不同類型混凝土凍融損傷比較研究

田肖 陳升平

摘要：抗凍性差是混凝土在低溫工程實踐中破壞的主要原因，為研究混凝土凍融損傷特性，文章對素混凝土、鋼纖維混凝土、鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土、礦渣粉煤灰混凝土以及礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土進行了快速凍融循環試驗，并測量了凍融后混凝土的質量損失率、抗壓強度和相對動彈性模量。并比較了基于以抗壓強度和相當動彈模衰減作為損傷變量的凍融損傷模型，數據表明以相對動彈模為損傷變量建立的模型能更好的表征混凝土的凍融損傷程度。

Abstract： Concrete will be damaged due to poor frost resistance in low temperature engineering practice. In order to research the damage characteristics of concrete during freeze-thaw and improve the frost resistance of concrete， the rapid freeze-thaw cycle test of plain concrete， steel fiber concrete， steel polypropylene hybrid fiber concrete， slag fly ash concrete and slag fly ash steel fiber concrete were conducted in this paper. The quality loss rate， compressive strength and dynamic modulus of elasticity were measured.? Two different freeze-thaw damage model of concrete were ompared. One was based on the changes of dynamic elastic modulus， and the other was based on? ?the changes of compressive strength. Rresults show that the quadratic polynomial damage model based on relative dynamic modulus of elasticity can better reflect the freeze-thaw damage degree of concrete.

關鍵詞：混凝土;動彈性模量;凍融循環;凍融損傷模型

Key words： concrete;dynamic elastic modulus;freeze-thaw cycle;freeze-thaw damage model

中圖分類號：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0154-03

0? 引言

目前，國內外大量學者們都對不同類型的混凝土的抗凍性[1，2，3]都有所研究。付亞偉[4]等人對高性能堿礦渣混凝土（ASC）進行凍融循環試驗，建立了以相對動彈模量為損傷變量的ASC凍融損傷模型，發現以相對動彈模衰減的冪指數模型能夠良好地反映ASC的凍融損傷程度。Jiangchuan Li[5]基于Weibull概率法，以質量損失和相對動彈性模量為損傷變量建立了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土凍融損傷模型并分析其凍融耐久性，所建立的函數關系可以直接反映混凝土耐久性與凍融循環的關系。文章五組不同混凝土的凍融損傷規律進行了研究，并建立以動彈性模量和抗壓強度為變量的凍融損傷模型。

1? 試驗設計

1.1 原材料及配合比

本次試驗制作了5組混凝土試件，分別為：素混凝土（OC）、礦渣-粉煤灰混凝土（KC）、鋼纖維混凝土（SC）、礦渣-粉煤灰鋼纖維混凝土（KSC）和鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土（PSC）。

本次試驗采用的水泥：武漢三峽牌普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）。粗骨料：級配良好的碎石（5-20mm）。細骨料：級配良好的中砂。纖維各項性能參數見表1。

1.2 試驗方案

本次試驗用到的混凝土試塊均按照規范所要求的制作步驟制作完成，所有凍融試驗均在試塊養護28天后進行。凍融試驗使用快凍法，所有試驗在TDRF-1AF型快凍試驗機內進行。試驗試件共兩大類，第一類試件為立方體（100mm×100mm×100mm）用于測定抗壓強度;第二類試件為棱柱體試件（100mm×100mm×400mm）用于測量質量損失、相對動彈性模量。每凍融循環25次就記錄一次，最高凍融次數為200次。

2? 試驗過程及結果分析

2.1 混凝土在凍融循環下的損傷機理

在凍融循環時，混凝土內部會產生膨脹和滲透兩種壓力而使混凝土破壞。混凝土在水飽和狀態下，達到結冰溫度時，毛細孔和膠凝孔中結成冰，使其發生膨脹;此外，由于膠凝孔中水分子向受壓毛細孔中滲透，這樣混凝土中的細小孔壁同時受到膨脹和滲透2種壓力[6]，而混凝土試件在制作的過程中會產生一些小裂縫，隨著凍融試驗的進行，小裂縫在膨脹力與滲透力的反復作用下變成大裂縫，使混凝土的強度逐漸降低，最終使其破壞。

礦渣粉煤灰具有一定的密實效應。混凝土內一部分粉煤灰發生二次水化反應生成具有膠凝性質的物質并進一步填充、細化孔隙，提高混凝土的抗滲能力[7]。鋼纖維的摻入，能與材料充分黏結，當試件受凍膨脹時，鋼纖維能承擔一部分拉應力作用，延緩裂縫的產生，聚丙烯纖維用來改善混凝土結構，延緩結冰時產生的膨脹應力，起到了引氣劑的作用。

2.2 質量損失率和相對動彈性模量

對于凍融循環實驗后混凝土外表層剝落的現象，最直觀的方法是通過混凝土試件的質量損失來進行描述，一般用公式（1）計算：

（1）

每凍融循環25次時，用動彈性模量測量儀測量試件的橫向基頻，計算相對動彈性模量時，為簡化計算過程，可用試件共振頻率之比計算。計算公式如下：

（2）

具體實驗結果如表2所示。

表2反映出了5組混凝土質量損失率和相對動彈性模量隨著凍融循環次數的增加的變化。在凍融次數為25次時，部分組混凝土的質量損失率為負數，這是由于在試驗初期，混凝土自身質量損失還很小，混凝土在制作中不可避免會存在一些裂縫和孔隙，而裂縫和孔隙在一定程度上的增長會吸收水，導致混凝土內部吸收的水的質量超過損失的質量，從而造成這種現象。可以看出礦渣鋼纖維混凝土的質量損失率僅為0.9%，則從質量損失率這一項來看，礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土的抗凍性最好。各組的相對動彈性模量與凍融循環的次數呈反比例關系，當凍融次數相同時，從相對動彈性模量這一項來看，礦渣粉煤灰混凝土抗凍性最好。

2.3 抗壓強度衰減

從表3可以看出從左至右200次凍融循環每一組的抗壓強度降低率分別為51%、38%、14%、0.1%、34%。礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土在200次凍融循環后的抗壓強度損失率僅為0.1%，抗凍性最好。

3? 凍融損傷模型

在凍融循環次數為25時，部分組的質量損失率出現負增長現象，而且在200次凍融循環試驗后礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土質量損失率不到1%，這種情況可能會對試驗結果造成較大誤差，故采用相對動彈性模量為損傷變量來評估混凝土耐久性。對于凍融循環對混凝土造成的損傷程度，一般是利用動彈性模量為變量的損傷值DE來定義，凍融損傷度計算公式如下：

（3）

按照試驗數據計算，可繪制關系曲線如圖1所示。

從圖中可以看出鋼-聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的凍融損傷度均小于素混凝土，鋼纖維混凝土的與礦渣粉煤灰混凝土相差無幾。礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土凍融損傷度最小，抗凍性能最優。

抗壓強度是綜合評價混凝土重要指標，為研究凍融循環對混凝土抗壓強度的影響，可定義抗壓強度損傷變量為下式：

（4）

式中fcn為混凝土在n次凍融循環后的抗壓強度，fc0為混凝土在開始凍融循環前的抗壓強度。經計算繪制Dc與凍融次數關系曲線如圖2所示。

圖2可以看出，隨著凍融循環次數的增加，素混凝土的凍融損傷度最大，礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土的最小。圖中可見線KC和線PSC出現了交點，所以以抗壓強度來定義的凍融損傷度不能準確的反映5組試件損傷程度。

本文采用二次多項式凍融損傷度模型即：D=XN2+YN+Z，N為凍融循環次數，對分別以相對動彈性模量和抗壓強度定義的損傷度進行擬合分析，得到模型如表4、表5所示。

從表中可以看出，相對動彈性模量為損傷變量所構建的五組混凝土凍融損傷模型相關系數均在0.99以上，可見基于相對動彈性模量擬合的二次多項式衰減模型對混凝土的凍融損傷規律的預測更加精準。

4? 結論

隨著凍融循環次數的增加，素混凝土的質量損失率大于其他四組，相對動彈性模量小于其他四組，從這兩項指標可以得出，礦渣粉煤灰的摻入對混凝土抗凍性提高有促進作用;摻入鋼和玄武巖混雜纖維效果優于單摻鋼纖維;礦渣粉煤灰和鋼纖維搭配的效果最優。

隨著凍融次數的增加，鋼纖維和礦渣粉煤灰的摻入對改善混凝土抗凍融能力的效果更好。

采用二次多項式模型構建混凝土凍融損傷度模型能較好的反映混凝土的凍融損傷程度，尤其是以動彈性模量為損傷變量的混凝土凍融損傷模型，各組相關系數達到了0.99以上，能對混凝土的凍融損傷規律起到較好的預測作用。

參考文獻：

[1]李偉民，王印，馮曉陽.凍融循環作用下不同含氣量混凝土抗凍性研究[J].河北農業大學學報，2019，42（03）：131-135.

[2]喬宏霞，李江川，朱飛飛，彭寬.纖維混凝土抗凍性能研究[J].功能材料，2019，50（01）：1114-1119.

[3]李趁趁，胡婧，元成方，于國卿.纖維/高強混凝土抗凍性能試驗[J].復合材料學報，2019，36（08）：1977-1983.

[4]付亞偉，蔡良才，曹定國，吳永根.堿礦渣高性能混凝土凍融耐久性與損傷模型研究[J].工程力學，2012，29（03）：103-109.

[5]Jiangchuan Li. Reliability Analysis of Fiber Concrete Freeze-Thaw Damage Based on Weibull Method. 2019：1-9.

[6]程紅強，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融損傷試驗研究[J].東南大學學報（自然科學版），2010，40（S2）：197-200.

[7]王建東，呂萌，章玉容，吳嘉，張俊芝.粉煤灰混凝土滲透相關性的試驗研究[J].浙江工業大學學報，2020，48（02）：217-221.