ECC材料的抗冻融性能试验研究

邓宗才，薛会青，徐海宾

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京100124;2.北京市市政工程研究院，北京100037)

普通水泥基材料抗拉强度低，易开裂，影响结构正常使用和耐久性.纤维的加入大大改善了水泥基材料的抗裂性能，有效提高了结构的抗裂性能和韧性［1－3］.高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)因其优异的拉伸延性和微裂缝控制特性使基础设施具备更高的耐久性［4］.

笔者通过试验，研究了ECC的抗冻融耐久性能，分析了在不同砂灰比情况下，国产与进口聚乙烯醇(PVA)纤维对ECC的抗冻融性能的影响规律，并探讨了ECC具有高抗冻性的机理.试验证明:ECC具备高抗冻性能，在增强抗冻耐久性方面，具有很强的优势.

1 试验概况

1.1 试验配合比

水泥为普通P·O 42.5水泥，砂为石英砂，水为自来水，减水剂采用聚羧酸减水剂，水灰比为0.3.PVA纤维包括上海罗洋公司的PVA纤维(记为CPVA)和日本尤尼吉可公司的PVA纤维(记为JPVA)，纤维材料特性见表1.ECC配合比见表2.表2试件编号中的M表示素砂浆，CE和JE分别是掺入 C －PVA 和 J－PVA 的 ECC 简写，0.5，0.6和0.8分别代表材料的砂灰比.

表1 纤维材料特性

表2 ECC复合材料配合比

对比试件为C35普通素混凝土(记为PC)试件，其立方体抗压强度为40.5 MPa，材料用量为:P·O 32.5水泥 486 kg/m3，石子 1 150 kg/m3，砂子618 kg/m3，水 180 kg/m3，减水剂占胶凝材料的0.5%.冻融试件尺寸为 100 mm×100 mm×400 mm，每组试件3块，并随之制作了形状与尺寸相同，且中心埋有温度传感器的测温试件.

1.2 试验方法

冻融循环试验按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)中抗冻性能试验的快冻法进行.采用北京数智意隆仪器有限公司生产的混凝土快速冻融试验机，试件达到28 d龄期时进行冻融试验.试验前4 d把试件从标准养护室拿出，进行外观检查.随后将试件放在202℃水中浸泡，浸泡时水面高出试件顶面20～30 mm，浸泡4 d后及时进行冻融试验.

1.3 试验步骤

冻融试验前及时从养护水中取出试件，用干净的湿布擦除表面水分，称量试件初始质量W0i，并测出试件的横向与纵向动弹性模量，记录试件的表面和边角等完好情况的外观描述.再将试件放入试件盒，并注入清水，保持盒内水位高度始终保持高出试件顶面5 mm左右.测温试件采用防冻液作为冻融介质，放在冻融箱的中心位置，开始冻融试验.

在饱和水状态下进行快速冻融试验，每隔25次冻融循环测量试件横向与纵向的动弹性模量，测量前将试件表面浮渣清洗干净，擦干表面水分，检查其外部损伤并称量试件的质量Wni.测完后，迅速把试件调头重新装入试件盒内并加入清水，继续试验.

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

进行冻融试验前，所有试件表面光滑、无孔洞.25次冻融循环后，混凝土、砂浆和ECC试件表面均出现些许小孔洞，这些孔洞主要分布在试件表面，其形成原因主要是试件表面水泥浆中的气孔在冻融试验过程中吸水结冰后产生膨胀应力，表面硬化的水泥浆体在膨胀应力作用下剥落.因此，初期冻融破坏，试件的浇筑质量、表面初始缺陷有较大影响，而ECC中纤维的作用并不明显.

100次冻融循环后，ECC试件表面孔洞略微增多，表面未见水泥浆剥落现象;但混凝土和砂浆试件表面出现了大量伴随着许多浮渣的孔洞，且孔径逐渐增大，这些孔洞逐渐形成坑槽，可见少量微裂缝.而直至150次冻融循环，混凝土和砂浆试件的纵向与横向相对动弹性模量均下降到60%以下，但为了与ECC比较，继续进行冻融试验.而ECC中PVA纤维向基体中引入大量的微气泡，使基体含气量增大，有效缓解低温循环过程中的静水压力和渗透压力，从而提高了抗冻性能，试件表面未见明显变化.

200次冻融循环后，混凝土和砂浆试件表面孔洞增多且孔径增大，微裂缝增多.而ECC试件表面仍未见明显变化.直至300次冻融循环，混凝土和砂浆试件均破坏严重，试件表面都出现了大面积的剥落，并伴有少量明显裂缝.而ECC试件表面孔洞略微增多，表面水泥浆剥落现象并不严重，试件表面也未见明显裂缝.这主要是由于PVA纤维改善了ECC试件的内在品质，减少了内部缺陷数量，降低了原生裂隙尺度，提高了ECC试件抵抗冻融循环作用产生的膨胀应力，增加了试件冻融损伤过程中的能量消耗，有效地抑制了试件的冻胀开裂，提高了抗冻性.

2.2 结果分析

2.2.1 试件质量损失率

在冻融循环过程中，混凝土、砂浆与掺入CPVA和J－PVA的ECC试件的质量损失率如图1(a)与图1(b)所示，图1(c)为砂灰比为0.6时，砂浆与ECC试件的质量损失率.

图1 冻融后ECC的质量损失率

由图1(a)和图1(b)可知，随着冻融循环次数的增加，试件的质量损失率逐渐增加.300次冻融循环后，掺入C－PVA的ECC质量损失率均控制在2.5%以内，掺入J－PVA的ECC质量损失率均控制在1.5%以内，而混凝土和砂浆的质量损失率控制在1%以内，稍低于ECC试件.这主要是由于试验测得的试件总质量包括试件本身质量和孔洞中水的质量，混凝土和砂浆试件孔洞中水的质量弥补了试件本身损失的质量，以至于试件质量损失率稍低于ECC试件，说明试件表面孔洞中水的质量不可忽略.在冻融循环过程中，随着砂灰比的增加，ECC质量损失率逐渐增加，ECC试件表面形成的孔洞增多但孔径减小，孔洞中水的质量弥补不了试件本身损失的质量，以至于试件总质量减少，因此，ECC质量损失率逐渐增加.

由图1(c)可知，砂灰比为0.6时，100次冻融循环前，砂浆与ECC质量损失率均稍有增加，但变化不明显;100次冻融循环后，ECC与砂浆质量损失率逐渐增加;300次冻融循环后，ECC质量损失率稍高于1%，砂浆质量损失率低于1%.这也是由于砂浆试件孔洞中水的质量弥补了试件本身损失的质量.

2.2.2 试件纵向相对动弹性模量

图2(a)与图2(b)是混凝土、砂浆与掺入CPVA和J－PVA的ECC试件的纵向相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律图，图2(c)是砂灰比为0.6时，砂浆与ECC试件的纵向相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律图.

图2 冻融后ECC的纵向相对动弹性模量变化

由图2(a)和图2(b)可知，在整个冻融循环过程中，混凝土、砂浆与ECC的纵向相对动弹性模量逐渐下降，变化曲线可分为3个阶段:①25次冻融循环，曲线稍有下降;②25～150次冻融循环，曲线下降趋势明显;③150～300次冻融循环，曲线下降趋势较平缓.300次冻融循环后，混凝土和砂浆的纵向相对动弹性模量约为39.12%，ECC纵向相对动弹性模量比混凝土和砂浆提高1.62～1.87倍.ECC纵向相对动弹性模量随砂灰比的增加，逐渐增加.

由图2(c)可知，300次冻融循环后，砂灰比为0.6的ECC纵向相对动弹性模量控制在67.67%左右，比砂浆提高1.64倍.

2.2.3 试件横向相对动弹性模量

混凝土、砂浆与掺入 C－PVA和J－PVA的ECC试件的横向相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律如图3(a)和(b)所示;砂灰比为0.6时，砂浆与ECC试件的横向相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律如图3(c)所示.

图3 冻融后ECC的横向相对动弹性模量变化

由图3(a)和图3(b)可知，冻融循环增加，混凝土、砂浆与ECC试件的横向相对动弹性模量逐渐下降，变化曲线可分为3个阶段:①25次冻融循环，曲线稍有下降;②25～100次冻融循环，曲线下降趋势明显;③100～300次冻融循环，曲线下降趋势较平缓.300次冻融循环后，混凝土和砂浆的横向相对动弹性模量控制在39.27%左右，ECC横向相对动弹性模量比混凝土和砂浆提高1.61～1.79倍.ECC横向相对动弹性模量随砂灰比的增加，稍有增加.

由图3(c)可知，300次冻融循环后，砂灰比为0.6的ECC横向相对动弹性模量控制在66.24%左右，比砂浆提高1.59倍.

综上所述，300次冻融循环后，ECC的纵向与横向相对动弹性模量降低量均不到40%;100次冻融循环后，混凝土和砂浆的纵向相对动弹性模量降低接近40%，横向相对动弹性模量降低量超过40%.

混凝土、砂浆与ECC的抗冻耐久性指标对比，见表3.由表3可知，ECC抗冻等级均高于F300，混凝土与砂浆均为F100.按照《混凝土结构耐久性设计及施工指南》(CCES 01—2004)规定，严寒地区中度饱和水条件下设计使用年限50 a的结构与寒冷地区中度饱和水条件下设计使用年限100 a的结构均要求DF＞60%，ECC抗冻耐久性指标完全符合该要求［5－7］.ECC 耐久性明显优于普通混凝土与砂浆.

表3 混凝土、砂浆与ECC的抗冻耐久性指标

3 结语

1)100次冻融循环后，混凝土和砂浆试件表面出现了大量伴随着许多浮渣的孔洞，且孔径逐渐增大，这些孔洞逐渐形成坑槽，可见少量微裂缝;300次冻融循环后，ECC试件表面孔洞略微增多并伴随少量浮渣.

2)冻融次数增加，混凝土、砂浆与ECC的质量损失率逐渐增加.300次冻融循环后，掺入C－PVA的ECC质量损失率均控制在2.5%以内，掺入JPVA的ECC均控制在1.5%以内.

3)冻融次数增加，混凝土、砂浆与ECC的纵向与横向相对动弹性模量逐渐下降.100次冻融循环后，混凝土和砂浆的纵向相对动弹性模量稍高于60%，横向相对动弹性模量接近60%;300次冻融循环后，ECC的纵向与横向相对动弹性模量分别比混凝土和砂浆提高1.62～1.87 倍和1.61～1.79 倍.

4)在冻融循环试验过程中，ECC质量损失率随砂灰比的增加，逐渐增加;纵向与横向相对动弹性模量稍有增加，选用砂灰比为0.6的ECC较合理.

5)ECC的DF为63% ～70%，抗冻等级高于F300，可用于寒冷地区混凝土结构的维护与加固.

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