基于宏觀和微觀試驗分析的寒冷地區(qū)纖維混凝土力學(xué)性能研究

摘要 隨著我國東北、西北等地區(qū)城市發(fā)展建設(shè)需求的增長，面臨長期低溫凍融環(huán)境因素的混凝土材料應(yīng)用工程將會持續(xù)增加。為此，文章采用室內(nèi)宏觀試驗和微觀試驗分析方法，開展了嚴寒低溫條件下纖維混凝土力學(xué)性能和破壞形態(tài)分布特征研究。主要結(jié)論如下：（1）聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維混合摻加，抗凍性最強；玄武巖纖維和聚丙烯纖維混合摻加，抗凍性次之；玄武巖纖維單獨摻加，抗壓能力最弱。（2）纖維通過與水泥的黏結(jié)在混凝土中起到抗裂的作用，就三種纖維與漿體的機械嚙合作用而言，聚丙烯纖維最優(yōu)、聚乙烯纖維次之，玄武巖纖維較差。（3）纖維材料連接混凝土骨料和膠凝材料，包囊纖維，協(xié)同作用，提升力學(xué)性能，增強韌性和抗凍性。

關(guān)鍵詞 纖維混凝土；低溫凍融；微觀結(jié)構(gòu)；抗壓性能

中圖分類號 TU528 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0177-03

0 引言

混凝土材料是我國城市建設(shè)中常用的材料[1]。在寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)會受到凍融循環(huán)的影響，導(dǎo)致力學(xué)性能和耐久性下降，使用壽命縮短[2]。Rustamov Sardorbek[3]等發(fā)現(xiàn)，纖維的摻加和凍融的次數(shù)會影響混凝土的力學(xué)性能；F.S.Rostasy[4]等發(fā)現(xiàn)，溫度和含水率會影響混凝土的拉伸強度，凍融循環(huán)會降低混凝土的抗拉強度，干燥和水養(yǎng)護會影響混凝土的強度變化；Skripkiūnas Gintautas[5]發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護溫度和硝酸鈣摻量會影響摻石灰石復(fù)合水泥的流變性能、硬化過程和強度；張春平[6]等發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土在不同溫度條件下的斷裂能和疲勞壽命符合weibull分布，且具有較好的耐久性。綜上所述，寒冷地區(qū)城市建設(shè)需要耐久的混凝土材料。該文用室內(nèi)試驗方法研究了纖維混凝土在低溫下的力學(xué)性能和破壞形態(tài)，為混凝土材料的設(shè)計提供了技術(shù)支持。

1 低溫凍融循環(huán)作用下纖維混凝土抗壓性能試驗研究

1.1 試驗方法

該文研究了混凝土強度等級、凍融次數(shù)、纖維材料和受凍條件對混凝土力學(xué)性能的影響。選擇了C25、C30、C40三種強度等級的混凝土，用?50～15 ℃的溫度區(qū)間模擬低溫凍融循環(huán)。時旭東[7]等的研究表明，凍融次數(shù)為20～30次時，混凝土的受壓強度變化最明顯。為了節(jié)約成本，選取0次、5次、10次、20次作為凍融次數(shù)，并用數(shù)值方法分析更多次數(shù)的情況。該文選用五種常用的改善混凝土抗凍性的纖維材料進行試驗。

除此之外，李靜[8]等用氣凍、干濕凍融、飽和凍融三種條件，研究了混凝土在凍融循環(huán)下的性能。研究發(fā)現(xiàn)，氣凍時混凝土強度下降率和循環(huán)周期關(guān)系不大。該文用氣凍條件做了凍融循環(huán)試驗，研究了混凝土的受壓強度。

1.2 試驗設(shè)備及步驟

用YSC-2000D系統(tǒng)測試不同材料的低溫力學(xué)性能，包括抗壓強度、應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)。試驗分為凍融循環(huán)、受壓加載和數(shù)據(jù)處理三個部分，試驗流程如圖1所示。

1.3 試驗結(jié)果分析

1.3.1 不同纖維混凝土破壞形態(tài)分析

研究不同纖維材料對混凝土試塊在低溫凍融循環(huán)后的破壞形態(tài)的影響。選擇普通混凝土和五種纖維混凝土，分別在0次、5次、10次、20次凍融循環(huán)后做了單軸壓縮試驗。如圖2所示，顯示了纖維混凝土的破壞形態(tài)。

圖2顯示了不同纖維混凝土在凍融循環(huán)后的破壞情況：

（1）摻纖維的試塊只有表層裂紋，結(jié)構(gòu)完好。

（2）普通混凝土的試件破碎嚴重，表面和邊緣剝落，骨料暴露。

（3）摻纖維的試塊有細小的裂縫，但不穿透試件，試塊保持完整。

（4）摻纖維的試塊比普通混凝土的試件有更高的抗壓強度。五種纖維的試塊有不同的破壞特征，其中混合摻聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維的試塊破壞最輕，抗壓最強。

（5）混凝土中的纖維形成三維網(wǎng)狀，像鋼筋一樣支撐骨料，防止沉降和裂縫。

（6）不同纖維的抗壓強度有所差異，其中玄武巖纖維抗壓強度最低，聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維抗壓強度最高。

1.3.2 抗壓力學(xué)性能分析

如圖3所示，給出了玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維三種纖維混凝土試塊的相對彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系圖。由圖3可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維混凝土的相對彈性模量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

2 低溫凍融循環(huán)作用下纖維混凝土微觀結(jié)構(gòu)試驗研究

2.1 試驗設(shè)備及步驟

該次微觀結(jié)構(gòu)試驗所采用的試驗儀器是S-3000N型掃描電子顯微鏡。

2.2 試驗步驟

（1）從凍融試驗后的混凝土試塊中取10 mm左右的樣品，放入無水乙醇浸泡48 h。

（2）取出樣品，烘干。

（3）把樣品密封，放在干燥通風處。

（4）用掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌。

（5）先用50倍的放大率觀察SEM影像，再用200～1 000倍的放大率掃描清晰的區(qū)域，最后用1 500～2 000倍的放大率掃描代表性的顯微組織。

2.3 試驗結(jié)果分析

為分析碳纖維材料下混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌，現(xiàn)分別選取單獨摻加玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維的混凝土試塊，在相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，進行單軸壓縮試驗后的微觀結(jié)構(gòu)形貌對比。由掃描電鏡得到的不同纖維材料試件的微觀形貌如圖4所示。

圖4是不同纖維混凝土的微觀形貌。纖維和水泥黏結(jié)，提高了混凝土的強度、韌性和抗裂性。纖維與水泥的黏結(jié)強度，與纖維的黏附力、力學(xué)性能和外形有關(guān)。纖維和水泥的機械嚙合作用，降低了黏結(jié)過程中的應(yīng)力，增強了黏結(jié)強度。三種纖維的外形和嚙合不同，纖維表面不平，有利于黏結(jié)，聚丙烯纖維嚙合最好，聚乙烯纖維次之，玄武巖纖維最差。纖維改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少了孔隙和裂紋，使混凝土更密實，拉伸強度得到提高?；炷疗茐臅r，有微裂紋產(chǎn)生和擴展。纖維摻入混凝土，可增加韌性，防止裂紋，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少微裂紋，延遲宏觀裂紋，提高強度和耐久性。

3 結(jié)論

基于室內(nèi)宏觀和微觀試驗分析方法，針對寒冷地區(qū)纖維混凝土力學(xué)性能規(guī)律，開展了嚴寒低溫條件下纖維混凝土力學(xué)性能和破壞形態(tài)分布特征研究。主要結(jié)論：

（1）聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維混合摻加，抗凍性最強；玄武巖纖維和聚丙烯纖維混合摻加，抗凍性次之；玄武巖纖維單獨摻加，抗壓能力最弱。

（2）纖維通過與水泥的黏結(jié)在混凝土中起到抗裂的作用，就三種纖維與漿體的機械嚙合作用而言，聚丙烯纖維最優(yōu)、聚乙烯纖維次之、玄武巖纖維較差。

（3）纖維材料連接混凝土骨料和膠凝材料，包囊纖維，協(xié)同作用，提升力學(xué)性能，增強韌性和抗凍性。

參考文獻

[1]王媛， 毛順偉， 羅武， 等. 滇東北低溫環(huán)境對混凝土性能的影響[J]. 低溫建筑技術(shù)， 2015（8）： 18-20.

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[3]Rustamov S， Sang W K， Kwon M， et al. Mechanical behavior of fiber-reinforced lightweight concrete subjected to repeated freezing and thawing[J]. Construction and Building Materials， 2021（9）： 121710.

[4]Rostasy F S， Scheurermann I. Verbund und innerer Zwang von einbetoniertem Bewehrungsstahl bei tiefer Temperatur[D]. Forschungsbericht Technische Universitat Braunshweig（1984）： 92.

[5]Skripkiūnas Gintautas. Effect of Calcium Nitrate on the Properties of Portland–Limestone Cement-Based Concrete Cured at Low Temperature[J]. Materials， 2021（7）： 1611.

[6]張春平， 馮春成. 季凍區(qū)聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土的低溫抗裂性能[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報， 2012（4）： 106-109.

[7]時旭東， 崔一丹， 錢磊. 關(guān)鍵影響因素耦合作用下混凝土低溫受拉強度試驗研究[J]. 工業(yè)建筑， 2020（8）： 83-91.

[8]李靜. 受凍條件對混凝土抗凍性的影響[J]. 中國水能及電氣化， 2016（5）： 26-29.