凍融循環下沙漠砂纖維混凝土損傷模型研究

張廣泰，耿天嬌，魯海波，王明陽，李雪藩

(1.新疆大學建筑工程學院，烏魯木齊 830047；2.新疆維吾爾自治區建筑結構與抗震重點實驗室，烏魯木齊 830047)

0 引 言

隨著現代化進程加速，工程建設對混凝土的需求量不斷增加，要從采石場、河床或海洋中提取大量的砂，過度開采使消耗砂的速度加快，引發環境問題和資源枯竭現象的產生。而在西北沙漠地區，利用沙漠砂配制出混凝土，可減少河砂或山砂的開采，保護生態環境，減輕西部地區沙漠化壓力，就地取材也降低了運輸成本。

沙漠砂混凝土既環保又屬于新型混凝土。Che等[1]研究了沙漠砂取代率和砂膠比對沙漠砂混凝土單軸拉伸、壓縮性能的影響，認為沙漠砂取代率對單軸拉壓性能影響較小且砂膠比0.36為最佳比例。李志強等[2]研究了從0%到100%區間內各個沙漠砂取代率(質量分數，下同)下沙漠砂混凝土的基本力學性能，確定了和易性較好的沙漠砂混凝土配合比，表明取代率50%時延性最好，抗壓強度、劈裂抗拉強度在50%～80%取代率時均較高，并提出沙漠砂混凝土應力-應變本構關系。張廣泰等[3]通過力學性能試驗，研究了新疆地區的沙漠砂纖維混凝土，30%的沙漠砂取代率可使力學強度值達到最高。國外學者Kachouh等[4]研究了摻鋼纖維沙漠砂混凝土的性能，結果表明沙漠砂取代率30%在普通混凝土中是可行的，取代率為70%時可與鋼纖維配合使用。Liu等[5]對高溫后的沙漠砂混凝土的力學性能進行分析，結果表明高溫作用下沙漠砂取代率為40%時其強度和靜彈模達到最大值。Zou等[6]經研究表明，替換率為40%的沙漠砂混凝土具有更高的密實度，抗凍融及抗碳化能力顯著。

凍融破壞會導致寒冷地區混凝土結構提前到達耐久極限并退出工作，聚丙烯纖維可提高混凝土的抗凍耐久性[7]，程紅強等[8]研究認為，混凝土中摻入一定量的纖維可以延緩凍融循環作用下裂縫應力集中區向基體內其他區域擴散，抑制早期塑性階段的混凝土開裂，減少內部因凍脹壓力作用而出現的裂紋。在沙漠砂混凝土中摻入聚丙烯纖維和礦物摻合料鋰渣可改善其易收縮開裂的缺點及抗滲性[9]，因此探討沙漠砂纖維混凝土在寒冷地區的適用性具有十分重要的意義。

目前針對嚴寒地區加纖維沙漠砂混凝土的耐久抗凍性和損傷研究較少。因此本文將聚丙烯纖維添加到沙漠砂混凝土中，對沙漠砂纖維混凝土開展凍融試驗，探究不同凍融循環次數下沙漠砂纖維混凝土相對動彈性模量、剩余抗壓強度及劈裂抗拉強度的變化規律，結合損傷力學，相對動彈性模量作為損傷參量，根據試驗結果分別基于指數函數和二次函數建立了沙漠砂纖維混凝土凍融損傷劣化模型，并將該模型用于表征嚴寒地區沙漠砂纖維混凝土的凍融損傷破壞程度。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

選用P·O 42·5級普通硅酸鹽水泥，產自烏魯木齊紅雁池水泥廠；卵石連續級配6～25 mm；沙漠砂細度模數為1.13，表觀密度2 658.5 kg/m3，來自吐魯番市托克遜周邊砂場；普通中砂細度模數2.9；采用聚羧酸減水劑。基于團隊前期研究[9]，鋰渣取代20%(質量分數)水泥，纖維摻量為1.5 kg/m3，30%(質量分數)的沙漠砂取代率。沙漠砂成分如表1，聚丙烯纖維參數見表2，配合比見表3。

表1 沙漠砂主要成分(質量分數)Table 1 Main components of desert sand (mass fraction) /%

表2 聚丙烯纖維主要參數Table 2 Main parameters of polypropylene fiber

表3 沙漠砂纖維混凝土配合比Table 3 Mix proportion of desert sand fiber concrete /(kg·m-3)

1.2 試驗過程及方法

分別制作對照組普通混凝土(RC)、沙漠砂混凝土(SC)、摻纖維的沙漠砂混凝土(SPC)試件。設計21組立方體試塊(100 mm×100 mm×100 mm)進行3種混凝土的抗壓試驗和劈拉試驗，動彈性模量由3組棱柱體試塊(100 mm×100 mm×400 mm)測定得到，每組3個。

試驗對RC、SC及SPC試塊分別凍融0次、25次、50次、75次、100次、125次和150次，根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)[10]中快凍法的要求，試塊在24 d的標養后，再放入水中養護4 d時間，隨后展開凍融試驗。凍融循環試驗過程中，嚴格控制試件中心溫度，低溫控制在(-18±2) ℃，融化時為(5±2) ℃，每次凍融循環約2～4 h。

2 結果與討論

凍融條件下混凝土的內部損傷隨凍害時間而逐漸累積，其力學強度也因此衰減，經多次凍融循環后表面混凝土出現剝蝕劣化現象。通過凍融后立方體抗壓和劈拉(簡稱劈拉)試驗，得到沙漠砂纖維混凝土力學強度的凍融損傷變化規律。

2.1 相對動彈性模量變化

圖1為相對動彈性模量與凍融循環次數的關系，由圖可知，隨凍融循環次數增多，RC、SC及SPC的相對動彈性模量逐漸降低，0～25次凍融循環期間相對動彈模變化平緩，損失較小。這主要因為混凝土內部結構致密，其內部吸收的水分在微裂縫處凍融[11]，致密性未被嚴重破壞，抑制了相對動彈性模量損失；75次凍融循環時，纖維摻量為0 kg/m3和1.5 kg/m3的沙漠砂混凝土動彈性模量相近。25～100次凍融循環，相對動彈模曲線變陡斜率增大，但下降的幅度差別較大。SPC損失最少，其次是SC，RC的相對動彈模損失最大，這是由于混凝土表面開裂時，聚丙烯纖維發揮黏結能力并阻礙開裂，基體因均勻分布且交錯的纖維而聚集在一起。聚丙烯纖維的抗拉強度比基體高，受拉裂縫不容易產生[12]。而普通混凝土的粗骨料內存在的微細裂紋多，這些裂紋在凍融循環的影響下逐漸擴展，加速其相對動彈性模量損失。隨凍融次數增加，動彈性模量的減小速度也在降低。

圖1 相對動彈性模量與凍融循環次數的關系Fig.1 Relationship between relative dynamic elastic modulus and freeze-thaw cycles

2.2 剩余抗壓強度變化

凍融循環作用后沙漠砂混凝土與對照組混凝土的強度損失如圖2所示。沙漠砂混凝土SC的剩余抗壓強度隨凍融循環次數的增加而逐步下降且75次后降得多。150次凍融循環作用使其減少47.73 MPa，強度損失率為73.6%。摻入聚丙烯纖維的沙漠砂混凝土SPC的抗壓強度呈波動下降趨勢，經劣化后其剩余抗壓強度仍遠高于RC與SC。隨凍融循環次數的增加，沙漠砂混凝土SC的抗壓強度損失率與普通混凝土RC極為接近，而沙漠砂纖維混凝土SPC經凍融后表現出與另兩種不同的變化趨勢。凍融150次后SPC抗壓強度下降36 MPa，抗壓強度的凍融損失率為49.5%。

圖2 剩余抗壓強度與凍融循環次數的關系Fig.2 Relationship between residual compressive strength and freeze-thaw cycles

沙漠砂混凝土強度高于對照組普通混凝土，這是因為適量沙漠砂不僅可以減小骨料與漿體之間裂縫的寬度，而且增加無害孔隙含量。沙漠砂增加了骨料周圍混凝土孔隙內壁的相對濕度，這導致水吸附層厚度的增加和范德瓦爾斯排斥力的加強，它較強的吸水能力降低了水泥石的收縮變形，同時使水泥顆粒在集料之間分布更均勻，并與水充分接觸，大的比表面積會提高水泥和用于填充混凝土中薄弱區域的水化凝膠的體積，從而改善了過渡界面的弱結構[13]。

2.3 劈裂抗拉強度變化

圖3為劈裂抗拉強度與凍融循環次數的關系，由圖可得，隨凍融循環次數增加，RC、SC、SPC的劈裂抗拉強度不斷下降。在100次循環之前，RC與SC劈拉強度相差在10%之內，而后期SC優于RC。沙漠砂增加了環境堿度，刺激水泥中SiO2和Al2O3的化學活性發生水解反應而改變水化產物的微觀結構，不僅影響了孔隙率、孔形態和集料的顆粒級配，而且改變了砂漿與石材之間的結合裂縫寬度。在150次凍融循環時，SC與SPC劈拉強度損失率分別為71.43%和70.13%，原因是降溫過程中，基體中的聚丙烯纖維比基體本身收縮得更多，從而在纖維的界面處形成狹窄的縫隙，這些窄縫在混凝土中起到孔隙網絡的作用，在孔隙水凍結膨脹時分散集中的應力。另一方面，纖維-基體界面特性決定著混凝土的非線性行為，纖維的滑動、拔出和粘結增強了基體宏觀和微觀開裂期間的橋接作用。聚丙烯纖維良好的抗彎拉性能保證了SPC試件的抗拉能力強于SC，同時使沙漠砂混凝土具備抵抗凍融的能力。SC和SPC的強度損失率均低于對照組RC，抗凍性優于RC。

圖3 劈裂抗拉強度與凍融循環次數的關系Fig.3 Relationship between splitting tensile strength and freeze-thaw cycles

3 沙漠砂纖維混凝土凍融損傷模型及壽命預測

凍融循環作用對混凝土材料的破壞由表及里逐漸減弱，且縱波傳播速度變化較小，故采用動彈模定義凍融損傷較為合理[14]。本文以相對動彈性模量為損傷變量，分別建立指數函數凍融損傷模型和二次多項式損傷模型，并針對嚴寒地區凍融環境下的沙漠砂纖維混凝土進行壽命預測。

3.1 指數函數凍融損傷模型

為了定量且準確地描述凍融作用下沙漠砂纖維混凝土的損傷狀態，基于相對動彈性模量的劣化規律并結合損傷力學理論[15]，選取相對動彈性模量為損傷變量，定義不同凍融循環次數下混凝土的凍融損傷度D，可用式(1)表示：

(1)

式中：EN為試塊經N次凍融循環后的動彈性模量；E0為試件未經劣化的初始動彈性模量。

由式(1)計算出基于該指標的凍融損傷度De，構建指數函數凍融損傷模型如下：

(2)

式中：N為凍融循環次數；a、b、c為模型的系數。

圖4為RC、SC、SPC經歷不同凍融循環次數后損傷度與循環次數的關系曲線。由圖可知，隨著循環次數的增加，相對動彈性模量指標定義的凍融損傷度De不斷增大。凍融作用下單摻沙漠砂混凝土SC與沙漠砂纖維混凝土SPC有相似的整體劣化規律，但最終損傷程度相差了13.79%。凍融循環初期(0～25次)，試件RC與SPC的損傷劣化程度接近，隨著凍融次數的增加，兩者的差異逐漸增大。50次循環后，普通混凝土試件劣化程度遠超過沙漠砂混凝土和沙漠砂纖維混凝土，可見纖維和沙漠砂結合不易使混凝土破壞。表4為擬合得到的指數函數損傷模型的各參數，相關系數R2較高，均在0.95以上。

圖4 凍融損傷度De隨凍融循環次數的關系Fig.4 Relationship between freeze-thaw damage degree De and the number of freeze-thaw cycles

表4 指數函數凍融損傷模型系數Table 4 Coefficients of exponential function freeze-thaw damage model

3.2 二次函數凍融損傷模型

在試驗結果的基礎上，定義該模型的凍融損傷度Dp，以Dp為因變量，循環次數N為自變量，基于二次多項式函數并利用回歸分析方法建立沙漠砂纖維混凝土凍融損傷定量數學模型：

Dp=aN2+bN+c

(3)

式中：a、b、c、N的含義同上。

二次函數衰減模型與試件的相對動彈模劣化規律遵循相似的變化特征，材料的損傷累積程度隨循環次數變多而逐漸增加，故測得經凍融循環后試件的動彈性模量后，即可通過式(1)、(3)得到沙漠砂纖維混凝土二次函數凍融損傷模型。

圖5為凍融損傷度Dp隨凍融循環次數的關系，可以看出，經擬合的凍融損傷演化曲線呈現二次函數關系，摻聚丙烯纖維的SPC凍融損傷與損傷劣化速率明顯小于未摻纖維的SC和RC，可見聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3時，有效減緩SPC劣化速率。各數據點與擬合曲線吻合較好，該凍融損傷模型較為準確，可較好表征沙漠砂纖維混凝土試件隨凍融時間的損傷劣化規律。表5為二次多項式函數凍融損傷模型系數，可知二次函數模型相關系數在0.99以上，精度較高，表明二次函數衰減模型適合描述沙漠砂纖維混凝土在凍融環境下的損傷。

圖5 凍融損傷度Dp隨凍融循環次數的關系Fig.5 Relationship between freeze-thaw damage degree Dp and the number of freeze-thaw cycles

表5 二次多項式函數凍融損傷模型系數Table 5 Coefficients of quadratic polynomial function freeze-thaw damage model

3.3 沙漠砂纖維混凝土壽命預測

利用指數函數凍融損傷模型，對沙漠砂纖維混凝土的抗凍融性能進行耐久壽命預測，計算其相對動彈性模量降為初始的60%(即損傷度為0.4)對應的凍融循環次數。根據文獻[16]，中國西北地區、華北地區及東北地區每年平均凍融次數分別是120次、84次和118次，室內1次快速凍融試驗換算到自然環境下承受凍融循環12次。計算得出中國北方各區域沙漠砂纖維混凝土的耐久性壽命，結果見表6。

由表6可知，SPC在北方各地區的可使用年限多于RC和SC，摻入聚丙烯纖維的沙漠砂混凝土抗凍融能力得到提升，模型的建立不僅可以預測沙漠砂纖維混凝土在凍融條件下的耐久壽命，也為嚴寒地區沙漠砂纖維混凝土的推廣及應用提供了參考。

表6 沙漠砂纖維混凝土抗凍耐久壽命預測Table 6 Prediction of frost resistance and durability life of desert sand fiber concrete /a

4 結 論

(1)摻纖維的沙漠砂混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環次數增加而逐步下降，下降趨勢緩于對照組和未摻纖維的沙漠砂混凝土，聚丙烯纖維的摻入可減少動彈性模量的損失，增強試件的抗凍能力。

(2)隨凍融循環次數的增加，沙漠砂纖維混凝土的剩余抗壓強度及劈裂抗拉強度均不斷下降，150次凍融循環時，其抗壓強度損失率為49.5%，劈拉強度損失達到70.13%。與對照組混凝土和未摻纖維的沙漠砂混凝土相比，SPC的抗壓、抗拉強度最大，抗凍性最優。

(3)以相對動彈性模量為損傷變量，基于兩種不同函數，經數據回歸分析建立了損傷度與凍融循環次數之間的定量關系，得到沙漠砂纖維混凝土的凍融損傷模型。凍融損傷度的計算值與試驗值吻合較好，相關系數R2分別為0.989 8和0.990 1，兩種損傷模型均能反映沙漠砂纖維混凝土在凍融條件下的損傷劣化規律。