聚丙烯纖維混凝土抗凍性能研究

［摘 要］ 為提高混凝土在凍融環境下的耐久性，研究0.9 kg/m3聚丙烯纖維摻量下混凝土等級和凍融循環次數兩種因素對混凝土抗壓強度和質量損失的影響。將C40、C50素混凝土和同等級聚丙烯纖維混凝土進行50、100、150、200次凍融循環試驗。使用origin軟件進行試驗數據分析，并對建立抗壓強度損傷模型。結果表明：凍融0次時，添加聚丙烯纖維對C40、C50素混凝土的抗壓強度分別提高了4.2%和3.8%，隨著凍融次數達200次時，聚丙烯纖維的加入使混凝土抗壓強度損失率減小了7.9%和5.5%，說明聚丙烯纖維混凝土抗凍性優于普通混凝土。在試驗數據的基礎上，理論分析了不同配合比聚丙烯纖維混凝土凍融循環后抗壓強度損傷規律，建立了混凝土凍融破壞后的力學性能損傷規律模型。

［關鍵詞］ 聚丙烯纖維； 凍融循環試驗； 抗壓強度； 強度損傷模型

［中圖分類號］ TU528.572 ［文獻標識碼］ A

我國東北、西北等地冬季氣候嚴寒，夏季氣候溫熱，由于溫度變化，混凝土建筑長期遭受凍融破壞，導致混凝土出現大量裂縫，影響建筑物的安全和使用壽命[1]。因此，考慮冷熱環境下如何提高混凝土的耐久性就顯得尤為重要。目前，國內外學者主要研究方法是將纖維材料加入混凝土中提高混凝土抗凍性能。

趙燕茹等[2] 研究玄武巖纖維混凝土凍融循環后的斷裂性能，結果表明玄武巖纖維不能較好地抑制凍融循環給混凝土帶來的損傷。張生等[3]選用纖維素纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維加入混凝土中進行快速凍融試驗，通過電鏡掃描對比凍融前后混凝土試塊微觀圖像，研究其抗凍性能，結果表明纖維素纖維混凝土抗凍性能最強；王海龍等[4]研究鋼纖維輕骨料混凝土凍融后的力學性能，結果表明鋼纖維的加入可以提高輕骨料混凝土的抗壓強度，抗折強度和凍融后的混凝土的韌性，抗凍性；趙柏東等[5]研究C40不同聚丙烯纖維質量分數混凝土凍融環境下的耐久性的影響，得出聚丙烯纖維質量分數在1%左右時最合適；李智睿等[6]研究不同摻量玄武巖纖維混凝土在水，NaCl溶液和Na2SO4溶液中凍融循環后的力學性能，結果表明纖維摻量在0.15%左右時抗凍融侵蝕效果最好；孫家瑛[7]研究了聚丙烯纖維和植物纖維對混凝土抗凍性能的影響，結果表明植物纖維對混凝土抗凍性能的提升優于聚丙烯纖維；牛荻濤等[8]研究不同摻量鋼纖維混凝土在水中和NaCl溶液中的抗凍性性能，結果表面鋼纖維能提高混凝土抗凍性能，摻量在1.5%時混凝土抗凍性能改善效果最好。

本文選用C40、C50素混凝土和0.9 kg/m3摻量同等級聚丙烯纖維混凝土進行快速凍融試驗，研究凍融后聚丙烯纖維混凝土抗壓強度和質量損失變化規律，同時建立基于混凝土抗壓強度衰減規律的纖維混凝土凍融損傷演變模型，對今后的工程實踐提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料與混凝土配合比

本次試驗混凝土基準強度等級為C40和C50，采用P.O.42.5硅酸鹽水泥，細骨料為天然河沙，粗骨料為粒徑為5～20 mm碎石，外加劑為聚羧酸系高性能減水劑粉，水為武漢市普通自來水，纖維選用長度為19 mm聚丙烯細纖維，纖維摻量為0.9 kg/m3[9]，詳細性能指標見表1。試驗采用的混凝土配合比見表2。

1.2 混凝土試塊制作及養護

采用實驗室攪拌機進行混凝土制備。拌制纖維混凝土時，將水泥、砂、碎石先干拌30 s，再添加80%水濕拌30 s，然后將纖維材料均勻撒入攪拌機中，繼續攪拌，再將剩余的水和減水劑加入，在攪拌結束后，將攪拌機中拌合物澆筑在試模內，使用振動臺振搗密實的同時用刮刀抹平表面。將澆筑完成的試模置于室溫20±5 ℃，相對濕度大于50%的室內兩晝夜，拆模后進行外觀檢查和編號，再放入溫度為20±2 ℃的不流動氫氧化鈣飽和水溶液中養護28 d。

1.3 試驗方法

本試驗研究選用快速凍融法進行混凝土凍融循環試驗。混凝土試件制作成型尺寸及數量選用見表3。凍融試驗過程中混凝土試件完全浸泡在水中，水面高度要高于試件頂部10" mm左右，試件中心溫度區間控制在 -17（±2）℃～8（±2）℃之間，每次凍融循環在4 h左右，每隔25次循環 將試件上下顛倒，保證試件凍融均勻。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗現象

凍融循環次數0次時，四組試驗試件外表面平整光滑并帶有少量氣孔，四周棱角清晰，而摻入聚丙烯纖維的混凝土邊緣有少量纖維外露（圖1）；凍融循環次數達50次時，四組試驗試件外表面有零星部分浮漿脫落，摻入了聚丙烯纖維的試件其表面顆粒與纖維連接，脫而不落，試件質量損失微小（圖2）；凍融循環次數達100次時，試件外保護層砂漿和棱角開始脫落，部分位置可見粗骨料暴露，有加入纖維的混凝土纖維外露（圖3）；凍融循環次數達150次時，四組試件外保護層大量脫落，外表面可見50%內部粗骨料暴露在外，但摻入纖維的試件表面的脫落程度要優于素混凝土，纖維緩解了由溫度變化引起的表面裂縫擴展（圖4）；凍融循環次數達200次時，四組試件外表面保護層脫落超過75%，其中素混凝土外保護層基本脫落，內部粗骨料完全暴露，甚至有小顆粒骨料掉落，而纖維混凝土可見部分外保護層 ，但失去保護層保護部分，內部粗骨料和纖維明顯外露，表面有大量不穩固的殘渣（圖5）。

2.2 抗壓強度

根據前文試驗方法，將達到凍融循環次數的混凝土試件全部取出，清洗表面并晾干，按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）測試全部立方體試件的抗壓強度。立方體抗壓強度按下式計算：

fC=（0.95×F）/A（1）

式中：fC為混凝土試件立方體抗壓強度，MPa；F為混凝土試件破壞荷載，N； A為立方體試件承壓面積，mm2。

本次抗壓試驗采用的是100 mm×100 mm×100 mm非標準試件，測得的強度值需乘以尺寸換算系數0.95。凍融循環后的抗壓強度如表4所示。

P=（f0-fn）/f0（2）

式中：P為混凝土的抗壓強度損失率；f0為凍融循環0次混凝土抗壓強度；fn為凍融循環n次混凝土抗壓強度。

圖6清晰反映凍融循環后聚丙烯纖維混凝土抗壓強度變化規律。通過對比混凝土的初期抗壓強度可以得出聚丙烯纖維的加入提高了混凝土抗壓強度。凍融50次后，同等級素混凝土的抗壓強度均高于摻入聚丙烯纖維后的混凝土，說明在凍融循環初期，聚丙烯纖維的加入會使混凝土的抗壓強度下降。但隨著凍融次數的逐漸增加，4組混凝土的抗壓強度逐漸減小，強度大小從高到低依次為Dgt;Cgt;Bgt;A。凍融循環100～200次中同等級摻入聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度均高于素混凝土，這說明隨著凍融程度的不斷加深，摻加聚丙烯纖維能顯著改善混凝土的抗凍性能，提高凍融后抗壓強度。

由圖7可知：在凍融50次后，聚丙烯纖維C40、C50混凝土的抗壓強度損失率大于素混凝土，分別為17%（B）和21.9%（D），素混凝土強度損失率為11.1%（A）和15.1%（C），由滲透壓力理論得知聚丙烯纖維填充孔隙使混凝土內部結構緊密，而凍融循環時內部毛細水和自由水反復結冰和融化，使水分體積不斷膨脹縮小，導致混凝土內部不斷產生新孔隙，強度損失增大；在凍融100次后，C40、C50素混凝土的抗壓強度損失率大于纖維混凝土，分別為32.9%（A）和30.2%（C），纖維混凝土抗壓強度損失率分別為24.3%（D）和21.9%（B），由于凍融次數的增加，混凝土破壞加深，內部氣孔逐漸擴張相連產生微裂縫，導致強度降低；凍融150次后，C40、C50素混凝土的抗壓強度損失率增大，分別為43.3%（A）和41.2%（C），摻入聚丙烯纖維的C40、C50混凝土抗壓強度損失率為35.3%（B）和35%（D），由于內部微裂縫不斷擴張，逐漸傳到表面，使得表面保護層脫落，抗壓強度進一步減弱。隨著凍融次數的增加，內部裂縫擴展逐漸趨于平衡，不再有新的裂縫產生，強度損失逐漸減小，凍融循環200次后， 4組混凝土抗壓損失率分別為：53.2%（A）、49.0% （B）、43.9%（C）和41.5%（D）。

2.3 質量損失

凍融循環試驗中，混凝土質量會發生變化，將完成凍融試驗的試件用電子秤進行質量檢測，進行檢測時應將棱柱體試件表面水分晾干。混凝土質量損失率計算式為：

W=（G0-Gn）/G0（3）

式中：W為混凝土質量損失率；G0為凍融0次的混凝土質量；Gn為凍融n次混凝土質量。質量損失率數據見表5。

由圖8可知：混凝土的質量損失率隨凍融次數逐級遞增。當凍融循環200次時，C40和C50素混凝土的質量損失率已超過5%，已達到試件失效標準，其質量損失率分別為6.63%和5.41%，而添加聚丙烯纖維的混凝土質量損失率分別為4.68%和4.30%，未達到試件失效標準，說明聚丙烯纖維的加入可以減小質量損失。從圖中可以看出C40和C50聚丙烯纖維混凝土的質量損失率均小于同等級素混凝土質量損失率，結果表明聚丙烯纖維的加入可以提高混凝土的抗剝落能力，增強抗凍性能。

3 凍融循環后抗壓強度損傷模型

國內外研究者通過大量研究得出凍融次數對混凝土抗壓強度的變化規律可以采用如下模型[10-12]：

由于式（6）可改寫為一次線性函數Y=aX+b的形式，因此將混凝土抗壓強度隨凍融循環變化的實測數據帶入上述數學模型中做線性回歸分析和處理，得到斜率a和截距b，用于確定公式（6）中特征參數α、β。詳細擬合結果和參數見表6，表7。

綜合上述擬合結果可知A、B、C、D四組混凝土在凍融循環作用下引起的抗壓強度變化規律損傷模型：

從表6可以看出，該凍融損傷規律模型對試件抗壓強度線性擬合的相關系數平方差均大于0.95，說明建立的抗壓強度模型擬合結果與實測數據差距較小。使得該模型可以清析地預測出不同配合比聚丙烯纖維混凝土經凍融循環作用后其混凝土抗壓強度變化規律。

4 結論

1）經過凍融循環后，摻入了聚丙烯纖維的混凝土緩解了混凝土微裂縫的擴張，起到了一定的增韌作用，使得混凝土整體較密實，質量損失率小于同等級素混凝土，但在凍融50次時，纖維混凝土強度損失大于素混凝土，之后隨著凍融次數增大，素混凝土強度損失大于纖維混凝土，說明了聚丙烯纖維的摻入可以減小凍融后混凝土質量損失，同時提高凍融初期混凝土強度損失。

2）隨著凍融循環次數逐漸增大，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度也隨之降低，但當凍融次數達50次時，普通C40、C50素混凝土的抗壓強度較優于同等級聚丙烯纖維混凝土，表明凍融循環初期素混凝土凍融損傷低于聚丙烯纖維混凝土。隨著凍融損傷程度不斷加深，凍融循環初期情況消失，聚丙烯纖維的抗壓強度損失率小于普通素混凝土，說明聚丙烯纖維的加入可以緩解強度損失。

3）通過對實測數據進行線性擬合得到相關系數，并建立混凝土凍融破壞后的力學性能損傷規律模型，其擬合的相關系數平方差均大于0.95，可直觀的反映出聚丙纖維混凝土凍融循環后的抗壓強度損傷規律。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］王艷，趙凱月，宋戰平，等.鋼聚丙烯混雜纖維混凝土研究進展[J].硅酸鹽通報，2015，34（07）：1885-1890.

[2] 趙燕茹，王磊，韓霄峰，等.凍融條件下玄武巖纖維混凝土斷裂韌度研究[J].工程力學，2017，34（09）：92-101.

[3] 張生.多種纖維混凝土抗凍性能研究[J].四川建筑，2018，38（01）：242-245.

[4] 王海龍，申向東，霍俊芳，等.凍融環境下鋼纖維對輕骨料混凝土力學性能的影響[J].混凝土，2008（08）：65-68.

[5] 趙柏冬，孫志友，王舜.凍融環境下纖維混凝土的性能[J].沈陽大學學報（自然科學版），2018，30（06）：492-497.

[6] 李智睿，徐存東，李振，等.凍融循環下玄武巖纖維混凝土的力學性能研究[J].石河子大學學報（自然科學版），2022，40（01）：55-60.

[7] 孫家瑛.纖維混凝土抗凍性能研究[J].建筑材料學報，2013，16（03）：437-440.

[8] 牛荻濤，姜磊，白敏.鋼纖維混凝土抗凍性能試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2012，34（04）：80-84.

[9] 黃功學，趙軍，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融后力學性能試驗研究[J].人民黃河，2009，31（05）：105-106.

[10] 鄒超英，趙娟，梁鋒，等.凍融作用后混凝土力學性能的衰減規律[J].建筑結構學報，2008（01）：117-123.

[11] QIAN C X. STROEVEN P. Fracture properties of concrete reinforced with steel-polypropylene hybrid filers[J].Cement and Concrete Composites，2000，22（05）：343-351.

[12] 喬宏霞，李江川，朱飛飛，等.纖維混凝土抗凍性能研究[J].功能材料，2019，50（01）：1114-1119.

[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）：12 078-12 084.

Study on Frost Resistance of Polypropylene Fiber Concrete

LI Chuanxiong， CHEN Yueshun， YI Huaishu， ZHANG Yuze

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

Abstract： In order to improve the durability of concrete in freeze thaw environment， the effects of concrete grade and freeze thaw cycle times on the compressive strength and mass loss of concrete with 0.9 kg / m3 polypropylene fiber content were studied. The freeze thaw cycles of C40， C50 plain concrete and polypropylene fiber concrete of the same grade were carried out for 50， 100， 150 and 200 times. The experimental data analyzed by Origin software are used to establish the compressive strength damage model. The results show that when freezing and thawing for 0 times， the compressive strength of C40 and C50 plain concrete added with polypropylene fiber is increased by 4.2% and 3.8% respectively. With the addition of polypropylene fiber for 200 times， the loss rate of compressive strength of concrete is reduced by 7.9% and 5.5%， indicating that the frost resistance of polypropylene fiber concrete is better than that of ordinary concrete. Based on the experimental data， the compressive strength damage law of polypropylene fiber concrete with different mix proportion after freeze-thaw cycle is theoretically analyzed， and the mechanical property damage law model of concrete after freeze thaw failure is established.

Keywords： polypropylene fiber; freeze thaw cycle test; compressive strength; strength damage model

［責任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-04-18

［第一作者］ 李傳雄（1997-），男，湖北荊州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為混凝土耐久性。