多種纖維混凝土抗凍性能研究

張 生

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川成都 610017)

[定稿日期]2018-01-05

隨著西部大開發，在高寒地區我們國家已修建了越來越多的隧道，據高寒地區隧道調查顯示，接近90 %的隧道或多或少的發生了凍害，有滲漏情況的隧道接近60 %，有約20 %的隧道有二次襯砌剝落、開裂的現象。從而導致這些隧道的養護費用過高，甚至影響隧道結構安全[2]。

季節性凍土隧道綜合防抗凍技術主要分為兩塊，一是防凍技術，主要是通過設置保溫層、電加熱、保溫或深埋水溝被動性的防凍；二是抗凍技術，主要是通過提高隧道二次襯砌的抗凍性能。寒區隧道二次襯砌耐久性重要的一項指標就是抗凍性。關于提高混凝土的抗凍性能，許多學者從不同角度做了大量的研究，其中很重要的一個方向就是在混凝土中添加纖維，但是面對市場上種類繁多的纖維類型，究竟哪一種更好、最優纖維摻量是多少，仍然研究較少，系統性不夠完善。本文在總結前人的基礎上，以素混凝土為基準，選擇纖維素纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇三種纖維進行凍融試驗，并觀測其微觀結構，初探其抗凍機理。

1 實驗方法

1.1 實驗原材料及試件設計

采用普通自來水，常用的P.O.42.5R水泥，河沙(細度模數1.7),粗集料(最大粒徑為16 mm的碎石),引氣型減水劑；選取的三種纖維主要性能指標見表1。

表1 纖維的性能指標

本次采用的混凝土基準強度為常用的C30，由前人研究可知，該三種纖維的最優摻量均在0.9 kg/m3左右[4-5]。因此，本文的兩種纖維摻量均為0.9 kg/m3，本次試驗其基準配合比見表2。

表2 施工配合比 kg/m3

試件主要包括兩部分，即：(纖維)混凝土28 d抗壓強度試驗、(纖維)混凝土凍融循環試驗，試驗試件的尺寸、個數及坍落度值如表3所示。

表3 試驗試件概況

1.2 實驗方法

本文試驗的試件制作、試驗方法主要依據JGJ55-2000《普通混凝土配合比設計規程》、GB-T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》、GB-T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標準》等試驗規范，混凝土采用HJW-60型強制攪拌機拌合。

本實驗強度試驗采用的是200 t電液伺服壓力試驗機；其主要過程為：將立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)成型側面做承壓面并使其與試驗機上下壓板軸心對齊，控制加載速度為11.3 kN/s(約0.502 MPa/s)，直至試件破壞，并記錄破壞時壓力機數值。

本文凍融實驗方法采用快凍法進行。本次凍融實驗主要設備是KDR-V9全自動混凝土快速凍融試驗機和DT-W18型混凝土動彈性模量測定儀。抗凍試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每種纖維摻量澆筑3個試件。試件經過2晝夜后脫模，并立即進行外觀檢查，符合要求的放入標準養護箱(溫度20±2 ℃，相對濕度≥95 %)養護。待養護時間達到24 d時，從標養箱取出試件并置于20±2 ℃的水中浸泡4 d，達到28 d養護齡期后進行混凝土凍融循環實驗。實驗進行過程中每凍融25次對試件進行一次動彈性模量及質量檢測。本次SEM試驗主要利用JSM-7500F型冷場發射掃描電子顯微鏡，將纖維混凝土切成小薄片，放入電子顯微鏡下觀測。

2 實驗結果及分析

2.1 強度試驗

試件加載后，豎向發生壓縮變形，水平向為伸長變形。但試件的上、下端因受到加載壓頭的約束而橫向變形小，中部的橫向膨脹變形最大。隨著荷載或試件應力的增大，試件的變形逐漸加快增長。試件接近破壞前，首先在試件高度的中央及靠近側表面的位置上出現豎向裂縫，然后逐漸延伸，并逐漸由表層向混凝土內部擴展，表層混凝土開始剝落，最終形成正倒相接的四角錐破壞形態。

由圖1可知，本次強度實驗同組試件強度值離散性較小，所測數據滿足相關規范規定。圖1中S為素混凝土，J為聚丙烯纖維混凝土，P為聚乙烯醇纖維混凝土，X為纖維素纖維混凝土(下同)。

圖1 纖維混凝土28d抗壓強度值

實驗表明：聚丙烯纖維的摻入對混凝土的抗壓強度有略微提高，提高幅度大約為2 %；而聚乙烯醇纖維及纖維素纖維的摻入對混凝土的強度有一定程度的降低，但幅值都比較小，其降低幅度分別約為3 %、7 %。綜上所述，纖維的摻入主要影響混凝土的和易性，但不同纖維對混凝土的影響有所不同，而纖維對混凝土的抗壓強度影響甚小。

2.2 凍融試驗

在凍融循環作用下,隨著凍融次數的增加，混凝土表面均逐漸出現疏松孔洞、漿皮脫落的現象，但出現的時間有著明顯的區別。聚丙烯纖維混凝土在凍融循環25次后即出現較明顯的表皮剝落、粗骨料外露的現象；而素混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土則是在凍融循環75次后才逐漸開始出現表皮剝落的現象；纖維素纖維混凝土則在經過125次凍融循環后才有輕微的表皮剝落的現象，在這之前主要是孔洞逐漸增多、擴大直至連通的過程。在表皮剝落后聚丙烯纖維混凝土能夠明顯看見聚丙烯在混凝土內部雜亂分布的現象，而纖維素纖維肉眼幾乎無法看見。

300次凍融循環后，各組試件表面情況如圖2所示。素混凝土表面剝蝕現象嚴重，在頂(底)面粗骨料剝落嚴重。而聚乙烯醇纖維混凝土與纖維素纖維混凝土的情況卻比較輕微，尤其是纖維素纖維，幾乎沒有粗骨料剝落現象發生，其表面甚至還有較為光滑的表面存在，只有X2-2試件表面有1～2顆粗骨料剝落。這也表明，纖維素纖維在凍融后期增強混凝土抗剝落能力十分有效。

(a) 素混凝土

(b) 聚乙烯醇纖維混凝土

(c) 纖維素纖維混凝土圖2 300次凍融循環后混凝土試件

(1) 凍融后所有種類混凝土質量損失率隨凍融循環次數的增加而不斷增大，同類型混凝土質量損失率差異較小，不同類型混凝土的質量損失率差異較大。由圖3可知，素混凝土在凍融初期無明顯的質量損失，當凍融循環達到125次以后，其質量損失速率才明顯加大。聚丙烯纖維混凝土在凍融初期就開始出現質量損失，凍融循環大約100次以后，其質量損失速率明顯加快，通過對比說明摻入聚丙烯纖維將會削弱混凝土的抗剝落能力。對于聚乙烯醇纖維，凍融初期無明顯的質量損失，當凍融循環達到125次以后，其質量損失率才明顯加大，但其速率明小于素混凝土質量損失速率。而對于兩組摻入纖維素纖維的混凝土試件，在凍融初期，基本沒有質量損失，當其凍融循環大約150次后，其才出現比較明顯的質量損失，說明摻入纖維素纖維有助于增強混凝土凍融初期表面抵抗表面剝落的能力。200次凍融循環后，兩組聚丙烯纖維質量損失率已達5 %，已達到破壞的標準。300次凍融循環后，素混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土和纖維素纖維混凝土的質量損失率分別為3.06 %、2.45 %、1.76 %。可見，聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的摻入明顯降低了混凝土在凍融過程中的質量損失，尤其以纖維素纖維更為突出，然而聚丙烯纖維的摻入則明顯增強了混凝土在凍融過程中的質量損失。說明纖維的親水性與否對混凝土在凍融過程中抵抗質量損失有著重要的影響。不同類型纖維混凝土相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化規律如圖4所示。

圖3 不同類型纖維混凝土質量損失率隨凍融循環次數的變化規律

圖4 不同類型纖維混凝土相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化規律

(2) 除質量損失率以外，相對東彈性模量是衡量混凝土凍融破壞另一個重要指標，相對動彈性模量是利用動彈性模量測定儀根據聲波檢測原理測定混凝土試件的共振頻率，而后根據式1計算得出，通過多次測量、計算從而得到混凝土在凍融循環過程中內部損傷的演化規律。

(1)

式中：Pi為經N次凍融循環后第i個試件的相對動彈性模量(%)；fni為經N次凍融循環后第i個試件的橫向基頻(Hz)；f0i為凍融循環試驗前第個試件橫向基頻初始值(Hz)。

凍融循環實驗前，S1、S2、J1、J2、P1、P2、X1、X2的動彈性模量分別為40.62、39.86、40.20、39.92、39.49、39.00、39.05、39.90 GPa，各組的動彈性模量值均十分接近，約為40 GPa，說明纖維的摻入對混凝土的初始動彈性模量影響很小。由纖維混凝土凍融循環試驗可知，S2、J1、J2經歷較少次凍融循環后便達到了破壞標準，而S1、P1、X2則經過300次凍融后方達到破壞標準，其動彈性模量分別為20.68、19.41、22.89 GPa。300次凍融循環后，P2與X1仍未達到破壞標準，其動彈性模量分別為23.35 GPa與27.26 GPa，相比凍融前，分別降低了約40 %和32 %。由此可以看出，纖維素纖維混凝土的整體抗凍性能明顯優于另外三種混凝土。

2.3 微觀試驗

電鏡實驗待測纖維混凝土試樣，其樣品厚度為1～2 mm，邊長約為5～10 mm。其樣品厚度為1～2 mm，邊長為5～10mm。

圖5為聚丙烯纖維混凝土掃描電鏡結果。由圖5可知，纖維表面光滑，只有極少量的水泥砂漿粘接在纖維表面。纖維與水泥砂漿之間存在一個明顯的薄弱帶。

圖5 聚丙烯纖維混凝土電鏡掃描結果

圖6為聚乙烯醇纖維混凝土掃描電鏡結果。由圖6可知，纖維表面較為光滑，有少量水泥砂漿粘接在纖維表面。同聚丙烯纖維相比，聚乙烯醇纖維與水泥砂漿的薄弱面不甚明顯。

圖6 聚乙烯醇纖維混凝土電鏡掃描結果

圖7為纖維素纖維混凝土掃描電鏡結果。由圖7可知，纖維素纖維可以同水泥砂漿很好的膠結在一起，纖維表面與水泥砂漿較好的附裹在一起，且纖維與混凝土的膠結面不明顯，無清晰的薄弱面存在。

圖7 纖維素纖維混凝土電鏡掃描結果

通過掃描電鏡結果可知，三種纖維與水泥砂漿的膠結能力不一樣，其膠結能力由強到若分別為：纖維素纖維>聚乙烯醇纖維>聚丙烯纖維。在凍融環境作用下，自由水結冰體積膨脹，當冰體垂直于纖維縱向時，由于纖維與混凝土的膠結作用，可以減緩孔裂隙的應力集中，并起到阻裂的作用，致使混凝土內部孔裂隙生長緩慢，從而提高混凝土的抗凍能力。另一方面，自由水沿著纖維縱向滲入，當自由水受凍膨脹后，其在混凝土內部產生的應力進一步加速纖維與水泥砂漿剝離，從而加速混凝土的凍融破壞。以上分析可知，纖維在混凝土內部一方面由于橫向阻裂提高混凝土的抗凍能力；一方面由于縱向的薄弱帶，加速水分向內滲入，從而降低混凝土的抗凍能力。所以，纖維對混凝土的作用是這兩方面的綜合結果。當纖維能與水泥砂漿較好膠結時，不僅能提高橫向阻裂能力，而且可以減緩纖維縱向的破壞程度，從而提高混凝土的抗凍融能力。這也解釋了纖維素纖維混凝土的抗凍能力優于其他兩種纖維混凝土。

2.4 作用機理分析

一般認為，混凝土的凍融是一個物理作用過程。目前比較經典的凍融破壞理論主要是靜水壓理論、滲透壓理論等[6]。這兩種理論均認為混凝土在受凍過程中內部總存在著水分遷移的現象。這兩種理論無論哪一種占據主導地位，其內部均存在著水分遷移，由此可見水分遷移是造成混凝土受凍損傷的主要原因[7]。在水分遷移過程中水泥漿體內部產生拉應力，當拉應力超過水泥石的抗拉強度時即會使毛細孔遭到破壞，從而在混凝土內部形成微裂紋，進而使混凝土發生宏觀破壞[8]。

將纖維摻入混凝土中，纖維雜亂無序的分布可阻止微小裂縫的擴展，從而提高混凝土的抗凍能力。摻入纖維是否有利于提高混凝土的抗凍能力，還有摻入的纖維本身的材質有關，聚丙烯纖維屬于憎水性纖維，其與水泥漿體膠結時，在其周邊形成明顯的薄弱帶，當凍融循環時，混凝土內液體沿著這一薄弱層往復流動，引起混凝土沿著該纖維長度方向發生破壞，導致混凝土內部逐漸疏松，宏觀上混凝土表面剝落，降低了混凝土本身的抗凍性能。相反，由于聚乙烯醇纖維、纖維素纖維屬于親水性纖維，能夠與水泥漿體發生較好的膠結，特別是纖維素纖維，不會像聚丙烯纖維那樣在纖維周邊形成明顯的薄弱地帶，加上纖維本身的抗拉強度較高，當混凝土內部發生凍融破壞時，纖維素可有效阻礙內部微裂紋的擴展，并使表面剝落現象明顯降低，大大提高了混凝土的抗凍性能。

3 結論

(1)四種不同類型混凝土抗凍能力由強至弱分別為：纖維素纖維混凝土>聚乙烯醇纖維混凝土>素混凝土>聚丙烯纖維混凝土；

(2)纖維摻入混凝土后主要通過改變其內部孔隙結構，從而影響其抗凍性能；

(3)疏水性纖維摻入后形成的有害孔隙較多，內部微缺陷連通性好，較多的滲水通道加速了混凝土凍融損傷；親水性纖維摻入后形成較多的微細孔隙，內部微缺陷連通性差，孤立的微細孔隙可在一定程度上釋放水分遷移形成的壓力，提升混凝土的抗凍能力；

(4) 纖維主要通過調節混凝土內部孔隙結構，從而影響混凝土的性能；但在凍融過程中，混凝土內部孔隙結構的演化規律及其機制仍不明確；今后將結合工業CT進一步研究其內部孔隙結構在凍融損傷過程中的演化規律，從微細觀角度進一步探討混凝土凍融損傷機制。

[1] 中華人民共和國發展和改革委員會.國家公路網規劃(2013-2030)[OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201402/P020140221361534132568.pdf.

[2] 葉秀璽.寒區隧道凍害防治技術研究[D]. 長安大學,2010.

[3] 陳建勛.隧道凍害防治技術研究[D]. 長安大學,2004.

[4] 鄧宗才，張永方.纖維素纖維混凝土抗凍性試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2012(12):44-47.

[5] 黃功學，趙軍，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融后力學性能試驗研究[J].人民黃河，2009,31(5)：105-108.

[6] 李藝，趙文.混雜纖維混凝土阻裂增韌及耐久性能[M].科學出版社，2012.

[7] 劉中林, 趙振祥, 馮金東. 混凝土凍害研究與防凍施工[M].中國建筑工業出版社, 2011.

[8] 何柏，張生，陳昕，等. 纖維親水性能對改善混凝土抗凍能力的影響[J].四川建筑科學研究,2014,40(1): 245-248.