、微觀試驗,分析凍融循環(huán)對于混凝土力學性能損傷情況,并通過數(shù)值分析總結了混凝土力學性能衰減的規(guī)律[1-6]。由于纖維混凝土的耐久性頗為優(yōu)秀,隨著建筑物對于混凝土性能要求的提高,部分學者對其進行了深入研究,對凍融纖維混凝土的研究取得了一些進展。王純璇[7]通過對不同配合比下PVA纖維混凝土進行凍融試驗,得到其力學性能的損傷情況,建立了能較好演化損傷過程的PVA纖維混凝土凍融損傷模型;孔令康等[8]研究了PVA纖維和納米SiO2在鹽、凍雙重侵蝕下不同纖維摻量的混凝土的抗凍性能。REN等[9]通過對摻加納米顆粒和合成纖維的混凝土經(jīng)凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕后的孔隙特征、質(zhì)量變化等指標變化,提出一種解釋混凝土在凍融循環(huán)下的破壞機理。王建偉等[10]研究了受凍融的纖維混凝土在動態(tài)抗壓試驗后表觀特征、相對動彈性模量、抗壓強度等的損傷情況,得出纖維混凝土凍融后的損傷特性。在研究混凝土破壞機理的過程中,粗骨料-混凝土界面過渡區(qū)(ITZ)的破壞作為混凝土破壞的一個重要的原因。SHEN等[11]采用SEM電鏡等手段研究了混凝土ITZ區(qū)域在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的微觀形態(tài)、力學性質(zhì)及脫粘情況。但對受凍融循環(huán)后纖維混凝土的孔隙結構研究還比較少見。

針對部分地區(qū)的建筑物對抗震和抗凍性能都有要求,普通混凝土不能滿足需求,因此需要對纖維混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后動態(tài)抗壓性能開展研究,探究何種摻料的混凝土可以滿足抗震、抗凍雙重要求,故本文設計了PVA纖維和納米SiO2為摻合料的三組不同摻法的纖維混凝土,以凍融循環(huán)次數(shù)和應變速率作為試驗變量,對纖維混凝土先進行快速凍融試驗,然后進行單軸動態(tài)抗壓試驗,最后對破壞的混凝土試件進行了SEM電鏡試驗。綜合分析實驗數(shù)據(jù),得出三組混凝土動態(tài)抗壓性能及抗凍性能的優(yōu)劣關系。

1 配合比與試驗方法

1.1 原材料及配合比

試驗的原材料為:冀東牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料;粗細骨料分別采用玄武巖碎石(公稱粒徑5～30 mm)和天然河砂(細度模數(shù)為2.8);煙臺市自來水(符合JGJ 63—2006)[12];添加了萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的灰霸牌混凝土減水劑和引氣劑作為外加劑;摻合料為上海鍇源化工科技有限公司生產(chǎn)的PVA纖維(長度12 mm,直徑15 μm,抗拉強度1830 MPa,斷裂伸長率6.9%)和河北科澤金屬材料有限公司生產(chǎn)的納米SiO2(粒徑20 mm,純度99.9%,白色球形晶體)。

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55—2011)[13]和《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DLT5330—2015)[14],確定本試驗設計的混凝土水膠比為0.410,PVA纖維體積分數(shù)為0.1%,納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為1.0%。

表1 混凝土配合比

1.2 試驗概況

本試驗以摻合料種類、凍融循環(huán)次數(shù)和應變速率為變量,采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體混凝土試件(36組試件,每組3個,共計108個)。試件的分組和編號為:P、S、SP分別代表不同摻合料混凝土的組別;Ti(i=0,1,2,…,4)代表凍融次數(shù),分別是凍融循環(huán)0、25、50、75和100次;Di(i=1,2,3)代表單軸壓縮應變速率,分別是10-5s-1、10-4s-1和10-3s-1。

凍融試驗:試件經(jīng)標準養(yǎng)護28 d,養(yǎng)護完成后,放入清水浸泡4 d開始試驗,然后使用混凝土快速凍融試驗機(NELD-BFC型)進行快速凍融試驗,控制混凝土中心溫度在(-18±2)～(5±2) ℃之間,一次循環(huán)時間為3.5 h,對不同組混凝土分別凍融循環(huán)25次、50次、75次和100次。試驗全程依照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》(GB/T 50082—2009)[15]中的規(guī)定進行。

單軸壓縮試驗:凍融試驗完成后,將試件晾干,使用電液伺服壓力試驗機(YAW-2000D型)進行單軸動態(tài)抗壓試驗,應變率采用10-5s-1、10-4s-1和10-3s-1,勻速加載至試件破壞。

SEM電鏡掃描試驗:對凍融循環(huán)0、50、100次后的三組混凝土試件進行切片(切片過程中注意不能破壞樣品的結構),然后用乙醇將長寬約為5 mm的片狀樣品進行超聲波清洗,隨后將樣品烘干12 h,真空噴金處理后,使用掃描電鏡(JSM-7610F型)對樣品進行微觀形貌的觀察。

2 結果與分析

2.1 混凝土峰值應變變化分析

在動態(tài)加載下,混凝土的峰值應變隨著應變率的提高而下降,為了更好地表現(xiàn)應變速率對于混凝土峰值應變的影響,本研究用應變損失率這個指標來呈現(xiàn)應變率提高對混凝土峰值應變的影響。公式如下:

(1)

式中:EC為應變損失率,εDn為應變率為Dn時混凝土的峰值應變,εDn+1為應變率為Dn+1時混凝土的強度。

由圖1(a)可知三組混凝土中,SP組的峰值應變最大,P 組次之,S組最小。圖1(b)、(c)呈現(xiàn)的整體趨勢是,S組的混凝土的應變損失率最高,P組次之,SP 組的損失率最小且與前者相差較大。圖1(c)中各組的應變損失率比圖1(b)中各組整體下降了1.5%～2.0%。這說明三組混凝土之間,SP組的延性最好,P組次之,S組最差。

圖1 各組凍融混凝土在不同應變率下的峰值應變損失率

2.2 混凝土強度變化分析

在動態(tài)加載下,混凝土的強度隨著應變率的改變而變化,為了更好地表現(xiàn)應變率對于混凝土強度的影響,本研究用強度變化率這個指標來呈現(xiàn)應變率變化帶來的強度變化。公式如下:

(2)

式中:PC為強度變化率,σDn+1為應變率為Dn+1時混凝土的強度,σDn為應變率為Dn時混凝土的強度。

如圖2(a)所示,各組混凝土中S組初始強度最高,SP組次之,P組強度最低。隨著凍融次數(shù)的增加,S組的強度下降最快,在凍融一百次后S組的強度已經(jīng)低于SP組。圖2(b)、(c)分別是10-5～10-4s-1和10-4～10-3s-1兩種情況,隨著應變率的提高,混凝土的強度整體上呈提高的趨勢。在應變率由10-5～10-4s-1的情況下,三組的混凝土抗壓強度的變化率均為正值,P組的強度強化效果最好,隨著凍融次數(shù)的增加逐步從3.01%到11.06%;S組和SP組的變化率一直在2%到4%之間,兩組的強度變化率相仿。在應變率由10-4～10-3s-1的情況下,S組的混凝土強度變化率為零,摻入PVA纖維的P組和SP組的混凝土強度變化率大體上是正值且維持在2%～4%,只有P組在凍融一百次后出現(xiàn)了負值。

圖2 各組凍融混凝土在不同應變率下的強度變化率

綜上,S組混凝土強度最高,但抗凍性最差,強度損失最快,且應變率的提升帶來的抗壓強度強化最弱;而摻加PVA纖維的兩組強度雖較前者略有不足,但強度損失變慢,抗凍性得到提高,且應變率對于混凝土的強化效果提升,尤其是在凍融次數(shù)較大時,PVA纖維的效果更加明顯。上述結果表明應變率提高會提高混凝土抗壓強度,但隨著應變率的持續(xù)提高,對于延性較差的S組混凝土,應變率的提升已經(jīng)不足以帶來強化作用;而摻加PVA纖維的兩組混凝土的延性良好,所以應變率的提升依然給混凝土提供正向的作用,但因為P組的混凝土強度低,在凍融一百次后,混凝土內(nèi)部損傷過大,在應變率持續(xù)提升的情況下,纖維尚未發(fā)揮作用試塊就已經(jīng)破壞,故出現(xiàn)了強度變化率為負值的情況。

2.3 納米SiO2微觀作用機理

納米SiO2的摻加使混凝土的強度提高,而混凝土內(nèi)部的孔隙與ITZ界面區(qū)是薄弱處,故本研究從納米SiO2對于孔隙及ITZ 的影響來分析其提高混凝土強度的機理。圖3是混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)后的SEM掃描電鏡照片,從圖3(a)中不難看出微氣孔內(nèi)部有許多附著的針狀鈣礬石和C-S-H凝膠,SiO2能與混凝土中的氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠,這種物質(zhì)也能起到對微孔道的填補作用,且納米級的SiO2能夠讓這一反應進行得更快更徹底。這促使混凝土的結構更加密實使其強度更高。在圖3(b)中,左側區(qū)域為粗骨料,右側區(qū)域為混凝土,可以看出過渡區(qū)的界面清晰可見,并且兩區(qū)域之間有明顯的孔隙,說明粗骨料-混凝土界面是具有一定厚度和大小的軟弱層,而不是理想的一層界面,其相對來言的多孔性,是ITZ界面脫粘的來源。從圖3(c)可以看出,界面處為水泥漿體提供了足夠的水化空間,產(chǎn)生大量的水化產(chǎn)物在裂紋中生長,這些水化產(chǎn)物作為連接砂巖和混凝土的橋梁。C-S-H凝膠在ITZ中富集,呈柱狀、蜂窩狀的晶體輻射網(wǎng)狀,并沿特定方向生長,分層排列,垂直于界面的交錯連接。柱狀、蜂窩狀C-S-H凝膠疊加在粗骨料-混凝土界面中,提高了界面密度,是界面粘結強度的主要來源。

圖3 S組混凝土中孔隙及ITZ處的SEM照片

相比于普通混凝土,摻加了納米SiO2的S組混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物。這是因為當混凝土的水泥漿體發(fā)生水化反應時,水泥漿體中的離子會迅速溶解并擴散到骨料表面的水膜中。由于離子反應的活性Ca2+> Si4+,所以水膜中的Ca(OH)2晶體最早生成,其次是蜂窩狀的C-S-H凝膠。由于 Ca(OH)2晶體消耗水泥漿中的大量水,這限制了C-S-H凝膠的生長,并導致ITZ的相對松散的微觀結構,但當加入SiO2后,Ca(OH)2會和SiO2反應生成C-S-H凝膠,所以相比于普通混凝土,摻加SiO2的混凝土的ITZ的界面強度更高,孔隙更密實,故而混凝土的抗壓強度提高。

2.4 PVA纖維微觀作用機理

圖4是兩組纖維混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)100次之后含纖維部分的SEM掃描電鏡照片。針對實驗數(shù)據(jù)中比較特殊的幾種情況,通過結合微觀照片進行分析。P組混凝土在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)且應變率達到10-5s-1的情況下,其相較于應變率為10-4s-1時,此時應變率的提高不僅沒有提高混凝土的強度,反而出現(xiàn)了下降。另外相較于SP組,兩組的強度損失率在凍融75次前相仿,凍融次數(shù)提升到100次后P組的損失率驟然提升。結合圖4(a)發(fā)現(xiàn),PVA纖維并沒有發(fā)生破壞,仍然是完好的狀態(tài),但是此時在經(jīng)歷凍融循環(huán)后混凝土砂漿部分的結構已經(jīng)明顯變得松散,孔洞變得粗大,部分混凝土甚至已經(jīng)出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。對比圖4(b)SP組的情況,SP組混凝土的表面相對平滑完整,且PVA 纖維出現(xiàn)了斷裂。這證明在凍融循環(huán)100次的情況下,兩組纖維混凝土相比較,由于SP組摻入了納米SiO2,結構的密實性更強、強度更高,PVA纖維在混凝土破壞之前更完整地發(fā)揮出了自己的作用,所以在凍融循環(huán)100次時SP組還可以保持穩(wěn)定強度損失率,而P組的強度則在凍融損傷較高后迅速下降。PVA纖維的摻入使得混凝土凍融循環(huán)后抵抗變形的能力增強、破壞后的完整性更好,從而提高了受凍混凝土的動態(tài)抗壓性能。

圖4 混凝土凍融100次后纖維部分的SEM照片

3 結 論

PVA纖維的韌性改善了混凝土的延性,在應變速率較低時,P組混凝土抗凍性能優(yōu)秀,但當應變速率提高到10-3s-1,PVA纖維不能充分發(fā)揮作用,混凝土抗凍性能下滑,高凍融次數(shù)下表現(xiàn)尤為明顯,對于抗震要求較低的地區(qū)可以選擇摻加PVA纖維提高建筑物的抗凍性能;摻加納米SiO2促進了水化反應,水化產(chǎn)物填充孔隙增強了混凝土的密實性,提高了凍融前的抗壓強度,但其延性較差導致動態(tài)抗壓性能在三組中最差,凍融后的動態(tài)抗壓性能更是下降嚴重;而PVA纖維與納米SiO2同時摻入,凍融前延性、強度都較為優(yōu)秀,凍融后兩種摻料的協(xié)同工作使混凝土在較高的應變速率和凍融次數(shù)下性能得以充分的發(fā)揮,故而綜合動態(tài)抗壓性能、抗凍性能最優(yōu)。