凍融循環(huán)作用下混雜纖維粉煤灰混凝土力學(xué)性能試驗

程 猛， 張經(jīng)雙,2*， 段雪雷， 朱建華

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院, 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心, 淮南 232001)

在中國東北、華北和西北寒區(qū)，因凍融循環(huán)導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)受損時有發(fā)生[1]。粉煤灰作為燃煤電廠的副產(chǎn)品，目前被廣泛用于水泥和混凝土工業(yè)中替代部分水泥[2]，以達(dá)到資源再利用和節(jié)約造價的目的。且一定摻量的粉煤灰混凝土可改善混凝土抗?jié)B性能[3]和耐久性[4-5]。何曉瑩等[6]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量在20%內(nèi)，再生混凝土的相對動彈模量會隨著粉煤灰摻量的增加而增加；當(dāng)摻入低摻量的粉煤灰時再生混凝土的內(nèi)部損傷速率得到一定程度的減緩；再生混凝土的相對動彈模量相比質(zhì)量損失率，對粉煤灰摻量的敏感性更高。李肖[7]研究了基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)初期會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有所升高，在凍融循環(huán)后期逐漸降低。同時中外學(xué)者在研究混凝土過程中發(fā)現(xiàn)纖維在改善混凝土性能中可以起著重要作用，大量研究表明混凝土中摻加定量的單一或混雜纖維可以改善混凝土的力學(xué)性能[8-12]和抗凍性能[13-14]。喬宏霞等[15]通過纖維摻加對混凝土抗凍性能的影響試驗研究，得出整體式混雜纖維混凝土和層布式混雜纖維混凝土的質(zhì)量損失率會隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸增大，其力學(xué)性能會隨著凍融次數(shù)的增加逐漸減小。李趁趁等[16]通過凍融循環(huán)作用下纖維高強(qiáng)混凝土抗凍性能試驗，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維高強(qiáng)混凝土和纖維素纖維高強(qiáng)混凝土的外觀損傷較素混凝土輕。目前，僅摻入粉煤灰的混凝土和僅摻入纖維的混凝土凍融試驗研究較多，而同時摻入粉煤灰和纖維的混凝土凍融試驗研究較少。

通過對基準(zhǔn)混凝土(normal concrete，NC)、混雜纖維混凝土(polypropylene-basalt fiber concrete，PBC)和混雜纖維粉煤灰混凝土(polypropylene-basalt fiber fly ash concrete，PBC-FA)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，研究混雜纖維和粉煤灰對混凝土凍融前后抗壓強(qiáng)度和損傷程度的影響，以期為混凝土在凍融循環(huán)條件下的工程應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料與配合比

試驗原材料：①水泥為淮南八公山廠的 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；②水采用符合《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—2006)的實驗室自來水；③粉煤灰選用淮南平圩生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3；④纖維分別采用6 mm的玄武巖纖維和12 mm的聚丙烯纖維，其物理參數(shù)如表1所示；⑤粗集料采用粒徑5～20 mm級配的碎石；⑥細(xì)集料選用淮河中砂；⑦混凝土配合比如表2所示。為了便于進(jìn)行基準(zhǔn)混凝土、混雜纖維混凝土和混雜纖維粉煤灰混凝土的對比分析，用NC表示基準(zhǔn)混凝土，PBC表示混雜纖維，F(xiàn)A表示粉煤灰。

表2 混雜纖維粉煤灰混凝土的配合比

1.2 試樣制作和方法

根據(jù)試驗設(shè)計配合比使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)對混合料進(jìn)行攪拌，而后加入玄武巖纖維和聚丙烯纖維，充分?jǐn)嚢柚辆鶆?。攪拌完成裝入100 mm×100 mm×100 mm立方體試模并振搗至無氣泡，放入室內(nèi)靜置24 h后脫模，置于溫度為(20±2) ℃和飽和Ca(OH)2溶液中養(yǎng)護(hù)24 d，取出試樣放入水中浸泡4 d后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗?；炷羶鋈谘h(huán)試驗采用STDW-40D型低溫試驗箱，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，試驗采用慢凍法，試樣凍結(jié)溫度為-20 ℃，融化溫度為 20 ℃，每次凍融循環(huán)時間為14 h，即凍結(jié)8 h和融化 6 h，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15、30、45、60次時取出試樣，利用NM-4A非金屬聲波檢測儀進(jìn)行超聲波檢測和CSS-YAW3000壓力試驗機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。每組分別測試6個試塊，并取其平均值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB/T 50081—2002)規(guī)定，對達(dá)到相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)(0、15、30、45、60次)的混凝土試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，得到混凝土抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between relative dynamic modulus of soil-cement and number of freeze-thaw cycles

從圖1可知，NC、PBC、PBC-FA5、PBC-FA10、PBC-FA20和PBC-FA30的抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，經(jīng)歷60次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度分別下降了12.5%、9.1%、14.3%、12.8%、15.4%、15.4%。與NC相比，經(jīng)歷15、30、45、60次凍融循環(huán)作用后，PBC抗壓強(qiáng)度分別增加了11.1%、11.7%、10.6%、14.3%。因此在混凝土中摻入體積比為1∶2的玄武巖纖維和聚丙烯纖維能夠增強(qiáng)混凝土的抗凍能力。與PBC相比，經(jīng)歷15次凍融循環(huán)作用后，粉煤灰摻量為5%、10%、20%、30%的PBC-FA抗壓強(qiáng)度分別下降7.7%、3.7%、27.1%、30.2%；經(jīng)歷30次凍融時，粉煤灰摻量為5%、10%、20%、30%的PBC-FA抗壓強(qiáng)度分別下降8.1%、5.5%、29.0%、33.3%；經(jīng)歷45次凍融時，粉煤灰摻量為5%、10%、20%、30%的PBC-FA抗壓強(qiáng)度分別下降7.8%、4.2%、30.2%、32.6%；經(jīng)歷60次凍融時，粉煤灰摻量為5%、10%、20%、30%的PBC-FA抗壓強(qiáng)度分別下降12.2%、8.2%、31.4%、34.8%。由此可知摻入粉煤灰能夠提高PBC-FA抗壓強(qiáng)度損失率，且隨著粉煤灰的摻量增加，PBC-FA的抗壓強(qiáng)度損失率的差距逐漸增大，表明混凝土在凍融作用下出現(xiàn)累積損傷所需的時間越短，損傷越嚴(yán)重。由圖1還可知，PBC-FA與NC相比，經(jīng)歷60次凍融循環(huán)時，粉煤灰摻量為5%、10%、20%、30%的PBC-FA抗壓強(qiáng)度損失率分別提高了-3.4%、1.8%、0.3%、2.9%、2.9%，這表明粉煤灰摻量為30%以內(nèi)時，NC和PBC-FA的抗壓強(qiáng)度損失率近似相等。

2.2 相對動彈性模量

為了描述凍融循環(huán)作用對混凝土內(nèi)部的損傷程度，常采用相對動彈性模量參數(shù)來表示[17]。通過非金屬聲波檢測儀測得不同凍融循環(huán)次數(shù)下的聲波波速，相對動彈性模量(Er)[18]計算公式為

(1)

式(1)中：Er、E0、En分別為混凝土相對動彈性模量、初始動彈性模量和第n次凍融循環(huán)后混凝土的動彈性模量，MPa；v0、vn分別為混凝土初始縱波波速和第n次凍融循環(huán)后縱波波速，km/s。通過計算得到混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between relative dynamic modulus of concrete and number of freeze-thaw cycles

由圖2可知，NC、PBC、PBC-FA的相對動彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，兩者呈負(fù)相關(guān)。NC的相對動彈性模量整體上呈下降的趨勢，在45次凍融前，相對動彈性模量下降較慢，45～60次凍融循環(huán)后相對動彈性模量下降較快。經(jīng)歷15、30、45、60次凍融后，PBC的相對動彈性模量分別為0.96、0.94、0.87、0.67。45次凍融循環(huán)前，PBC與NC的相對動彈性模量差距較小，60次凍融循環(huán)后，PBC的相對動彈性模量明顯比NC大，這是由于混凝土中摻入纖維，在內(nèi)部三維空間內(nèi)形成網(wǎng)狀體系約束，使混凝土內(nèi)部裂隙的發(fā)育、擴(kuò)展得到抑制。經(jīng)歷15、30、45、60次凍融后，摻入5%粉煤灰的PBC-FA相對動彈性模量分別下降了3%、5%、8%、36%；摻入10%粉煤灰的PBC-FA相對動彈性模量分別下降了5%、8%、10%、38%；摻入20%粉煤灰的PBC-FA相對動彈性模量分別下降了17%、25%、26%、44%；摻入30%粉煤灰的PBC-FA相對動彈性模量分別下降了6%、25%、29%、42%。粉煤灰摻量為5%和10%時，PBC-FA相對動彈性模量在45次凍融前變化較小，45次凍融后變化較大；摻入20%、30%粉煤灰時，PBC-FA相對動彈性模量在15次凍融前相對較小，15次凍融后急劇增加。這是由于與NC相比，經(jīng)歷60次凍融后，摻入5%、10%粉煤灰的PBC-FA相對動彈性模量高于NC，而摻入20%、30%粉煤灰的PBC-FA相對動彈性模量整體低于NC相對動彈性模量。

3 混凝土相對動彈性模量與相對抗壓強(qiáng)度的衰減規(guī)律

3.1 混凝土的損傷量分析

基于混凝土材料損傷力學(xué)，引入抗壓強(qiáng)度損傷量Df和動彈性模量損傷量DE來描述混凝土的凍融損傷，Df和DE的定義為

(2)

(3)

式中：Df、DE分別為混凝土試樣抗壓強(qiáng)度損傷量和動彈性模量損傷量；fn、f0分別為混凝土凍融前和第n次凍融后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

通過式(2)、式(3)的計算，可得混凝土抗壓強(qiáng)度損傷量、動彈性模量損傷量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度損傷和動彈性模量損傷整體增大。經(jīng)歷60次凍融循環(huán)后，NC、PBC、PBC-FA5和PBC-FA10的抗壓強(qiáng)度損傷量呈線性增長，而動彈性模量損傷量呈拋物線增長；PBC-FA10、PBC-FA20的抗壓強(qiáng)度損傷和動彈性模量損傷均呈線性增長。由此可知，摻入纖維和少量粉煤灰的混凝土，其抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量損傷與基準(zhǔn)混凝土變化趨勢相同，而摻入較多粉煤灰后，其抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量損傷較基準(zhǔn)混凝土變化趨勢不同，表明破壞更加嚴(yán)重。與NC、PBC-FA相比，PBC的抗壓強(qiáng)度和動彈性模量損傷量最小。不同粉煤灰摻量下，PBC-FA10的抗壓強(qiáng)度損傷量最小，而PBC-FA5的動彈性模量損傷量最小。與NC相比，PBC-FA5、PBC-FA10的抗壓強(qiáng)度和動彈性模量損傷量基本持平，而PBC-FA20、PBC-FA30的抗壓強(qiáng)度和動彈性模量損傷量更大，由此可知小于10%的粉煤灰摻量能夠增加混凝土的抗凍融能力。由圖3和圖4對比可知，NC、PBC、PBC-FA的動彈性模量損傷量均整體大于抗壓強(qiáng)度的損傷量，因此在一定程度上采用動彈性模量的損傷量來判斷抗壓強(qiáng)度的損傷量偏于安全。

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度損傷量與凍融循環(huán)關(guān)系Fig.3 Relationship between damage amount of concrete compressive strength and freeze-thaw cycles

圖4 混凝土動彈性模量損傷量與凍融循環(huán)關(guān)系Fig.4 Relationship between dynamic elastic modulus damage and freeze-thaw cycles of concrete

3.2 基于相對動彈性模量的強(qiáng)度衰減方程

文獻(xiàn)[19]表明混凝土經(jīng)歷凍融試驗后，其相對抗壓強(qiáng)度的變化與混凝土相對動彈性模量的關(guān)系近似呈指數(shù)關(guān)系，通過測量凍融循環(huán)前后相對動彈性模量來評估混凝土在凍融作用下相對抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。因此引入式(4)來評估混凝土相對動彈性模量和相對抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

(4)

式(4)中：a、b為擬合參數(shù)。

圖5為不同纖維和粉煤灰摻量下混凝土相對動彈性模量和相對抗壓強(qiáng)度擬合關(guān)系曲線。通過擬合分析可知，NC、PBC、PBC-FA的相對動彈性模量與相對抗壓強(qiáng)度具有較好的擬合相關(guān)性，因此，可以用混凝土相對動彈性模量來評估凍融循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度損傷量。

圖5 混凝土相對動彈性模量和相對抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative dynamic elastic modulus and relative compressive strength of concrete

通過圖5擬合曲線可以得到不同纖維和粉煤灰摻量下混凝土各參數(shù)擬合值，如表3所示。

4 混凝土凍融損傷機(jī)理

目前，針對混凝土的凍融損傷機(jī)制存在多種假說，認(rèn)可度較高的主要包括滲透壓和冰脹理論[20]、Fick第二定律[21]、靜水壓假說[22]及疲勞破壞假說[23]。由于混凝土內(nèi)部存在著大量開口孔和閉口孔，當(dāng)混凝土浸水飽和后，孔隙內(nèi)部含有大量的液態(tài)水。在凍結(jié)時，混凝土內(nèi)部孔隙水由液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，造成約9%的體積膨脹，形成凍脹力，而不規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)造成內(nèi)部應(yīng)力集中，誘發(fā)微裂縫的發(fā)育和擴(kuò)展。當(dāng)冰晶體融化時，內(nèi)部的水分會流向新產(chǎn)生的裂縫，該部分裂縫處承受較大的靜水壓力。同時，水和冰的飽和蒸汽壓及大小孔水的冰點不同，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了滲透壓。當(dāng)混凝土浸泡飽和時，水分從混凝土表層擴(kuò)散至內(nèi)部的能力逐漸削弱，使得混凝土內(nèi)外形成了飽和差，混凝土結(jié)冰時放熱，而融化時吸熱，使得混凝土內(nèi)外形成了溫度差?；炷猎诜磸?fù)凍融循環(huán)交替作用下，產(chǎn)生了疲勞損傷，多次凍融引起的累積損傷不可恢復(fù)，這些都加劇了混凝土內(nèi)部的破壞。

表3 混凝土相對動彈性模量和相對抗壓強(qiáng)度擬合值

根據(jù)纖維間距理論[24]可知，在荷載和外部環(huán)境作用下，混凝土內(nèi)部微裂紋可能沿任意方向發(fā)育、擴(kuò)展和貫通時，遇到多根亂向分布的纖維，使得裂紋所受的外部力通過纖維傳遞給周圍的水泥基體承擔(dān)，減緩了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中。同時，由Karahan等[25]的滲透壓和冰脹理論可知，由于混凝土的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于纖維的熱膨脹系數(shù)，在凍結(jié)溫度下，纖維的體積收縮率大于混凝土的體積收縮率，纖維與混凝土界面會形成許多微裂縫，這部分裂縫會消除內(nèi)部孔隙水凍結(jié)產(chǎn)生的膨脹壓力，而在融化時，纖維的體積膨脹率大于混凝土的體積膨脹率，內(nèi)部無膨脹壓力，使得纖維與基體界面包裹更加緊密。少量粉煤灰能夠激發(fā)其火山灰效應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物能夠填充孔隙，增加混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度，降低凍融循環(huán)引起的“凍脹破壞”。而過多的粉煤灰降低了水泥與骨料之間的黏結(jié)作用力，導(dǎo)致凍融作用下內(nèi)部孔隙增大，使得混凝土抗壓強(qiáng)度降低和相對動彈性模量減小。因此，在混凝土中摻入纖維和少量的粉煤灰，能夠抑制內(nèi)部裂紋的發(fā)育和擴(kuò)展，增強(qiáng)混凝土抵抗凍融破壞的能力。

5 結(jié)論

(1)NC、PBC、PBC-FA的抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減少，經(jīng)歷60次凍融循環(huán)后，NC、PBC、PBC-FA5、PBC-FA10、PBC-FA20、PBC-FA30混凝土的抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量分別下降了12.5%和39%、9.1%和33%、14.3%和36%、12.8%和38%、15.4%和44%、15.4%和42%。摻入纖維和少量粉煤灰的混凝土，凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量均大于基準(zhǔn)混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度。

(2)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，NC、PBC、PBC-FA的抗壓強(qiáng)度損傷量和動彈性模量損傷量整體增大。經(jīng)歷60次凍融循環(huán)后，NC、PBC、PBC-FA5和PBC-FA10的抗壓強(qiáng)度損傷量呈線性增長，而動彈性模量損傷量呈拋物線增長，PBC-FA10、PBC-FA20的抗壓強(qiáng)度損傷和動彈性模量損傷均呈線性增長。

(3)對相對抗壓強(qiáng)度與相對動彈性模量的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到可以用相對動彈性模量或者動彈性模量損傷量來評估凍融循環(huán)作用對混凝土強(qiáng)度的影響。混凝土的凍融損傷主要由混凝土內(nèi)部的凍脹壓力和滲透壓力，以及多次凍融交替作用下產(chǎn)生的疲勞破壞引起的，而纖維和少量粉煤灰的摻入減緩了壓力引起的應(yīng)力集中，增加了混凝土抵抗凍融破壞的能力。