钢纤维对混凝土抗冻耐久性影响的研究

时间：2024-12-28

李冬，刘世

（辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000）

0 引言

冻融循环作用是导致寒冷地区混凝土结构破坏的最主要原因之一。已有研究表明纤维的加入对混凝土的抗冻性有积极影响[1，2]。曹梓煜等[3]研究了碳纤维混凝土的抗冻性能，发现掺入碳纤维可使混凝土抵抗冻融循环的次数提高一倍。王利强[4]研究了玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响，结果表明玄武岩纤维加入后，试件的质量损失和动弹性模量损失均显著下降，混凝土的抗冻性能提高。Zeng等学者[5]研究了钢纤维混凝土的抗冻性能，发现较普通混凝土，钢纤维混凝土的动弹性模量下降缓慢，抗冻融循环次数提高。Karimipour等[6]研究了钢纤维橡胶混凝土的抗冻性能，发现纤维的加入可以消除橡胶对混凝土抗冻性能的负面影响。Richardson等学者[7]研究了聚丙烯纤维对早龄期（5d）混凝土抗冻性能的影响，结果表明聚丙烯纤维对早龄期混凝土的质量损失和动弹性模量损失有抑制作用，可提高基体的抗冻性能。现有研究主要依据质量损失和动弹性模量损失两个指标来反应纤维对混凝土抗冻性能的影响，并未对其冻融损伤规律进行深入分析和探讨。

水是多种材料破坏的主要介质，对于混凝土而言，水作为侵蚀性离子迁移的载体，控制着大多数混凝土的耐久性问题[8]。因此，混凝土的水分传输性能受到了学者们的重点关注[9-15]。为反映服役状态下的混凝土结构的水分传输性能，Wang等[16]研究了荷载作用后混凝土的毛细吸水性能，发现荷载作用对混凝土的吸水性有显著的影响，当作用0.7～0.9倍的极限荷载后，基体的吸水率可提高一倍。Zhang等学者[17]研究了冻融循环作用对混凝土的水分传输性能的影响，随着冻融循环次数的增加，混凝土的毛细吸水性能逐渐增大。但涉及冻融循环作用后钢纤维对混凝土内水分传输性能的研究还未见报道。因此，研究钢纤维对混凝土抗冻耐久性的影响，对钢纤维混凝土在寒冷地区的应用具有促进作用。

文中采用GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[18]中的快冻法开展钢纤维混凝土冻融循环试验，通过对比相对动弹性模量的变化情况评价钢纤维对混凝土抗冻性能的影响，引入Weibull分布探讨了冻融损伤概率模型；通过毛细吸水量和毛细吸水系数的变化规律评估钢纤维对冻融循环作用后混凝土内水分传输性能的影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 原材料及配合比

胶凝材料为普通硅酸盐水泥（P·O42.5R）；矿物掺合料为Ⅰ级粉煤灰；粗骨料为碎石，级配为5～20mm；细骨料为天然河砂，细度模数2.6；钢纤维的物理力学性质见表1。各组试件混凝土配合比见表2。

表1 钢纤维物理性质

表2 钢纤维混凝土配合比k g·m-3

1.2 冻融循环试验

按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法开展融循环试验，每组3个试件，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，在标准养护室养护24d，随后将试件放在（20±2）℃水中浸泡4d，试件在28d龄期后进行试验。每25次冻融循环后测量试件的质量损失和动弹性模量，当试件的相对动弹性模量低于60%或质量损失超过5%时停止试验。相对动弹性模量和质量损失的计算依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

1.3 毛细吸水试验

钢纤维混凝土毛细吸水试验参照美国材料实验协会推荐的方法进行，采用立方体试件（100mm×100mm×100mm）。当考虑重力的影响，混凝土毛细吸水量与时间平方根之间满足如下关系式。

式中，ΔW为混凝土单位面积毛细吸水量，g/m2；t为毛细吸水时间，h；a，b为系数，通过试验值拟合求得。

不同时刻毛细吸水系数可通过下式得到：

式中，A（t）为不同时刻的毛细吸水系数，g/（m2·h0.5）。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

采用立方体试件（100mm×100mm×100mm）进行抗压强度试验，试件在标准养护室养护28d，抗压强度按照标准[19]进行测试，各组试件的抗压强度如图1所示。

图1 各组试件的抗压强度

从图1中可以看出，PC，SFRC20，SFRC40 和SFRC60的抗压强度分别为 37.1、37.6、38.2MPa和 36.5、37.1MPa。与PC试件相比，SFRC20，SFRC40 和SFRC60试件的抗压强度变化很小（最大仅为2%），表明钢纤维的加入对混凝土的抗压强度没有显著的影响。这与Ding等[20]的研究结论较为一致。

2.2 相对动弹性模量

各组试件的相对动弹性模量随冻融循环次数的变化情况如图2所示。

图2 钢纤维混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的变化

从图2中可以看出，随着冻融循环次数的增加，各组试件的相对动弹性模量均呈下降趋势，PC试件的相对动弹性模量的下降速率大于掺加钢纤维的试件；随着钢纤维掺量的增加，试件的相对动弹性模量下降速率逐渐延缓，表明钢纤维的加入可显著提高混凝土的抗冻性能。

依照标准，混凝土的抗冻等级F为相对动弹性模量下降至不低于60%时的最大冻融循环次数，从图中可以看出，PC试件的抗冻等级 F为 100，SFRC20、SFRC40和SFRC60试件的抗冻等级F分别为150、200和225，与PC试件相比，钢纤维掺量为60kg/m3时，混凝土的抗冻等级F提高了125%。这是因为钢纤维的加入限制了冻融循环过程中试件内部微裂缝的发展；另外，钢纤维的加入使混凝土内部封闭孔的数量增加，可缓解内部结冰时对混凝土产生的冻胀压力，从而减小了冻融循环作用对基体的损伤程度[21]。

2.3 冻融损伤概率模型

混凝土受冻融损伤的过程与其疲劳破坏的过程相似，因此，可采用Weibull分布来描述冻融循环次数与基体损伤的关系。冻融循环作用下混凝土的损伤量Dn可用下式表示[22]。

式中，En表示冻融循环n次后，混凝土的动弹性模量；E0表示混凝土初始动弹性模量。

根据Weibull分布，混凝土冻融损伤的概率分布函数可表示为[23]

式中，F（n）为基体的损伤量；n为冻融循环次数；η为特征寿命参数；β为Weibull形状参数。
令 X=ln（n），Y=ln[-ln（1-Dn）]，则式（4）可写成

式中，a为与寿命有关的常数。

从表3中可以看出，各组拟合的相关系数R2都大于0.950，说明应用Weibull分布作为冻融损伤量Dn与冻融循环次数n的概率分布模型是可行的。

表3 各组冻融损伤量的拟合结果

2.4 毛细吸水规律

由于素混凝土PC试件所能承受的最大冻融循环次数为100，为了进行对比，在毛细吸水试验时，各组试件的最大冻融循环次数设定为100。在冻融循环为0、25、50、75、100 次后，各组试件毛细吸水量的对比如图3所示。

图3 不同冻融循环次数下各组试件毛细吸水量对比

从图3可以看出，对于未受冻融循环作用时，各组试件的毛细吸水量随时间平方根逐渐增加，但是，通过对比各组试件毛细吸水量的结果发现，钢纤维的加入对混凝土毛细吸水量没有显著的影响见图5（a）。随着冻融循环次数的增加，各组试件的毛细吸水量逐渐增大，钢纤维的加入可延缓毛细吸水量的增速。这主要是因为冻融循环作用会引起混凝土内部微裂缝的产生和发展，从而使毛细吸水量显著增加，而钢纤维的加入降低了冻融对基体产生的损伤从而限制了混凝土内部微裂缝的发展，进而降低了试件的毛细吸水量。

按照式（1）对图3中的曲线进行拟合，可得到系数a、b及毛细吸水量与时间平方根的相关系数R2，见表4。

表4 毛细吸水量与时间平方根的拟合结果

从表4中可以看出，不同冻融循环次数后的20组试件拟合得到的相关系数R2均较高，仅三组的相关系数 R2＜0.990，分别为 0.960、0.988 和 0.985，表明钢纤维混凝土的毛细吸水量与时间平方根符合式（1）。利用表3中的结果，根据式（2）可以得到试件毛细吸水系数随时间平方根的变化规律。冻融循环为0、25、50、75、100次后，各组试件毛细吸水系数随时间平方根的变化情况如图4所示。

图4 不同冻融循环次数下试件毛细吸水系数对比

从图4中可以看出，随时间的延长各组试件的毛细吸水系数逐渐减小。对于未受冻融循环作用时，各组试件初期的毛细吸水系数有一定差异，随着毛细吸水的进行，各组试件的毛细吸水系数逐渐趋同。随着冻融循环次数的增加，各组试件的初期毛细吸水系数显著增大，后期毛细吸水系数仍未出现显著差异。与PC试件相比，钢纤维的掺入可显著降低初期的毛细吸水系数。以毛细吸水时间在0h0.5，冻融循环次数达到75次为例，从图4（d）中可以看出，PC，SFRC20，SFRC40和SFRC60试件的毛细吸水系数5681、4741、1744g/（m2·h0.5）和1539g/（m2·h0.5）。与PC相比，SFRC20，SFRC40和SFRC60试件的毛细吸水系数分别降低17%，69%和73%。