塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融損傷模型

牛建剛， 左付亮， 王佳雷， 謝承斌

(1.內蒙古科技大學 土木工程學院， 內蒙古 包頭 014010； 2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410083)

輕骨料混凝土具有輕質高強、抗震、抗凍性能好等優點[1-2]，在高層建筑和大跨度結構工程建設中，具有普通混凝土無法取代的優勢和廣泛的應用前景.現代鋼筋混凝土建筑對耐久性的要求越來越高，抗凍性是寒冷地區混凝土耐久性設計的重要指標，研究輕骨料混凝土的抗凍耐久性、建立其凍融損傷模型、預測其結構服役壽命可為寒冷地區輕骨料混凝土耐久性指標設計和工程結構可靠性檢測鑒定提供參考，對推動其在寒冷地區的應用具有重要的現實意義.

目前，國內外大部分學者把凍融循環次數作為主要變量來研究凍融循環作用對混凝土性能的影響，另外相對動彈性模量損失率由于比較容易實現無損檢測也被廣泛采用.Sun等[3-6]建立的混凝土相對動彈性模量損傷模型具有較好的擬合精度.近年來，部分學者采用摻入纖維來提高混凝土的抗凍性能[7-9]，建立了適合纖維混凝土的凍融損傷模型.劉大鵬等[10]指出，相對動彈性模量模型同樣能較為準確預測聚丙烯纖維、鋼纖維及混雜纖維輕骨料混凝土的凍融損傷程度和服役壽命.朱晨飛等[11]研究了鋼-玄武巖纖維混凝土，指出動彈性模量衰減模型優于凍融累積損傷衰減模型.劉衛東等[12]以超聲波速作為損傷參量來描述纖維混凝土凍融損傷的變化規律.但是，纖維混凝土的凍融破壞過程不僅與所選用的原材料有關，也與其力學性能息息相關.在結構工程領域，多以混凝土的強度作為結構設計和評定依據，因此有必要對混凝土抗壓強度凍融損傷失效模式進行研究.本文以相對動彈性模量和抗壓強度為凍融損傷變量，建立了塑鋼纖維輕骨料混凝土凍融損傷模型，并分別對塑鋼纖維輕骨料混凝土服役壽命及其服役期終止時的強度進行了預測.

1 試驗

1.1 試驗材料及配合比

水泥：蒙西牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.細骨料：河砂，粒徑<5mm，級配合格，堆積密度1575kg/m3，表觀密度2460kg/m3，含泥量2.1%(質量分數).

粗骨料：包頭市精正陶粒廠生產的球形粉煤灰陶粒，粒徑5～20mm，堆積密度970kg/m3，表觀密度1760kg/m3， 筒壓強度8.3MPa，1h吸水率12.25%(質量分數).外加劑：B2高效減水劑(減水率20%(質量分數))，AH-1型引氣劑，摻量為水泥質量的0.02%.塑鋼纖維：浙江寧波大成新材料股份有限公司生產的高性能異型塑鋼纖維，長度30.0mm， 直徑1.2mm，密度0.97g/cm3，彈性模量9884MPa，抗拉強度543MPa，伸長率14.1%.

本試驗混凝土強度等級為LC40，其配合比按照JG J51—2002《輕骨料混凝土技術規程》中的松散體積法進行設計，如表1所示，其中CA后面的數字為輕骨料混凝土中塑鋼纖維的摻量(kg/m3).

表1 混凝土配合比

1.2 試驗方法

抗壓強度試驗參照CECS13:2009《纖維混凝土試驗方法標準》進行，試件為150mm×150mm×150mm立方體，每組3個試件，共16組，凍融循環次數為0，50，100，150次.質量損失率、動彈性模量試件為100mm×100mm×400mm棱柱體，每組3個試件，共4組，凍融循環次數為0，25，50，75，100，125，150，175，200，225，250，275，300次.試件先標準養護24d，再水養4d后進行凍融循環試驗，每次凍融循環控制在4h內，試件中心溫度分別控制在(-17±2)，(-8±2) ℃.試驗結果見表2.

表2 凍融循環試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 相對動彈性模量和質量損失率

相對動彈性模量和質量損失率是描述混凝土凍融優劣的主要指標.試件的相對動彈性模量下降到60%或質量損失率達5%時，混凝土即發生凍融破壞[13].

由表2可見，隨著凍融循環次數的增加，CA0試件的相對動彈性模量迅速降低，凍融循環225次后，其相對動彈性模量小于60%，試件發生凍融破壞；摻塑鋼纖維的輕骨料混凝土受凍融循環的影響較小，隨著凍融循環次數的增加，其相對動彈性模量緩慢降低，當凍融循環次數達到300次時，仍未發生凍融破壞，相對動彈性模量為76.4%～81.8%.這是由于塑鋼纖維在混凝土中呈亂向分布，相互交錯搭接，可有效限制裂縫的發展與貫通以及內部結構疏松化，從而提高了輕骨料混凝土的密實度，改善了抗凍性能.

在凍融循環25次時，各組試件的質量均不同程度增加.隨著凍融循環次數的增加，CA0試件的質量損失率較大，塑鋼纖維輕骨料混凝土的質量損失率較小，在凍融循環225次后，塑鋼纖維輕骨料混凝土的質量損失率約為CA0試件的12%～28%.由于CA0試件凍融循環225次時已經發生凍融破壞，故沒有計算其隨后的凍融質量損失率.在凍融循環300次后，摻塑鋼纖維的輕骨料混凝土質量損失率為0.55%～1.18%，質量損失較小.

2.2 抗壓強度

由表2還可見，輕骨料混凝土抗壓強度隨塑鋼纖維摻量的增加呈現出先降低后升高再降低的趨勢.未凍融循環時，與CA0試件對比，CA3試件的抗壓強度降低了2.48%，而CA6，CA9試件的抗壓強度分別提高了3.46%，2.27%.隨著凍融循環次數的增加，CA0，CA3，CA9試件的抗壓強度迅速降低，而CA6試件的抗壓強度降低幅度較為平緩，說明其受凍融循環影響較小.凍融循環150次后，CA0，CA3，CA9試件的抗壓強度損失率分別為20.68%，21.34%，24.46%，而CA6試件僅為7.02%.

小摻量的塑鋼纖維(CA3試件)不能有效分擔輕骨料混凝土受壓時產生的拉應力，導致其凍融循環后抗壓強度降低.而大摻量的塑鋼纖維(CA9試件)相當于引入了較多的塑鋼纖維-水泥漿體薄弱界面，且塑鋼纖維的比表面積較大，不能完全被水泥漿體包裹，缺陷增多，使塑鋼纖維與水泥漿體的黏結性能劣化，也會導致輕骨料混凝土凍融循環后的抗壓強度降低.合適的塑鋼纖維摻量(CA6試件)既可保證其在輕骨料混凝土中的均勻性，又可使其完全被水泥漿體包裹，因此這種試件能有效抑制凍脹開裂，使其抗壓強度的凍融損失率明顯減小.

2.3 塑鋼纖維輕骨料混凝土的微觀結構

采用SEM對CA6試件的微觀結構進行了分析，結果見圖1，2.

圖1 未凍融塑鋼纖維-水泥漿體界面的SEM照片Fig.1 SEM of plastic-steel fiber -cement paste surface without freeze -thaw cycle

圖2 凍融100次后塑鋼纖維-水泥漿體界面的SEM照片Fig.2 SEM of plastic-steel fiber -cement paste surface after 100 times of freeze -thaw cycles

由圖1可見：(1)塑鋼纖維表面被水泥水化產物覆蓋，這有利于其承受來自混凝土基體的荷載，當其分布方向與試件的拉應力方向一致時，就能起到增韌、阻裂作用，抑制凍融裂縫的擴展，從而提高輕骨料混凝土的抗凍性能；(2)由于塑鋼纖維表面憎水，使水泥漿體的包裹不夠密實，導致沿其長度方向的部分塑鋼纖維與水泥漿體之間存在細小的裂縫.由圖2可見：當凍融循環增加到100次時，塑鋼纖維表面的水泥水化產物明顯減少，且塑鋼纖維與水泥漿體之間的縫隙變長、變寬，孔隙增多，導致輕骨料混凝土結構更加疏松，層間連接進一步惡化.

3 凍融損傷模型

混凝土的凍融破壞是由其內部微小損傷逐步累積所致.隨著凍融循環的持續，混凝土的性能逐漸劣化直至破壞.依據損傷理論，塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融損傷過程可表述為：微裂縫產生→宏觀裂紋→基體破壞.在這個過程中，塑鋼纖維輕骨料混凝土不僅質量損失率較小，還會出現因吸水而使其質量增加的現象，因此用質量衰減模型進行凍融損傷評估誤差較大.本文分別以相對動彈性模量和抗壓強度為損傷變量來建立塑鋼纖維輕骨料混凝土凍融損傷模型.

3.1 基于相對動彈性模量的凍融損傷模型和凍融壽命預測

設EN為塑鋼纖維輕骨料混凝土經過N次凍融循環后的動彈性模量，E0為其初始動彈性模量，λ為其損傷系數.根據文獻[14]，建立塑鋼纖維輕骨料混凝土凍融損傷模型為：

EN/E0=e-λN

(1)

塑鋼纖維的摻入會使輕骨料混凝土內部結構發生變化，其摻量的不同對輕骨料混凝土動彈性模量的影響也不同，從而導致抗凍性能存在差異.在式(1)中，引入塑鋼纖維摻量參數K，經試驗數據擬合得到包含塑鋼纖維摻量參數的塑鋼纖維輕骨料混凝土相對動彈性模量凍融損傷模型，見式(2)，其擬合結果如圖3所示.

EN/E0=(1.0×10-4K2-2.2×10-3K+
1.0232)exp[-(4.14×10-5K2-
5.46×10-4K+0.002 3)N]

(2)

圖3 塑鋼纖維輕骨料混凝土相對動彈性模量擬合曲線Fig.3 Fitting curve of relative dynamic modulus of plastic-steel fiber reinforced LWAC

試驗表明，塑鋼纖維輕骨料混凝土相對動彈性模量凍融損傷模型的相關系數為0.9852，擬合精度較高.利用該模型計算塑鋼纖維輕骨料混凝土相對動彈性模量下降到60%時的抗凍融循環次數，結果見表3.根據文獻[15]，中國北方年平均凍融循環次數分別為：東北地區120次，華北地區84次，西北地區118次.室內1次快速凍融循環相當于自然條件下12次凍融循環.結合表3，計算塑鋼纖維輕骨料混凝土在北方各地區的抗凍耐久性壽命，結果見表4.

表3 塑鋼纖維輕骨料混凝土抗凍融循環次數

表4 塑鋼纖維輕骨料混凝土抗凍耐久性壽命

由表4可知，相對于CA0試件，CA3，CA6，CA9試件的抗凍耐久性壽命大幅提高，這表明摻入塑鋼纖維是提高輕骨料混凝抗凍耐久性的有效方法.

3.2 基于抗壓強度的凍融損傷模型和凍融壽命預測

以抗壓強度為損傷變量，應用最小二乘法對抗壓強度試驗數據進行擬合，得到塑鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強度與凍融循環次數相關的損傷模型.

混凝土在凍融循環作用下的損傷模型有3種，即單段式凍融損傷模型、雙段式凍融損傷模型和指數函數型凍融損傷模型[16].單段式凍融損傷模型采用一元二次多項式來描述混凝土抗壓強度fcu,r與凍融循環次數N相關的損傷演化，其表達式見式(3)；雙段式凍融損傷模型采用直線與拋物線相結合的復合模式，其表達式見式(4)；指數函數型凍融損傷模型的表達式見式(5).

(3)

(4)

fcu,r=eAN

(5)

式(3)～(5)中：b，c，a′，b′，c′，A均為擬合系數.

將表2中的抗壓強度數據按照上述3種凍融損傷模型進行擬合，結果見表5.

表5 3種凍融損傷模型的相關系數和A值

由表5可知：在單段式凍融損傷模型和雙段式凍融損傷模型中，CA6，CA9試件的相關系數均較低，因此其擬合系數未在表中列出；在指數函數型凍融損傷模型中，各試件的相關系數均在0.9641以上，具有較高的擬合精度，表明抗壓強度凍融損傷模型宜采用指數函數型凍融損傷模型.

結合表3，由指數函數型凍融損傷模型計算塑鋼纖維輕骨料混凝土達到服役壽命時的抗壓強度，結果見表6.

表6 塑鋼纖維輕骨料混凝土達到服役壽命時的抗壓強度

由表6可知，塑鋼纖維摻量為6kg/m3的輕骨料混凝土達到服役壽命時仍具有較高的抗壓強度.雖然從動彈性模量衰減的角度來看CA0試件的抗凍融性能較差，但由于發生凍融破壞時，其抗凍融循環次數遠小于摻有塑鋼纖維的試件，這導致其發生凍融破壞后，抗壓強度的降低幅值并不大，仍然具有較高的抗壓強度.

綜上可見，相對動彈性模量凍融損傷模型和抗壓強度指數函數型凍融損傷模型均能較好預測凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融耐久性.其中相對動彈性模量凍融損傷模型是從塑鋼纖維輕骨料混凝土破壞的角度來描述其凍融損傷演變，且擬合精度更高；抗壓強度指數函數型凍融損傷模型是以直觀反映塑鋼纖維輕骨料混凝土力學性能為出發點來描述凍融損傷演變，且便于檢測.

4 結論

(1)適量的塑鋼纖維能提高輕骨料混凝土抗凍性，凍融循環150次后，塑鋼纖維摻量6kg/m3的輕骨料混凝土抗壓強度損失率為7.02%，凍融循環300次后，其質量損失率和相對動彈性模量分別為0.62%，85.3%.

(2)由相對動彈性模量凍融損傷模型預測塑鋼纖維摻量為6kg/m3的輕骨料混凝土凍融壽命約為100a，塑鋼纖維摻量為3kg/m3的輕骨料混凝土凍融壽命可達50a以上，塑鋼纖維摻量為9kg/m3的輕骨料混凝土凍融壽命為50～100a.

(3)塑鋼纖維摻量6kg/m3的輕骨料混凝土達到服役壽命時的抗壓強度略低于未摻塑鋼纖維的輕骨料混凝土，但仍高于其他摻量塑鋼纖維輕骨料混凝土，表明其在服役期間具有較高的承載力.

(4)相對動彈性模量凍融損傷模型能較好預測塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融耐久性，其相關系數為0.9852，精度較高；對于塑鋼纖維輕骨料混凝土，抗壓強度凍融損傷模型中的指數函數型凍融損傷模型優于單段式凍融損傷模型和雙段式凍融損傷模型，其精度達到0.9641以上，且能直觀反映力學性能，便于檢測.

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