混雜纖維混凝土抗鹽凍性能試驗研究

李國東，張 楠

（東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

中國北方地區冬季常采用撒除冰鹽的方式進行除雪，經過冬凍春融后，混凝土遭受凍融循環和氯鹽侵蝕的共同作用，引發混凝土表面剝落和鋼筋銹蝕，材料的劣化導致其結構性能退化，極大地影響混凝土的耐久性能，使其無法達到預期的使用年限，同時產生較大的安全隱患。因此深入開展混凝土抗鹽凍耐久性研究十分重要[1-2]。

纖維增強技術可以使混凝土的力學性能及耐久性能比普通混凝土更為優良，因此受到了研究人員的廣泛關注[3-4]。目前，國內外學者對于纖維混凝土的研究主要包括：單一纖維增強混凝土力學性能的研究[5-6]和纖維混凝土在單一因素作用下耐久性研究[7-8]。已有研究均表明纖維對混凝土具有增強效果，但單一纖維只能在特定的裂縫處進行搭接阻裂?；祀s纖維混凝土作為新型建筑材料，抗彎拉強度高且具有良好的抗滲、抗凍耐久性。目前，對于混雜纖維混凝土的研究多集中在力學性能方面，而對耐久性的研究較少，特別是對于凍融循環和氯鹽侵蝕耦合作用下混雜纖維混凝土耐久性研究更為少見。

玄武巖纖維是一種無機材料，具有易于分散、化學性質穩定、成本低廉等優點，聚丙烯纖維的彈性模量較低，可以和玄武巖纖維形成優勢互補的作用[9]。本文將玄武巖纖維和聚丙烯纖維按照單摻和混摻的方式加入混凝土，研究混雜纖維混凝土在凍融循環和氯鹽耦合作用下的耐久性，建立基于凍融累積損傷的混凝土耐久性模型，為嚴寒地區混雜纖維混凝土的應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比

水泥為天鵝牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細集料采用哈爾濱地區的河砂，為細度模數為2.4的中砂；粗集料選用公稱粒徑為5～20 mm連續集配的碎石；減水劑為哈爾濱翔宇混凝土外加劑有限公司提供的FDN型萘系高效減水劑，減水率為22%～24%；玄武巖纖維（BF）為浙江天龍玄武巖連續纖維股份有限公司生產，聚丙烯纖維（PF）為遼陽市巨欣化纖有限公司生產，纖維的主要性能指標見表1。

表1 纖維的主要性能指標Tab.1 performance parameters of fiber

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55—2011），設計混凝土配合比為w(水泥)∶w(水)∶w(細集料)∶w(粗集料)=477∶194∶688∶1032。為研究兩種纖維不同摻量對混凝土的影響，本試驗以普通混凝土（OC）為對照組，保持混凝土配合比不變，通過加入不同摻量的纖維形成各試驗組，命名為BF**PF**。BF表示摻玄武巖纖維混凝土，PF表示摻聚丙烯纖維混凝土，字母后面的數字表示纖維摻量。如BF10表示摻入體積分數為0.10%的玄武巖纖維混凝土。試驗組配合比參數見表2。

表2 混凝土配合比設計參數Tab.2 design parameters of concrete mix proportions

1.2 試驗方案

（1）混凝土力學試驗

力學性能試驗參照《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS13—2009）進行，標準養護28 d時取出試塊，分別進行抗壓、劈裂抗拉強度試驗。試驗均采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，每組試塊均為3個。

（2）混凝土抗鹽凍試驗

混凝土抗鹽凍試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）中的快凍法進行。試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，每組3塊。試驗前將試件放入質量分數為3.5%的NaCl溶液中浸泡4 d。試驗過程中，每25次凍融循環后取出試件，將試件晾干后，稱取試件質量并測算其動彈性模量。評價混凝土凍融損傷的兩個重要指標為質量損失率和相對動彈性模量。經N次凍融循環后混凝土的質量損失率為

式中：m0為凍融循環前混凝土的質量，g；mN為經N次凍融循環后混凝土的質量，g。

經N次凍融循環后混凝土相對動彈性模量為

式中：f0為凍融循環前混凝土的初始橫向基頻，Hz；fN為經N次凍融循環后混凝土的橫向基頻，Hz。

當出現下列情形之一時，終止試驗：①凍融循環次數達到200次；②相對動彈性模量下降至60%；③質量損失率達到5%。

表1給出了指數分布參數λ1和λ2的變化對決策的影響，可以看出λ1和λ2對最優參數m*和N*有顯著影響。隨著λ1和λ2變大，最優全周期期望維修費率(ECR*)也會增加。

2 試驗結果及分析

2.1 混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度

各組混凝土立方體抗壓強度試驗結果見圖1。

圖1 纖維對混凝土抗壓強度的影響Fig.1 effect of fiber on compressive strength of concretes

由圖1可見，單摻或混摻纖維均能小幅度提高混凝土抗壓強度，BF15的抗壓強度在單摻纖維系列中最高，為51.3 MPa，較OC提高了14%；BF10抗壓強度最低，較OC降低了4.7%?；祀s纖維系列中，BF15PF10抗壓強度最高，為52.1 MPa，較OC提高了15.8%；對于玄武巖纖維混凝土的抗壓性能，隨著纖維摻量的增加抗壓強度呈先減后増再減的趨勢，對于聚丙烯纖維混凝土和多數混雜纖維混凝土的抗壓性能，隨著纖維摻量的增加抗壓強度呈先増后減的趨勢，與相關研究[10-11]中的現象相似。這是由于摻入少量的BF使混凝土內部產生孔隙，但少量纖維不足以形成有效的“網絡骨架”，纖維的增強作用抵不過纖維缺陷，從而導致抗壓強度下降；當纖維摻量逐漸增加到一定量時，纖維之間形成數量較多的“網絡骨架”，分散了部分應力，并通過纖維與水泥漿的黏結力約束混凝土在受壓過程中產生的變形，延緩了受壓破壞過程，從而提高了混凝土抗壓強度；摻入過量纖維會使其在混凝土內分布不均，導致內部密度變差，從而降低了混凝土抗壓強度?；祀s纖維混凝土系列中，各組均存在抗壓強度小于單摻纖維組的情況，說明摻入過量纖維產生了“負混雜效應”，導致抗壓強度下降。

以上分析說明BF和PF在混凝土中存在最佳摻量，并非摻量越大增強效果越好。從增強抗壓強度角度考慮，BF和PF最佳摻量分別為0.15%和0.10%，在此摻量下，BF和PF在混凝土中形成均勻的三維纖維網，有效約束了橫向變形[12]。另外，兩種彈性模量相差極大的纖維形成互補作用，聚丙烯纖維在混凝土破壞早期階段減少了裂縫源生成的數量，玄武巖纖維抑制了混凝土宏觀裂縫產生。兩種纖維取長補短，互作優勢，在不同層次上發揮作用，從而提高了混凝土的抗壓強度。

各組混凝土試塊劈裂抗拉強度見圖2。

圖2 纖維對混凝土劈裂抗拉強度的影響Fig.2 effect of fiber on splitting tensile strength of concretes

由圖2可見，總體趨勢上，單摻或混摻纖維均顯著提高了混凝土劈裂抗拉強度，單摻纖維系列中PF15劈裂抗拉強度最高，為4.38 MPa，較OC提高了22%?；祀s纖維系列中BF10PF15劈裂抗拉強度最高，為4.6 MPa，較OC提高了28%；無論單摻還是混摻系列，隨著纖維摻量的增加，劈裂抗拉強度均呈先増后減的趨勢。結合纖維在混凝土中的分布情況分析其原因為：適量的纖維在混凝土內分布均勻，在試塊受拉過程中與混凝土基體共同承擔受拉荷載，直至纖維被拔出或拔斷，破壞特征表現出較好延性，從而提高混凝土劈裂抗拉強度。而摻入過量纖維使混凝土在制作過程中難以攪拌，和易性變差，說明其難以在混凝土內分散均勻，這就增加了混凝土內部的薄弱區域，但其對混凝土的增強作用仍大于其削弱作用，因此各組纖維混凝土劈裂抗拉強度均大于OC?；祀s纖維系列中，在適量摻量下混雜纖維提高了混凝土劈裂抗拉強度，兩種纖維在混凝土受拉破壞時從不同尺度和不同階段發揮阻裂作用，低彈性模量的聚丙烯纖維在受拉損傷初期階段抑制和延緩微裂縫的生成與擴展，而高彈性模量的玄武巖纖維在受拉損傷后期控制了裂紋生成，從而顯著提高混凝土的劈裂抗拉強度，表現出“正混雜效應”。但存在劈裂抗拉強度小于單摻纖維組的情況，這也說明纖維摻量過大時產生了“負混雜效應”。因此在混凝土劈裂抗拉強度上BF和PF最佳摻量分別為0.10%和0.15%。

2.2 混凝土質量損失率和相對動彈性模量

OC和各組纖維混凝土質量損失率隨凍融循環次數N變化見圖3。

圖3 混凝土的質量損失率Fig.3 mass loss rate of concretes

由圖3可見，N≤25時，各組混凝土的質量損失率下降，這是由于試驗初期混凝土內部存在微裂縫，隨著試驗進行裂縫逐漸擴展同時吸收NaCl溶液直至飽和，混凝土脫落的質量小于吸收NaCl溶液的質量，使混凝土質量略微增加。N為25時，凍融循環后混凝土外部損傷加劇，并伴隨著水泥砂漿和粗骨料脫落，混凝土損失的質量遠大于吸收NaCl溶液的質量，導致質量損失率增大。N＞125時，各組質量損失增長速率顯著加快；隨著凍融循環次數繼續增長，各組質量損失率逐漸增加，但均未達到5%；N為200時所有試驗組均終止試驗。相對于OC，各組纖維混凝土均能不同程度減少質量損失，其中N為200時，BF10PF20質量損失率最小，較OC降低55.4%。

OC和各組纖維混凝土相對動彈性模量隨凍融循環次數N變化見圖4。

圖4 混凝土的相對動彈性模量Fig.4 relative dynamic elastic modulus of concretes

由圖4可見，隨著凍融循環次數增加，混凝土動彈性模量均呈現不同程度的下降趨勢。N≤75時，各組混凝土動彈性模量下降較緩慢；75＜N≤125時，混凝土動彈性模量下降速度略微增大；N＞125時，混凝土的動彈性模量下降速度急劇增大。在整個凍融試驗過程中，OC破壞程度最大，N為200時，動彈性模量為凍融前的66.1%；PF15較BF15曲線下降速度快，這說明在提高混凝土抗鹽凍性能上，玄武巖纖維優于聚丙烯纖維。200次凍融循環時，各組混凝土相對動彈性模量為：OC＜PF15＜BF15＜BF20PF20＜BF20PF10＜BF15PF15＜BF10PF20，其中BF10PF20相對動彈性模量為87.1%，較普通混凝土減少損失31.8%。說明合理摻量的混雜纖維改善混凝土內部結構的效果優于單摻纖維，更利于提高混凝土的抗鹽凍性。各組混凝土試塊經200次凍融循環后的外貌見圖5。

圖5 200次凍融循環后混凝土的外貌Fig.5 appearance of concrete after 200 freeze-thaw cycles

綜上所述，在凍融循環與氯鹽耦合作用下，摻入玄武巖-聚丙烯混雜纖維能夠降低混凝土的質量損失率并提高相對動彈性模量，當BF摻量為0.10%、PF摻量為0.20%時抗鹽凍性能最佳。

3 機理分析

3.1 凍融循環與氯鹽耦合作用下混凝土破壞機理

目前關于混凝土抗凍性的理論研究主要有：滲透壓理論、靜水壓理論、溫度應力理論和臨界飽水度理論?；炷恋柠}凍破壞本質上歸屬于凍融破壞，但在凍融循環與氯鹽耦合作用下，混凝土的劣化程度遠大于單因素作用。其原因為：隨著凍融循環的進行，混凝土中微裂縫的數量逐漸增多，為Cl-向混凝土內部遷移創造了便利條件，從而加劇了氯鹽腐蝕速度。另一方面，NaCl加劇了混凝土凍融破壞速度，主要體現在以下方面：①NaCl增加了混凝土初始飽水度，當其大于臨界飽水度時，混凝土內部會產生較大拉應力，隨著凍融循環次數的增加，拉應力逐漸增大，對混凝土內部結構造成破壞；②當溫度低于0℃時，由于混凝土內部部分水分結冰，孔隙內鹽溶液濃度逐漸上升，內部濃度差導致滲透壓的產生，當滲透壓超過臨界值時，混凝土發生開裂；③在化學反應中，NaCl溶液與鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的水化產物水化鋁酸三鈣反應，生成Friedel鹽，該復合鹽極易膨脹，導致混凝土內部結晶壓增大，從而引發混凝土開裂。該反應消耗混凝土中大量的Ca(OH)2，打破了C-S-H和Ca(OH)2的平衡，對混凝土結構強度造成了極為不利的影響。

圖6、圖7為各組混凝土凍融循環前、200次凍融循環后通過掃描電鏡觀察的試驗結果?？梢钥闯?，試驗前混凝土中各水化產物分布均勻、連續，整體結構較密實，僅存在較少微裂縫。經200次凍融后，基體出現大量裂縫，內部孔隙變大，整體性較差。骨料與C-S-H凝膠之間黏結減弱，基體中出現了大量的板狀Ca(OH)2和針棒狀的鈣礬石。此時混凝土內部致密度大幅下降，表現特征為動彈性模量降低。這是由于凍融試驗過程中混凝土內部毛細孔反復凍融，孔隙受到膨脹壓應力和滲透壓作用，壓應力逐漸增大至超過混凝土抗拉強度時，混凝土發生開裂，并隨著凍融循環次數增加，NaCl溶液會逐漸滲透到基體內部，產生結晶膨脹，使內部微觀裂縫連接貫通，形成宏觀裂縫[13]，從而引起混凝土結構破壞。

圖6 凍融循環前混凝土的微觀結構Fig.6 microstructure of concrete before freeze-thaw cycles

圖7 200次凍融循環后混凝土的微觀結構Fig.7 microstructure of concrete after 200 freeze-thaw cycles

3.2 纖維改善混凝土耐久性作用的機理

由圖7可以看出，纖維與基體的連接界面及拔出痕跡，凍融循環前的痕跡較光滑；經凍融循環后拔出的通道粗糙，且出現較多裂縫，這說明纖維通過與水泥漿體表面間的分子吸附力和基體間的黏結力，抑制了混凝土裂縫的發展。另外，摻入的纖維產生了一些孔隙和通道，從而緩解了一部分集中應力。減緩了混凝土鹽凍破壞速度，提高了混凝土抗鹽凍性能。

由上述分析的鹽凍條件下混凝土的破壞機理可知，提高混凝土的抗鹽凍性，歸根結底在于改變外部環境和改善內部結構。通常條件下，外部鹽凍環境無法人為干預，但在混凝土中摻入纖維可改善混凝土內部結構，從而提高混凝土抗鹽凍性能，其改善機理為：①呈散亂分布的纖維抑制了粗骨料下沉，減小了混凝土內部缺陷。纖維阻礙了混凝土內部毛細管通道，抑制了水分蒸發，減小了混凝土早期塑形開裂，從而提高了抗鹽凍性能；②纖維的摻入起到了引氣作用，緩解了由鹽凍產生的膨脹壓和滲透壓，從而抑制了鹽凍裂縫的生成；③兩種纖維表面摩擦系數較大，能形成可靠的黏結力抵消冰凍膨脹力，延緩了鹽凍裂縫的生成；④纖維在混凝土受凍開裂過程中起到橋接的作用，延緩裂縫產生的應力集中現象，約束裂縫進一步發展。

綜上所述，BF和PF纖維均能提高混凝土抗鹽凍性，凍融循環初期，彈性模量較小的聚丙烯纖維抑制了原生裂縫的發展，在凍融循環中后期，彈性模量較大的玄武巖纖維可抑制宏觀裂縫的產生，將兩者進行混雜可以達到優勢互補的作用，顯著提高了混凝土抗鹽凍性。

4 壽命預測

一般而言，當混凝土的質量損失率達到5%或凍融累計損傷度達到40%，即認為混凝土結構發生凍融破壞[14]?；炷聋}凍破壞過程中，混凝土因為試驗前期吸收水分而使其質量增加。因此用質量衰減模型評價混凝土的凍融損傷程度誤差較大。在本試驗設計的配合比下，根據動彈性模量變化規律，對武海榮等[14]給出的公式進行修正，得到在凍融循環和氯鹽耦合作用下的混凝土凍融損傷預測模型為

式中：D為混凝土的凍融循環累積損傷，無量綱；E0為初始動彈性模量，MPa；EN為試塊經N次凍融循環后的動彈性模量，MPa；N為凍融循環次數；a、b、c為纖維摻量相關系數。

對試驗數據按照式（3）進行擬合，擬合系數見表3、擬合曲線見圖8。

圖8 混凝土損傷度擬合Fig.8 concrete damage degree fitting

表3 凍融循環損傷度指數函數衰減系數Tab.3 attenuation coefficient of exponential function of damage degree of freeze-thaw cycle

由表3可以看出，各試驗組擬合系數R2均大于0.99，說明建立的預測模型具有較高的精準度，在預測混凝土鹽凍破壞程度方面具有較高的可靠性。利用式（3）計算混凝土凍融累計損傷度達到40%時所經過的凍融循環次數，將其作為纖維混凝土的極限凍融次數。經計算OC和BF10PF20的極限凍融次數分別為211次和330次。東北地區年均凍融次數為120次，且實驗室1次凍融循環等效于12次實際自然條件下凍融循環。則混凝土抗鹽凍預測壽命年限為

式中：nE為混凝土的極限凍融次數；na為東北地區年平均凍融循環次數。

按照式（4）計算OC、BF10PF20的抗鹽凍耐久性壽命分別為21 a、33 a，說明混雜纖維顯著提高了混凝土抗鹽凍的耐久性。

5 結論

（1）玄武巖-聚丙烯混雜纖維能顯著提高混凝土劈裂抗拉強度，小幅提高混凝土抗壓強度，但摻入過量纖維會導致混凝土強度降低。兩種纖維的混雜摻量比適當時表現出明顯的正混雜效應，BF15PF10抗壓強度最高，較OC提高了15.8%。BF10PF15劈裂抗拉強度最高，較OC提高了28%。

（2）混凝土動彈性模量衰減速率隨凍融循環次數增加逐漸加快，混雜纖維顯著延緩了動彈性模量降低速度，表明混雜纖維混凝土在凍融循環和氯鹽耦合作用下具有更好的耐久性，其中BF10PF20抗鹽凍性能最好，200次凍融循環后，質量損失率和相對動彈性模量分別比普通混凝土降低損失55.4%、31.8%。

（3）通過SEM微觀分析，玄武巖-聚丙烯混雜纖維改善了混凝土內部結構，延緩裂縫的生成，從而提高凍融循環與氯鹽耦合作用下混凝土的耐久性。

（4）基于相對動彈性模量建立了能直觀反映混凝土凍融損傷規律的指數型損傷預測模型。采用該模型預估鹽凍條件下混雜纖維混凝土的耐久性，結果表明玄武巖-聚丙烯混雜纖維顯著提高了混凝土使用壽命。