凍融循環作用下BSFC的抗凍性及損傷模型

吳倩 云， 馬芹 永

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

凍融循環作用是混凝土在正負溫度交替環境下服役劣化的重要因素之一，在中國西北和東北寒冷地區，混凝土結構因長期處在特殊環境中遭受不同程度的凍融破壞，嚴重影響到了混凝土結構的安全性和使用壽命，從而帶來巨大的經濟損失［1-2］.因此，對混凝土在凍融循環作用下的凍融損傷劣化過程以及凍融損傷模型進行研究，有助于延緩混凝土結構的凍融破壞和評價其服役狀態.目前，眾多學者對混凝土的抗凍性能開展了大量研究，并取得了豐碩的成果［3-7］.研究表明，在合適摻量下，玄武巖纖維、粉煤灰、礦渣粉的摻入能改善混凝土的抗凍性能［8-11］.

當前，眾多學者多是建立以凍融循環次數為主要變量的單一因素影響模型，如抗壓強度損傷模型［12-13］及相對動彈性模量損傷模型［13-15］.然而，混凝土是典型的非均質材料，其內部存在大量微孔洞、微裂紋等缺陷.在外界環境作用下，這些缺陷的擴展貫通是混凝土破壞的主要原因.在凍融環境下，混凝土內部孔隙經靜水壓力、溫度應力等共同作用后不斷發生變化.混凝土材料的損傷是細觀成因在宏觀上的反映.因此，也有部分學者研究通過細觀損傷變量及其模型方程來描述混凝土材料的宏觀損傷行為.梁昕宇等［16］以混凝土細觀孔結構圖像的分形維數為損傷變量，研究了單軸壓縮下混凝土的損傷演化規律.金珊珊等［17］指出，氣泡分布分形維數與混凝土相對耐久性指數具有較高的正相關性，故可用氣泡分布分形維數評估混凝土的抗凍性能.Tian等［18］以內部孔隙結構的演化和空間分布為研究對象，來研究混凝土的凍融損傷.Jin等［19］通過建立以分形維數為損傷變量的凍融損傷模型，指出該損傷模型可以定量反映混凝土的細觀損傷程度.以上研究模型均是考慮單因素作用建立的混凝土損傷模型.混凝土材料的性能是受其本身結構和組成材料共同作用的結果［20-21］，因此可以考慮建立孔結構和組成材料2方面因素的損傷模型.

本文以玄武巖纖維摻量、凍融循環次數為主要變量，對玄武巖纖維-礦渣粉-粉煤灰混凝土（BSFC）進行快速凍融循環試驗和孔結構分析試驗，擬合得到不同凍融循環次數條件下的玄武巖纖維貢獻率公式，建立基于孔結構分形維數和玄武巖纖維貢獻率的BSFC復合凍融損傷模型，以期為寒冷地區BSFC的耐久性研究提供理論支撐和試驗依據.

1 試驗

1.1 試驗原材料和配合比

水泥（C）：淮南“八公山”牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；礦渣粉（SP）：河北靈壽縣博礦產品貿易有限公司生產的S95級礦渣粉，比表面積為400 m2/kg，摻量為膠凝材料總質量的15%；粉煤灰（FA）：淮南平圩電廠的Ⅱ級粉煤灰，摻量為膠凝材料總質量的20%；細骨料：天然河沙；粗骨料：5～20 mm連續級配碎石.膠凝材料的化學組成見表1.減水劑：青島虹廈高分子材料有限公司生產的HSC聚羧酸高性能減水劑，減水率（質量分數）為25%；纖維：選用耐堿性的玄武巖纖維，長度為6 mm，直徑為15μm，彈性模量為91～110 GPa，抗拉強度為3 000～4 800 MPa.

表1 膠凝材料的化學組成Table 1 Chemical compositions of binder materials w/%

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》配制C40混凝土；試驗選擇以玄武巖纖維體積分數（φ）0%、0.12%、0.15%、0.18%摻入混凝土中.按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每組3個.BSFC試件的配合比見表2.

表2 BSFC的配合比Table 2 Mix proportions of BSFC

1.2 試驗方法

1.2.1 快凍試驗

凍融試驗采用TEST-1000型高低溫濕熱試驗箱，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性與耐久性能試驗方法》中的快凍法進行.設定凍結溫度為-20°C，融化溫度為15°C，1次凍融循環周期為8 h，即凍結4 h，融化4 h.凍融循環次數（n）為0、25、50、75、100次.試件在養護28 d后，放置于20°C清水中浸泡4 d，然后取出放入凍融試驗箱中進行凍融循環試驗；達到設定凍融次數后取出試件晾干并稱取試件質量，再使用北京康科瑞公司生產的NM-4A型非金屬聲波檢測儀進行超聲波波速測量.

1.2.2 強度測試試驗

按照GB/T 50081—2002，采用CSS-YAN3000型壓力機開展單軸抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗，加載速率分別為3、1 mm/min.每組3個試件，結果取其平均值.

1.2.3 孔結構測試方法

BSFC孔結構測試采用TR-AHS型硬化混凝土氣孔結構測試儀，運用ASTM C457—2016《American society for testing and materials》中的直線導線法進行測量.BSFC試件為100 mm×100 mm×100 mm立方體，每組3個試件.BSFC孔結構試樣制作過程：首先，用切割機切成100 mm×100 mm×20 mm的切片；其次，將切面放在磨拋機上用不同細度的金剛石磨拋盤進行粗磨、精磨、粗拋、精拋，每個步驟30 min，以上步驟完成后清洗試塊，晾干；然后，用黑色水性記號筆涂黑試樣拋光面，置于烘箱中在105℃下烘30 min，取出在室溫下冷卻；接著，用硫酸鋇粉末填充氣孔，使其融到孔隙中，將多余粉末去除，其余表面為黑色；最后，置于試臺上用于測量.試樣觀測面積為80 mm×80 mm，總路徑為10 387.87 mm.氣孔分析試驗原理如圖1所示.

圖1 氣孔分析試驗原理Fig.1 Principle of air-void analysis test

2 結果與分析

2.1 凍融作用下BSFC的物理力學性能變化規律

為直觀反映凍融循環作用下BSFC的質量變化、強度變化和內部結構等損傷，引入質量損失率ω、相對波速vr、相對抗壓強度Δfc、相對劈裂強度Δft等作為評價指標.計算公式如式（1）～（4）所示.

式中：G0、Gn為BSFC試件的初始質量和第n次凍融循環后的質量，g；v0、vn分別為BSFC試件的初始波速和第n次凍融循環后的波速，m/s；fc0、fcn分別為BSFC試件未凍融時的抗壓強度和第n次凍融循環后的抗壓強度，MPa；ft0、ftn分別為BSFC試件未凍融時的劈裂強度和第n次凍融循環后的劈裂強度，MPa.

按式（1）～（4）計算，得到凍融循環作用下BSFC試件的質量變化率、相對波速、相對抗壓強度和相對劈裂抗拉強度與凍融循環次數之間的關系，如圖2～5所示.

圖2 BSFC試件質量損失率與凍融循環次數的關系Fig.2 Relationship between mass loss ratio of BSFC specimens and number of freeze-thaw cycle

圖3 BSFC試件相對波速與凍融循環次數的關系Fig.3 Relationship between relative wave velocity of BSFCspecimensand number of freeze-thaw cycle

圖4 BSFC試件相對抗壓強度與凍融循環次數Fig.4 Relationship between relative compressive strength of BSFC specimens and number of freeze-thaw cycle

圖5 BSFC試件相對劈裂抗拉強度與凍融循環次數Fig.5 Relationship between relative splitting tensile strength of BSFC specimens and number of freeze-thaw cycle

由圖2～5可見：（1）BSFC試件的質量變化率隨著經歷凍融循環次數的增加逐漸增大；在不同玄武巖纖維摻量下，BSFC試件的質量變化率隨經歷凍融次數增加的變化規律相似；在經歷相同凍融次數下，BSFC試件的質量損失率隨玄武巖纖維摻量的增加而減小.（2）BSFC試件的相對波速隨著經歷凍融循環次數的增加逐漸減小；在經歷相同凍融循環次數時，BSFC試件的相對波速隨玄武巖纖維摻量的增加而逐漸增大.（3）在不同纖維摻量下，BSFC試件的相對抗壓強度、相對抗拉強度均隨著經歷凍融循環次數的增加而下降，且衰減速度逐漸加快；在經歷相同凍融循環次數時，纖維摻量越大，BSFC試件的相對抗壓強度、相對抗拉強度的衰減速度逐漸減慢.這是因為混凝土在制作成型過程中存在微裂紋等損傷，隨著經歷凍融循環次數的累加，微裂紋逐漸擴大，水泥漿體流失.在混凝土中摻入玄武巖纖維，纖維在基體內呈三維分布，可以抑制微裂紋的擴展，橋接在裂縫之間，在凍融循環作用下，減少水泥砂漿的剝落，降低相對波速、相對抗壓強度和相對劈裂抗拉強度的下降.

2.2 凍融作用下BSFC孔結構變化

經歷不同凍融循環次數的BSFC試件氣孔分布如圖6所示.由圖6可見：

圖6 凍融循環下BSFC的含氣量與氣泡弦長的關系Fig.6 Relationship of air content and chord length frequency of BSFC under freeze-thaw cycles

（1）相同玄武巖纖維摻量下，BSFC試件在0.5～1.0 mm弦長處的含氣量均隨凍融循環次數的增加而增大；在0次凍融時，試件FSB-0在0.5～1.0 mm弦長處的含氣量超過10%，摻玄武巖纖維的BSFC試件在0.5～1.0 mm弦長處的含氣量均未超過10%；在經歷100次凍融循環時，試件FSB-0在0.5～1.0 mm弦長處的含氣量超過40%，摻玄武巖纖維的BSFC試件在0.5～1.0 mm弦長處的含氣量均低于40%.

（2）相同玄武巖纖維摻量下，在經歷0次凍融時，BSFC試件在0.01～0.02 mm弦長處的氣孔數量最多，隨著經歷凍融循環次數的增加，BSFC試件在0.01～0.02mm弦長處氣孔數量下降，在0.50～1.00mm弦長處氣孔數量不斷上升.即弦長較小的氣孔數量下降，弦長大的氣孔數量上升，含氣量增加.

（3）在經歷0次凍融循環條件下，試件FSB-0在0.01～0.02 mm弦長處的氣孔頻率少于0.5，在0.50～1.00 mm弦長處的氣孔頻率大于0.05；試件FSB-0.18在0.01～0.02 mm弦長處的氣孔頻率為0.5，在0.50～1.00 mm弦長處的氣孔頻率小于0.05.這是因為混凝土在制拌成型和水化硬化過程中已存在大孔徑孔洞、微裂縫等損傷，隨著經歷凍融循環次數的累積，孔洞、微裂縫逐漸擴展，含氣量逐漸增大.玄武巖纖維摻入混凝土后，在基體中亂向分布，有效減少了BSFC在硬化之前產生的連通縫隙，防止連通毛細孔的形成，細化大孔隙，增加小孔，在凍融循環作用下能夠抑制裂縫擴展，提高BSFC的抗凍性.

經歷不同凍融循環次數的BSFC試件氣孔結構參數如圖7所示.由圖7可見：（1）隨著經歷凍融循環次數增加，BSFC試件的含氣量、氣泡間距系數和平均氣泡弦長增大，氣孔比表面積逐漸降低.（2）在凍融循環前，試件FSB-0.12、FSB-0.15、FSB-0.18的含氣量、氣泡間距系數和平均氣泡弦長較試件FSB-0分別降低了23.97%、34.06%、53.65%，15.62%、37.50%、46.87%和10.59%、20.0%、41.18%，氣孔比表面積提高了6.25%、11.84%和18.06%.（3）在經歷100次凍融循環條件下，試件FSB-0.12、FSB-0.15、FSB-0.18的含氣量、氣泡間距系數和平均氣泡弦長較FSB-0分別降低11.02%、23.80%、29.19%，11.11%、31.11%、33.33%和10.0%、18.50%、32.5%，而較氣孔比表面積提高10.0%、20.5%、40.0%.這是因為隨著經歷凍融循環次數的增加，水進入BSFC內部，氣孔在靜水壓力、滲透壓力和結晶壓力等多種應力作用下破裂、貫通，大孔徑孔數量增多，小孔徑孔數量減少，含氣量、氣泡間距系數和氣泡平均弦長增大，氣孔比表面積降低.將玄武巖纖維摻入BSFC內，與水泥基體之間有很好的黏結，抑制因塑性收縮和干縮產生的微裂縫，跨接在氣孔、裂縫等缺陷之間，在凍融作用下，阻礙孔結構、裂縫的擴展，提高BSFC的抗凍性能.

圖7 凍融作用下BSFC的氣孔結構參數Fig.7 Air-void structure parameters of BSFC under freeze-thaw cycles

3 分形維數

分形理論是研究自然界不規則和雜亂現象的理論，可以被用于材料的細觀結構研究.混凝土結構中細觀缺陷（如孔洞等）的分布具有較強的分形特征，分形維數可以定量地表征混凝土的損傷程度.因此，可以采用盒維數（d）來描述凍融循環作用下細觀孔結構的分布特征與演化規律.假設Nr（A）為能夠覆蓋住一個非空點集A的或邊長為r的盒子的最小數目，則定義這個點集的盒維數［22-24］為：

經歷不同凍融循環次數、不同纖維摻量BSFC試樣氣孔的盒維數如圖8所示.由圖8可見：（1）隨著經歷凍融循環次數的增加，BSFC試樣氣孔的盒維數d呈現出逐漸降低趨勢，與田威等［23］研究結果相似.（2）經歷0次凍融循環時，不同孔徑的氣孔同時存在，其中小孔徑孔隙數量較多，孔隙分布不規則，盒維數較高.（3）隨著經歷凍融循環次數的增加，由于氣孔內滲透水壓力和凍脹力的共同作用，BSFC試樣內部小孔徑的孔隙擴展、貫通，導致較大孔徑孔隙出現，且大孔徑孔隙數量隨經歷凍融循環次數的增加而增多.因大孔徑孔隙數量增多導致孔徑尺寸變得單一，孔隙分布趨向均勻，分布形態變得簡單.盒維數隨著玄武巖纖維摻量的增加而增加，是因為玄武巖纖維在混凝土內呈三維亂向分布，彼此粘連，起到了承托骨架的作用，減少了混凝土的連通縫隙，防止連通毛細孔的形成，小孔數量增多，細化了BSFC試樣內部結構.盒維數越大說明混凝土氣孔特征越復雜，也表明玄武巖纖維能夠改變混凝土內部的氣孔結構［24］.

圖8 BSFC氣孔結構分形維數和凍融次數的關系Fig.8 Relationships between number of freeze-thaw cycle and fractal dimension of air-void structure of BSFC

4 玄武巖纖維貢獻率

為探究玄武巖纖維對凍融后BSFC抗壓強度的影響，定義玄武巖纖維貢獻率Q［25］來定量表征玄武巖纖維的影響程度.Q值越大，表明適量玄武巖纖維可以減緩BSFC凍融后抗壓強度的損失，提高其抗凍性能.Q值計算公式見式（6）.

式中：Qφ為φ摻量下玄武巖纖維的貢獻率，%；fφ，n為φ摻量下經歷n次凍融循環后混凝土的抗壓強度，MPa；fφ，0為φ摻量下未凍時混凝土的抗壓強度，MPa.

分別擬合出BSFC試件經歷0、25、50、75、100次凍融循環后玄武巖纖維摻量與其貢獻率的關系，如圖9所示.

由圖9可知，經歷不同凍融次數后玄武巖纖維的貢獻率呈增加趨勢，纖維摻量為0.18%時對BSFC抗凍性能提高最佳，且擬合后相關系數均大于0.88，擬合度較高.圖9所示的纖維貢獻率各擬合公式形式均如式（7）所示.

圖9 玄武巖纖維貢獻率與凍融循環次數的關系Fig.9 Relation between the contribution rate of basalt fiber and number of freeze-thaw cycle

式中：a、b為擬合公式中一、二次項系數.將凍融循環次數作為自變量，以a、b為因變量再次進行擬合.擬合后得到公式如式（8）、（9）所示.

故以纖維摻量、凍融循環次數作為變量的纖維貢獻率公式，如式（10）所示.

5 凍融損傷演化模型的建立

5.1 基于各評價指標的凍融損傷模型

由凍融循環試驗可知，隨著經歷凍融循環次數的增加，BSFC的物理力學性能逐漸降低，宏觀物理力學性能的變化能夠反映BSFC的劣化程度.為了定量且全面描述凍融環境下BSFC的損傷狀態，運用損傷力學理論，分別選取抗壓強度fc、劈裂抗拉強度ft和超聲波速v作為損傷變量，凍融循環作用引起的損傷（D）為：

式中：Dc、Dt、Dv分別為抗壓強度、劈裂抗拉強度和波速對應的凍融損傷變量.

由式（11）～（13）計算出各性能指標的凍融損傷變量，如圖10所示.由圖10可見：隨著經歷凍融循環次數的增加，Dc、Dt、Dv均不斷增大；摻玄武巖纖維的凍融損傷與損傷劣化速率明顯小于未摻纖維的凍融損傷，且玄武巖纖維摻量為0.18%時，BSFC損傷劣化較慢；在經歷相同凍融循環次數時，Dc、Dt大于Dv.這是因為凍融循環作用對混凝土材料的破壞由表及里逐漸減弱，縱波傳播速度變化較小，故采用波速定義凍融損傷相對較小.

同時，由圖10可得，各凍融損傷變量擬合公式的相關系數較高，能夠較好地擬合凍融循環作用下BSFC試件隨時間的損傷演化規律.各性能指標的凍融損傷演化均表現出較明顯的指數函數關系，其總的擬合函數公式如式（14）所示.

圖10 不同評價指標凍融損傷與凍融循環次數的關系Fig.10 Relationship between freeze-thaw damage of different evaluation indexes and number of freeze-thaw cycle

式中：a1、b1、c1為擬合系數，如圖10所示.

考慮到實際工程中常使用抗壓強度作為評價混凝土力學性能的指標，因此建立凍融損傷變量Dt和Dc之間的關系，如式（15）所示.

式中：a2、b2、c2為擬合系數，如圖11（a）所示.

Dc與Dv也存在較好的指數關系，如圖11（b）所示.因此，可以用無損檢測的波速來預測BSFC結構的強度性能及損傷情況.

圖11 不同評價指標凍融損傷之間的關系Fig.11 Relationship between freeze-thaw damage of different evaluation indexes

5.2 基于分形維數與玄武巖纖維貢獻率的凍融損傷預測模型

為了更好地研究BSFC孔結構、玄武巖纖維作用與BSFC凍融損傷之間的關系，由前文分析可知，可分別用分形維數和玄武巖纖維貢獻率來定量描述孔結構分布、形狀復雜程度和玄武巖纖維的影響程度，故本文考慮建立分形維數和玄武巖纖維貢獻率2方面因素的凍融損傷預測模型.

BSFC試件的Qφ、d與Dc的散點圖以及根據回歸分析建立的凍融損傷模型結果如圖12所示，凍融損傷數學模型如式（16）所示.數據回歸分析的相關系數為0.903，擬合系數較高，表明可以通過此模型預測凍融循環后BSFC凍融損傷與孔結構、玄武巖纖維的定量關系，以評估寒冷地區BSFC的抗凍耐久性.

圖12 Qφ、d與D c的關系Fig.12 Relationship between Qφand d with D c

6 結論

（1）不同玄武巖纖維摻量下玄武巖纖維-礦渣粉-粉煤灰混凝土（BSFC）的物理力學性能和孔結構分布及孔結構參數隨著經歷凍融循環次數的增加逐漸劣化；在經歷相同凍融次數條件下，玄武巖纖維摻量為0.18%時BSFC的抗凍性好.

（2）隨著經歷凍融循環次數的增加，BSFC內部孔結構的盒維數降低，較好地反映了凍融環境下BSFC孔結構的發育和擴展以及凍融損傷演化規律.

（3）將抗壓強度、劈裂抗拉強度值和波速變化作為損傷變量，用各性能指標損傷變量多方面綜合評價BSFC的凍融損傷，通過數據回歸得到基于各損傷變量的BSFC凍融損傷演化方程，并建立起不同損傷變量之間的指數函數關系.

（4）建立以抗壓強度為損傷變量的凍融損傷與氣孔分形維數、玄武巖纖維貢獻率的復合因素凍融損傷模型，通過此模型預測凍融循環后BSFC凍融損傷與孔結構的定量關系，以評估寒冷地區BSFC的抗凍性能.