凍融循環作用對纖維混凝土界面過渡區性能影響研究

馬寶富

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

1 引言

混凝土是由膠凝材料、骨料、細集料組成的多相復合材料，不同相如水化產物、凈漿、砂漿、骨料之間的尺寸跨度巨大， 造成內部存在諸多界面結構[1-4]。 研究指出，界面過渡區存在較多氫氧化鈣，結構疏松多孔，是混凝土受荷載作用時的薄弱環節[5-6]，因而提高混凝土界面過渡區力學性能是改善混凝土力學及耐久性的有效措施之一。 纖維能有效分散混凝土內部收縮及外部應力作用，改善混凝土脆性，礦物摻合料能提高纖維與混凝土之間的界面粘結性[7-9]。 本文通過研究纖維及礦物摻合料對混凝土不同凍融循環次數下界面區的影響，得出界面過渡區的物理及力學性能變化規律，為纖維混凝土抗凍性能的提高提供數據支撐。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

（1）水泥：試驗采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，各項指標經檢測均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求。

（2）粉煤灰：試驗采用廣西南寧生產的II 級粉煤灰，其技術指標經檢測均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的規定。

（3）細集料：試驗用細集料采用普通河砂，細度模數為2.4，泥塊含量、堅固性經檢測均符合《建設用砂》（GB/T14684-2011） 的規定， 表觀密度為2490 kg·m-3。

（4）粗集料：試驗用粗集料選用人工碎石，碎石級配分為4.75～9.5 mm 及9.5～19 mm 2 檔， 摻配比例為4∶6。

（5）外加劑：試驗級配所用外加劑為廣西亞仔有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑， 減水率為23%，含固量為25%。

（6）聚丙烯纖維（PPF）：物理性能指標如表1所示。

表1 聚丙烯纖維物理性能

（7）混凝土級配組成

試驗用混凝土強度為C40， 水膠比為0.35，試驗級配分為2 種，一種為僅摻纖維的基準纖維混凝土， 另一種為復摻纖維和礦物摻合料的混凝土，拌制時采用粉煤灰替代水泥， 膠凝材料總質量不變，基準纖維混凝土級配組成表2。

表2 基準纖維混凝土級配組成

2.2 測試方法

（1）抗壓強度

纖維混凝土抗壓強度根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GBT50081-2002）的規定，采用（150×150×150）mm 的立方體試件進行測試。凍融循環后，將試件表面浮渣擦拭完畢后進行立方體抗壓強度測試。

（2）電鏡掃描-能譜分析（SEM-EDS）

經過抗壓強度測試過后，取壓碎試樣進行電鏡掃描測試。 試驗采用掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對纖維混凝土的界面過渡區厚度進行判定，過程如圖1 所示。 首先采用掃描電鏡將試件放大至一定倍數后找到界面過渡區，接著以界面過渡區邊界為起點定點，采用能譜分析儀對界面區一定距離范圍內點的元素進行定量分析，確定鈣硅比突變點即為界面過渡區邊界。

（3）納米壓痕技術

納米壓痕技術是通過將特定尺寸的壓頭壓入試件表面，記錄壓力-位移曲線，如圖2 所示，從而確定測點處的硬度值，納米壓痕測試壓頭加載及卸載速率均為100 mN/s。

圖1 界面過渡區厚度確定示意圖

圖2 納米壓痕荷載-位移曲線圖

3 試驗結果與討論

3.1 抗壓強度

抗壓強度是衡量混凝土內部損傷程度的重要表征，圖3 為經過不同凍融循環次數下的纖維混凝土抗壓強度變化。 由圖可知，隨凍融次數增加，混凝土抗壓強度逐漸下降。 凍融過程中由于結冰壓和滲透壓的不斷增大，造成混凝土內部裂縫和孔結構的擴展， 從而影響了混凝土的強度。 同時還可發現，100 次凍融循環內，混凝土強度降低率稍低，當凍融循環次數超過150 次后， 混凝土強度開始顯著下降。 為研究礦物摻合料對纖維混凝土凍融循環過程中強度降低的改善效果， 設置了6 種粉煤灰替代率，研究其經過150 次凍融循環后的混凝土強度變化，結果見圖4 所示。 分析可知，一定質量的粉煤灰的摻入能有效改善混凝土由于凍融循環造成的強度損傷， 與不摻粉煤灰的纖維混凝土相比， 摻入15%粉煤灰的纖維混凝土150 次凍融循環后的抗壓強度可提高11.88%。

圖3 不同凍融循環次數下纖維混凝土的抗壓強度

圖4 不同粉煤灰摻量下纖維混凝土的抗壓強度

3.2 界面過渡區厚度

研究表明，混凝土界面區厚度范圍在5～100 μm內，界面區厚度越大，氫氧化鈣富集程度越高，界面力學性能越差[10]。

圖5 為經過不同凍融循環次數后的纖維混凝土界面區厚度變化，從圖中數據可以發現，隨凍融循環次數增加， 纖維混凝土界面區厚度逐漸加寬。纖維與混凝土粘結界面存在孔隙，凍融循環過程中的混凝土內部孔隙受到凍脹力作用，界面區結構疏松多孔，在凍融循環作用下更易受損[11]，導致界面區厚度不斷擴張。 不同礦物摻合料摻量的纖維混凝土界面區厚度結果如圖6 所示，結果表明，不摻粉煤灰的纖維混凝土界面過渡區厚度最大， 說明纖維與混凝土之間存在明顯的薄弱帶， 而粉煤灰由于顆粒粒徑小于水泥， 能更好地填充于纖維于混凝土接觸界面上，降低界面區孔隙率，從而減小界面區厚度[12]。

圖5 不同凍融循環次數下纖維混凝土的界面區厚度

圖6 不同粉煤灰摻量下纖維混凝土的界面區厚度

3.3 界面過渡區硬度

混凝土界面過渡區內的物質主要包括未水化的水泥顆粒、高密度水化硅酸鈣、低密度水化硅酸鈣、氫氧化鈣等，界面區顯微硬度值取決于水化程度、界面區水灰比等。 經過凍融循環后的纖維混凝土界面過渡區硬度變化如圖7 所示， 結果表明，凍融循環作用顯著降低了混凝土界面區的力學性能，其顯微硬度值較未凍融的混凝土降低了12.35%。

圖7 不同凍融循環次數下纖維混凝土的界面區硬度

謝瑞峰[13]研究發現，凍融循環過后，鋼纖維混凝土界面區上的微孔隙結構明顯增加， 主要表現為30 μm 的膠孔增多，且高低密度水化硅酸鈣的體積分數隨凍融循環次數增加顯著降低， 因而界面區的顯微硬度出現降低趨勢。 圖8 為不同粉煤灰摻量的纖維混凝土經過150 次凍融循環后的顯微硬度變化，分析圖可知，粉煤灰的摻入有效改善了界面區的顯微硬度值， 原因可能在于粉煤灰后期水化填充了界面區的孔隙，降低了膠孔含量，導致在受到凍融循環作用時，薄弱區內的微孔和微裂縫數量減少。

圖8 不同粉煤灰摻量下纖維混凝土的界面區硬度

3.4 抗壓強度與界面區特征參數的相關性分析

圖9、10 為纖維混凝土抗壓強度與界面區厚度、顯微硬度的關系。 從圖中可以看出，混凝土的宏觀性能與內部界面區有密切的關聯性，界面區厚度越大、顯微硬度越小，混凝土的宏觀抗壓強度越低。

圖9 混凝土抗壓強度與界面區厚度的關系

圖10 混凝土抗壓強度與界面區硬度的關系

4 結論

（1）凍融循環作用加速了纖維混凝土內部界面區性能的劣化，隨凍融循環次數增加，界面區厚度逐漸加大，界面區硬度值逐步降低；

（2）粉煤灰能顯著改善纖維混凝土由于凍融循環造成的界面區性能劣化,粉煤灰摻量為15%時，纖維混凝土界面區厚度最小且硬度值最高；

（3）凍融循環作用下，纖維混凝土抗壓強度與界面區厚度及硬度關系較為密切,界面區寬度越小、硬度越高，混凝土抗壓強度越高。