不同種纖維混凝土抗凍性能研究

郭振東，張 業(yè)，黃志強

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100020；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 100020；3.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

在我國廣袤的北方地區(qū)，尤其是寒區(qū)，混凝土深受不同程度的低溫凍融破壞，對建筑物使用安全及經(jīng)濟環(huán)保造成巨大威脅。近年來，纖維混凝土材料被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究，其結(jié)果均表明纖維結(jié)構(gòu)不僅具有可抵消內(nèi)應(yīng)力、可塑性強、韌性強、與混凝土粘連性強的潛力，而且在提高混凝土抗凍性方面也發(fā)揮重大作用。由于影響纖維混凝土抗凍性的因素種類很多，且纖維混凝土抗凍性研究內(nèi)容正處于纖維混凝土耐久性研究的發(fā)展階段，因此其研究成果尚且不夠全面，缺乏系統(tǒng)性。本文通過綜述國內(nèi)外學(xué)者對纖維混凝土抗凍性影響因素的研究，分析總結(jié)出改善纖維混凝土抗凍性的最佳措施。

1 對不同種類纖維增強混凝土抗凍性研究

纖維混凝土抗凍性已經(jīng)成為當下研究的熱點內(nèi)容，眾多學(xué)者[1-4]研究表明纖維材料摻入混凝土中可以降低混凝土在凍融條件下的質(zhì)量損失，從而提高纖維混凝土的抗凍性。眾多學(xué)者[5-6]通過宏觀與微觀的研究表明，鋼纖維在基體中能很好地發(fā)揮出阻裂作用，從而明顯提高混凝土抗剝落能力和抗凍性能。但是有學(xué)者[7]表示，相比于其他種類纖維混凝土來說，不建議在鹽凍融環(huán)境中使用鋼纖維混凝土構(gòu)件。2015年，滕飛等[8]通過研究表明摻入聚丙烯纖維能夠使混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失速度變得緩慢，這一現(xiàn)象說明了聚丙烯纖維的摻入，使混凝土的抗凍性要高于普通緩凝土。

綜上所述，在混凝土中摻入上述四種纖維，均可以增強混凝土的抗凍性，一次分析大多數(shù)纖維混凝土的抗凍性都要優(yōu)于普通混凝土。所以研究纖維混凝土抗凍性影響因素對嚴寒地區(qū)來說具有重要的意義。

2 不同因素對纖維混凝土抗凍性的影響

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)

凍融循環(huán)次數(shù)是影響抗凍性最基礎(chǔ)的因素，眾多學(xué)者在該因素方面研究結(jié)果相似。陳升平等[9]則是通過實驗數(shù)據(jù)建立凍融環(huán)境下?lián)p傷模型的方法，擬合數(shù)據(jù)分析得出，鋼纖維混凝土的損傷度在凍融次數(shù)增加的過程中逐漸增大，但相比于普通混凝土，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失率曲線上升緩慢，凍融循環(huán)125次后，纖鋼維混凝土質(zhì)量損失率增加的緩慢程度更大，鋼纖維混凝土抗凍性優(yōu)勢更明顯。程紅強[10]通過整合試驗數(shù)據(jù)得出凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率曲線。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,聚丙烯纖維混凝土損傷不斷累積，且凍融循環(huán)40次之前，增強抗凍性的作用更明顯，40次之后隨著凍融次數(shù)的增加，增強抗凍性的作用越來越小。該因素的研究程度較為成熟，且研究結(jié)果整體上基本一致。

2.2 纖維摻量

在我國北部嚴寒地區(qū)的自然環(huán)境中，凍融循環(huán)作用的發(fā)生是不可避免的，所以會導(dǎo)致纖維混凝土抗凍性下降，因此有學(xué)者提出通過增加纖維摻量的方法來改善嚴寒環(huán)境下纖維混凝土抗凍性。

寧喜亮通過實驗還得出來鋼纖維摻量為20 kg/m3時構(gòu)件的損傷程度要比40 kg/m3更低一些，抗凍性更優(yōu)，但對凍融后試件的力學(xué)性能改善程度不如摻量為40 kg/m3時的構(gòu)件。由于纖維混凝土損傷會因凍融循環(huán)作用而不斷累加，導(dǎo)致劈拉強度不斷降低。程紅強等通過實驗測定聚丙烯纖維混凝土在不同纖維摻量下的劈拉強度，從而得出纖維摻量與構(gòu)件抗凍性的關(guān)系。

PVA纖維摻量增加，纖維混凝土抗凍性先增大后減小，其主要原因有。

1)PVA 纖維具有較大的彈性模量和較好的韌性，能夠有效抑制再生裂縫以及裂縫的寬度和長度擴展，能有效減少混凝土內(nèi)部孔隙連通。

2)低摻量 PVA 纖維，在混凝土中可以更均勻地分布，更大程度地發(fā)揮對混凝土的約束作用，可以減少膨脹壓力對試件本身抗凍性的影響[11]。

3)通過掃描電子顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)，纖維在混凝土中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能會減少內(nèi)部氣體逸出，從而增大水泥基體內(nèi)部的含氣量，緩解凍融循環(huán)過程中的壓力[12-15]。

但當 PVA 纖維摻量大于0.5%時，過多的纖維導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微觀孔隙變多，增加了混凝土內(nèi)部生成通孔的可能性，導(dǎo)致毛細孔中的水分增多，毛細孔中膨脹壓和滲透壓增大，導(dǎo)致混凝土抗凍性能劣化。

2.3 摻纖維方式

2019年，喬宏霞等[16]研究了兩種不同摻纖維方式(整體式和層布式)對混凝土抗凍性能的影響。試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 質(zhì)量損失率

如圖1所示，從整體上分析可知，凍融循環(huán)次數(shù)越多，纖維混凝土質(zhì)量損失率越大。對比兩種不同的摻纖維方式，層布式混雜纖維混凝土質(zhì)量損失率變化范圍更小，即抗凍性更優(yōu)。

3 結(jié) 語

纖維增加混凝土的抗凍性已經(jīng)得到了眾多學(xué)者的研究，結(jié)果表明，纖維增加混凝土的抗凍性效果明顯。

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維混凝土的抗凍性減弱。

2)不同種纖維在其適量的摻量下可明顯提高混凝土的抗凍性。

總的來說，纖維可以明顯增加混凝土的抗凍性，但對于纖維的混合使用，摻入方式等還可以進行深入的研究，希望找到最合適的纖維來提高混凝土的抗凍性。

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