鋼纖維混凝土抗凍性及損傷模型研究

［摘 要］ 選取鋼纖維摻量為0%、1.5%，基體混凝土強度等級為C30、C40的混凝土試件進行凍融試驗與抗壓強度試驗，研究其質量損失率變化規律及抗壓強度衰減規律。以得到的抗壓強度數據為損傷變量建立三種不同的函數模型。結果表明：凍融循環200次后，2組鋼纖維混凝土試件組較素混凝土試件組的質量損失率減少了0.69%和1.09%，抗壓強度損失率減少了3.9%和4.0%，說明鋼纖維的摻入減小了混凝土強度的衰減以及凍融損傷。對三種函數所擬合的損傷模型相關系數進行比較，基于二項式函數所擬合的損傷模型精度最高，相關系數均超過0.95。

［關鍵詞］ 鋼纖維； 凍融； 力學性能； 損傷模型

［中圖分類號］ TU528.572 ［文獻標識碼］ A

研究表明，凍融破壞已成為危害混凝土結構耐久性的重要原因[1]。它不僅嚴重影響混凝土建筑的正常使用，還危害工程的安全運行。根據相關資料調查顯示我國很大一部分區域處于嚴寒地帶，尤其是北部地區，冬季溫度低下，當地的混凝土建筑在受到雨水，水蒸氣等的作用后極易發生凍融破壞，為使工程繼續發揮作用，每年都會投入大量的維修費用[2]。

董祥[3]通過對試件進行微觀外貌分析發現，鋼纖維表面的凹凸界面使纖維與基體形成比較強的機械咬合作用，纖維與基體之間的黏結強度增大，大大提高了纖維混凝土抗凍性能。周茗如[4]采用快凍法，研究鋼纖維摻量對混凝土抗凍性的影響發現隨著纖維摻量的增加，混凝土的相對抗折強度、動彈模量顯著提高。陳柳灼[5]通過試驗研究了C40普通混凝土，體積率為0.8%的鋼纖維混凝土分別在0～100次凍融循環后的質量損失，強度損失及動彈性模量，結果表明纖維的加入對混凝土的凍融損傷有一定的抑制作用。牛荻濤[6]等對5種摻量的鋼纖維混凝土分別進行水凍及鹽凍試驗。分析其質量損失率、劈拉強度及相對動彈性模量的變化規律以及凍融環境下鋼纖維對混凝土的增強機理，得到了1.5%為最佳鋼纖維摻量。陳升平[7]趙小明[8]通過二項式函數擬合了凍融環境下不同纖維混凝土的損傷模型得出，隨著凍融次數的增加，混凝土的損傷不斷增加。

目前對纖維混凝土凍融損傷模型研究多為采用一種模型進行損傷分析，多種模型對比分析的研究較少。本研究以探究鋼纖維混凝土的抗凍性與損傷模型為目的，進行了混凝土凍融循環試驗，對素混凝土及鋼纖維混凝土在不同凍融循環次數下的質量損失和抗壓強度進行對比。以抗壓強度為損傷變量分別建立三種函數（二項式函數、指數函數、weibull函數）損傷模型，為嚴寒地區的工程實踐提供理論參考依據。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

采用標號為42.5級硅酸鹽水泥，中砂級配良好，細度模數為3.5，粗集料選用粒徑5～20 mm的碎石，鋼纖維選用衡水某公司生產的剪切型鋼纖維，性能指標見表1。鋼纖維混凝土配合比見表2。

1.2 試驗方案

凍融試驗以混凝土強度等級及鋼纖維摻量為參數制作了相應的數量及尺寸的試件（表3），混凝土試件制作標準按照《鋼纖維混凝土》（JG/T472-2015）的規定進行。

采取快凍法進行本次實驗，采用混凝土快速凍融試驗機，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）進行相關凍融試驗。由文獻[6]對五種摻量的鋼纖維混凝土分別進行水凍及鹽凍試驗得到1.5%為最佳鋼纖維摻量，因此選用1.5%為鋼纖維摻量，100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081－2019做立方體壓縮試驗，測出四組試件不同凍融循環次數下的抗壓強度。而100×100×400的棱柱體試件則用來進行質量損失率試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

圖1到圖4為四組混凝土0～200次的外觀變化（從左至右依次為0，50，100，150，200次試件外觀）。在凍融循環50次時，四組混凝土試塊表面均無并無明顯損傷痕跡，少量混凝土脫落，鋼纖維無外漏現象。凍融循環100次時，外層混凝土開始剝落，骨料開始外漏，露出一部分小孔洞，未摻纖維的兩組試件表面麻面更多，骨料外漏更嚴重。凍融循環150次，可以看出未摻纖維的兩組試件外層混凝土脫落更為嚴重，骨料外漏，摻入纖維的兩組試件有部分鋼纖維顯露出來，試件表面呈麻面狀。試件凍融200次后，混凝土外部面層基本上完全剝落，骨料外露更加明顯，摻有纖維試件的鋼纖維外露也更加嚴重，大量的混凝土碎渣產生。

2.2 質量損失率

質量損失率是反映混凝土試件在凍融循環作用下抵抗剝落的重要指標之一，定義質量損失率為：

W=［（G0－Gn）/G0］×100%（1）

式中：W為混凝土質量損失率；G0為凍融前的混凝土初始質量；Gn為凍融后的混凝土質量。

測出各組試件凍融前后的質量，計算出相應的質量損失率。圖5為纖維摻量及凍融循環次數對混凝土的質量損失的影響的折線圖。從下圖可以看出，C30、C40、C30-1.5、C40-1.5混凝土試件在凍融循環200次后，質量損失率分別為5.25%、5.19%，4.56、4.10%。摻入纖維后試件質量損失率分別降低了0.69%和1.09%。表明鋼纖維的摻入對試件的質量損失起到一定的抑制作用，但在凍融循環末期，試件中亂向分布的鋼纖維對表層漿體橋接作用有限，因此導致鋼纖維混凝土試件質量損失率較大[9]。200次凍融循環結束后，未摻纖維的混凝土試塊質量損失已經超過5%，混凝土試件已破壞。

2.3 抗壓強度

抗壓強度損失率如：

式中：p為混凝土質量損失率；fcu為凍融前的混凝土初始質量；fcu（n）為凍融后的混凝土質量。

圖6，圖7分別為鋼纖維混凝土在經過凍融循環后的抗壓強度變化圖以及抗壓強度損失率變化曲線，表4為四組混凝土抗壓強度下降速率變化。

由圖6，圖7的曲線變化及表4數據可以看出，隨著凍融循環次數的增加，4組混凝土的抗壓強度均在不斷下降，在0-50次凍融循環階段，4組試件抗壓強度下降速率較緩（C30：1.86%、C30-1.5：1.28%、C40：1.68、C40-1.5：1.52%），C30，C40試件組的抗壓強度損失率分別為2.73%、1.89%。C30-1.5和C40-1.5試件組的抗壓強度損失率分別為1.75%、1.60%。50次凍融循環后，未摻纖維的兩組試件下降速率加快（C30：5.64%、C40：6.76%），下降斜率大于初期凍融循環，摻入鋼纖維的兩組試件下降速率仍然較緩（C30-1.5：4.88%、C40-1.5：4.08%），在凍融循環100次后抗壓強度下降速率開始加快（C30-1.5：7.60%、C40-1.5：9.56%），這是因為鋼纖維的摻入能約束混凝土的橫向變形，同時抑制裂縫的出現，從而提高混凝土強度[10]，而在循環100次后鋼纖維與混凝土之間的橋接作用開始遭到破壞，試件內部損傷進一步加劇，通過纖維來提高混凝土抗凍性能的作用逐步削弱[8]，因此在200次凍融循環后兩組鋼纖維混凝土試件抗壓強度損失率接近限值25%。從開始凍融到試驗結束，四組試件的抗壓強度損失率分別為C30：27.8%、C40：27.3%、C30-1.5：23.9%、C40-1.5：23.3%。抗壓強度損失率分別降低了3.9%和4.0%，說明在凍融循環試驗中，鋼纖維能夠提高混凝土的強度，抑制其抗壓強度的衰減，但由于橋接作用的削弱導致的內部損傷加劇，其凍融末期抗壓強度損失率接近限制。

3 凍融作用下纖維混凝土凍融損傷模型分析

在凍融循環結束后，由于凍融損傷造成混凝土抗壓強度不斷減小，因此基于抗壓強度數據的不斷變化選用抗壓強度作為混凝土凍融損傷變量，混凝土凍融損傷度：

式中：fcu（n）為凍融后混凝土立方體抗壓強度；fcu為凍融前混凝土立方體抗壓強度；D為混凝土損傷度。

對上述模型進行比較發現，二項式函數衰減模型相關系數均超過0.95，與試驗結果有較好的擬合程度，Weibull函數模型相關系數最高為0.934 17，指數函數衰減模型相關系數最高為0.943 11，因此選用二項式函數衰減模型具有較高精度，能很好地反映出鋼纖維混凝土構件的損傷程度。

4 結論

1）凍融循環次數不斷增加，纖維混凝土試件組與素混凝土試件組質量損失率不斷增加。在200次凍融循環結束后，通過對比分析，鋼纖維的摻入使C30，C40混凝土試件的質量損失率分別減少了0.69%和1.09%。說明鋼纖維的摻入能抑制混凝土的損傷，但由于凍融末期亂向分布鋼纖維橋接作用的失效導致鋼纖維混凝土質量損失率接近限值5%。

2）凍融循環次數不斷增加，纖維混凝土試件組與素混凝土試件組抗壓強度不斷降低，而由于鋼纖維的橋接作用，鋼纖維混凝土的抗壓強度衰減速率在循環100次后才逐漸加快，在200次循環結束后鋼纖維混凝土試件組抗壓強度損失率低于素混凝土試件組（降低了3.9%和4.0%）。這說明鋼纖維的摻入能夠提高混凝土的強度，抑制其抗壓強度的衰減，但由于橋接作用的削弱導致的內部損傷加劇，其凍融末期抗壓強度損失率接近限制。

3）由試驗所得抗壓強度數據進行三種函數擬合分析可知，通過二項式擬合所得到的損傷模型能更好地反映出混凝土試件在凍融循環作用下損傷程度，其擬合系數均在0.95以上。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］鄭元勛，楊培冰，康海貴.凍融環境下混凝土結構耐久性研究綜述[J]. 鄭州大學學報（工學版），2016，37（05）：27-32.

[2] 陳升平，段小龍，滕飛，等.鋼纖維混凝土凍融后的力學性能研究[J].湖北工業大學學報，2016，31（01）：94-97.

[3] 董祥，沈正.纖維品種和摻量對混凝土抗凍性及微觀結構的影響[J].南京林業大學學報，2011，34（05）：91-95.

[4] 周茗如，曹潤倬，周群.基于凍融循環條件下的纖維混凝土抗凍性試驗研究[J].混凝土，2018（07）：5-7.

[5] 陳柳灼，張廣泰，黃偉敏，等.纖維混凝土在凍融循環下的損傷研究[J].科學技術與工程，2015，15（05）：145-150.

[6] 牛荻濤，白敏，姜磊，等.鋼纖維混凝土抗凍性能研究[J].硅酸鹽通報，2013，32（10）：2084-2089.

[7] 陳升平，王佳雯．凍融環境下纖維混凝土損傷模型研究[J]．混凝土，2017（10） ： 58-61．

[8] 趙小明，李奧陽，喬宏霞，等.纖維混凝土抗凍性能及損傷劣化模型研究[J].硅酸鹽通報，2020，39（10）：3196-3202.

[9] 李政偉，黃金林，陸金馳，等. 凍融條件下鋼纖維混凝土力學性能試驗研究[J]. 四川建筑科學研究，2019，45（06）：74-77.

[10] 陳升平，鮑威. 凍融循環下不同纖維混凝土損傷模型研究[J]. 混凝土與水泥制品，2016（01）：58-61.

[11] 牛荻濤，肖前慧.混凝土凍融損傷特性分析及壽命預測[J]. 西安建筑科技大學學報（自然科學版），2010，42（03）：319-322.

[12] 羅昕，衛軍.凍融條件下混凝土損傷演變與強度相關性研究[J]. 華中科技大學學報（自然科學版），2006（01）：98-100.

[13] 張廣泰，劉詩拓，耿天嬌，等. 基于Weibull分布的凍融循環下纖維混凝土損傷模型[J]. 科學技術與工程，2020，20（29）：12078-12084.

Study on Frost Resistance and Damage Model of Steel Fiber Reinforced Concrete

YI Huaishu， CHEN Yueshun， LI Chuanxiong， ZHANG Yuze

（School of civil Engin.，Architecture and Environment， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China）

Abstract： Concrete specimens with 0% and 1.5% steel fiber content and C30 and C40 concrete strength grade were selected for freeze thaw test and compressive strength test to study the change law of mass loss rate and compressive strength attenuation law. Three different functional models were established using the compressive strength data as damage variables. The results show that after 200 freezing thawing cycles， the mass loss rate of SFRC specimens decreases by 0.69% and 1.09%， and the compressive strength loss rate decreases by 3.9% and 4.0% compared with plain concrete specimens， indicating that the addition of steel fiber reduces the strength attenuation and freezing-thawing damage of concrete. The correlation coefficients of the damage model fitted by the three functions were compared. The damage model fitted by the binomial function had the highest accuracy， and the correlation coefficients were all over 0.95.

Keywords： steel fiber; freezing and thawing; mechanical properties; damage model

［責任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-04-24

［第一作者］ 易懷書（1998-），男，河南信陽人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為混凝土耐久性。