冻融作用下聚丙烯纤维混凝土力学性能

滕 飞，陈升平，段小龙

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

冻融破坏是混凝土结构的主要病害之一，我国北方地区大型混凝土结构常受到冻融循环作用而产生不同程度的破坏，因而混凝土的抗冻性能被看作寒冷地区混凝土耐久性最重要的指标之一［1］。混凝土冻融过程伴随着一定程度的混凝土力学性能衰退现象［2］，研究力学性能的衰减规律是分析混凝土冻融耐久性能的重要途径。

聚丙烯纤维具有抑制裂纹产生，阻止裂纹扩散，改善混凝土结构长期工作性能，提高结构耐久性等特点。聚丙烯纤维混凝土抗冻性能研究也得到许多国内外学者的重视，国内外在混凝土冻融性能方面已经取得了丰硕研究成果［3－13］，但纤维混凝土在冻融作用下的力学性能衰减规律及相关数学模型分析方面的研究较少。本文通过进行聚丙烯纤维混凝土冻融循环试验，对聚丙烯纤维混凝土抗冻性能进行研究。冻融循环后混凝土内部产生损伤，从宏观物理性能上来看，主要表现为动弹性模量的下降、表面剥落造成质量损失；从力学性能上来看，主要表现为抗压强度、抗折强度等力学性能指标的降低。本文通过改进相关力学性能随冻融次数衰减模型，在聚丙烯纤维混凝土冻融循环试验数据的基础上，对不同纤维掺量条件下混凝土的力学性能冻融衰减规律进行研究，通过试验数据拟合得出不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土抗压强度、抗折强度随冻融次数累积的衰减模型。

1 冻融试验概况

1.1 试验方法及试件设计

聚丙烯纤维混凝土设计强度等级C45，采用42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为中粗河沙，粗骨料采用最大粒径不超过20mm的页岩；聚丙烯纤维选择长度为19mm的细纤维。

混凝土配合比见表1。

表1 纤维混凝土配合比设计

按照配合比加入砂石水泥和聚丙烯纤维先干搅30s再加水搅拌，使纤维充分分散，搅拌均匀后装模，用湿布盖住，放置室温20±5℃，相对湿度大于50%的室内两昼夜，然后拆模，外观检查，编号，放入养护室内养护28d。

1.2 冻融试验

试验分为两个系列试件，对第一个系列试件测定其抗压强度，采用100mm×100mm×100mm混凝土试件；第二个系列试件用于测量相对动弹性模量、质量损失率以及抗折强度，尺寸为100mm×100mm×400mm，试件按0，0.75%，1.5%不同纤维体积掺量分为P1，P2，P3三组，做冻融循环试验，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082－2009）的快速冻融法，利用上海三好制冷设备厂的全自动冻融仪进行测试。在试验之前试件需在温度为20～25℃水中浸泡4d，并且在冻融试验的整个过程中处于完全浸水状态，每一次冻融循环时间为4h左右。试件在完全冻结时，其中心温度控制在－17℃左右；完全融化时，试件的中心温度控制在8℃左右。冻融循环次数每隔25次时，分别对每组不同掺量混凝土试件进行测量，最高冻融次数为200，试件尺寸为100mm×100mm×100mm的试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081－2002）做抗压强度试验，分别测量不同冻融循环次数下不同纤维掺量混凝土试件的抗压强度；试件尺寸为100mm×100mm×400mm的试件每冻融循环25次将试件取出测量一次，用共振法测其横向共振频率，用台秤称其质量，以便得出试件的相对动弹性模量和质量损失率；试件尺寸为100mm×100mm×400mm的试件每循环25次分别进行三点弯抗折试验测出不同纤维掺量不同冻融循环次数下的抗折强度。

2 试验结果及分析

2.1 实验现象

冻融循环次数为50次时，三组试件外观没有出现明显变化，只有少量薄皮脱落，纤维混凝土中聚丙烯纤维没有明显外露，试块的质量损失很小，甚至有些稍微增加的趋势，说明经冻融后混凝土表面出现细微裂纹，造成试块内部吸水，说明破坏程度较轻；当冻融循环到达100次时，试块表面的保护层开始明显剥落，剥落下来的粉末状残渣明显增多，纤维混凝土表面由于聚丙烯纤维的作用还残留没有完全脱落下来的碎块，开始裸露少量骨料；冻融循环150次，试块表面保护层大量剥落，内部骨料大部分已裸露在外，0.75%纤维掺量的试块表面损伤程度要明显好于素混凝土，由于聚丙烯纤维可缓解温度变化所引起的混凝土内部应力作用，阻止微裂缝的扩展，试件表面会残留大量已产生裂缝却没有完全脱落的结构，随着纤维掺量的增加，这一现象也越发明显，因而质量损失率也越小；冻融循环200次，试块表面保护层已基本完全剥落，内部骨料完全裸露，甚至有少量体积较小的骨料也脱落下来，内部纤维外露，产生大量粉末状残渣，随着纤维掺量的增加，试块表面损伤程度已没有明显区别。

2.2 质量损失率和相对动弹模

每冻融25次将试件拿出用台秤测量质量，用共振法测其横向共振频率；混凝土相对动弹性模量

其中:Pn表示经n次冻融循环后试件的相对动弹性模量，%；fn表示n次冻融循环后试件横向共振频率，Hz；f0表示冻融循环试验前试件横向共振频率，Hz。数据见表2。

表2 相对动弹性模量

混凝土冻融作用下的质量损失率

式中:G0为试块的初始质量；Gn为试块经n次冻融循环后的质量。试验数据见表3。

表3 质量损失率

图1、图2反映了随着冻融循环次数的积累聚 丙烯纤维对相对动弹性模量和质量损失率的影响。随着冻融循环次数的递增，材料的动弹性模量和质量不断损失，从图中可以看出，掺入聚丙烯纤维的P2，P3组，在冻融循环次数超过50次之后的每个阶段，其动弹模损失和质量损失要小于不掺纤维的混凝土，且高纤维掺量的材料其增益效果要高于低纤维掺量的材料。这说明掺入聚丙烯纤维可以有效改善混凝土材料的抗冻性能。冻融次数在0到25次之间，质量损失率不降反升，这是由于混凝土表面并未出现明显剥落，而表面裂缝开裂导致试件吸水所引起的。

图1 聚丙烯纤维混凝土在冻融循环作用下的相对动弹性模量

图2 聚丙烯纤维混凝土在冻融循环作用下的质量损失率

2.3 冻融作用下混凝土强度衰减规律

随着冻融循环次数的增长，材料的内部损伤逐渐累积，混凝土抗压和抗折强度也逐渐降低，图3、图4较为直观地反映了随着冻融循环次数的增加，不同聚丙烯纤维掺量的混凝土强度的变化趋势。对于抗压强度，0.75%纤维掺量的混凝土虽然在初始强度上有所增强，但是随着冻融次数的积累，强度衰减速度较快，冻融200次以后强度反而最低，而1.5%纤维掺量的试件，在不同冻融循环次数下强度都要高于不加纤维的混凝土，虽然递减速率上并没有明显慢于普通混凝土，但是掺加聚丙烯纤维确实能够增加混凝土在冻融循环条件下的抗压强度，且1.5%纤维掺量较0.75%纤维掺量拥有更好的抗冻性能。而如图5所示，相比抗压强度，加入纤维对于混凝土的抗折强度有着更为显著的效果，掺入纤维能够显著增加混凝土的抗折能力，两种不同纤维掺量对于混凝土的抗折强度影响却并不显著。总体来讲，加入聚丙烯纤维能够在强度方面显著增加材料的抗冻性能，但对于不同的强度类型，不同的纤维掺量所带来的强度增益也是不同的。对于抗压强度，1.5%掺量要优于0.75%掺量；对于抗折强度，0.75%掺量要略优于1.5%掺量。

纤维混凝土冻融循环作用下抗压强度，抗折强度变化规律见图3、图4。

图3 聚丙烯纤维混凝土在冻融循环作用下的抗压强度

图4 聚丙烯纤维混凝土在冻融循环作用下的抗折强度变化

3 冻融作用下纤维混凝土强度衰减模型

大量试验研究表明，混凝土强度与冻融次数可采用以下模型［13］

由于该模型需满足当N＝0时，A＝1的边界条件，不能很好地拟合强度随冻融次数的衰减规律，所以将该模型改进为

式中:f试件在冻融之前的强度，fD为冻融循环次数为N时混凝土的强度值；A、B是与材料、温度等有关的常数。

对式（1）等号两边两次取对数得

令ln ［ln （f/fD） ］＝Y，lnN ＝X，即式（2）可以写为一阶线性函数

将实测不同冻融次数下的材料抗压强度和抗折强度分别带入相关模型做线性回归及参数估计，材料参数及相关系数见表4、表5。

表4 材料抗压强度相关参数

图5 材料抗压强度衰减规律线性回归图

表5 材料抗折强度相关参数

图6 材料抗折强度衰减规律线性回归图

线性拟合相关系数R2均在0.95以上，说明纤维混凝土抗压强度和抗折强度均符合该模型。通过有关参数分别得出P1、P2、P3不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土的抗压强度衰减模型

不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土的抗折强度衰减模型

式中:fc、ft分别为试件在冻融之前的抗压强度、抗折强度，fDc、fDt分别为冻融循环次数为N 时混凝土的抗压强度、抗折强度。

但需要指出的是，本次试验数据中冻融循环次数均未超过200次，所以该模型无法预测材料破坏时的冻融循环次数。

由该力学性能衰减模型可以发现，1.5%纤维掺量的混凝土与普通混凝土具有相似的力学性能衰减规律，而0.75%纤维掺量的混凝土力学性能衰退速率较快。

4 结论

1）掺入聚丙烯纤维在结构上阻碍了混凝土内部水压力的渗透，从内部结构上增强了混凝土的抗冻性能；随着纤维掺量的增加，混凝土结构的质量损失率和动弹模的损失率随着冻融循环次数的累积而变缓，说明了掺入聚丙烯纤维可以很好地增加混凝土试件的抗冻性能。

2）掺入纤维能够提高混凝土在冻融循环作用下的强度，但随着冻融次数的累积，聚丙烯纤维对于混凝土抗压强度下降的阻碍并不是十分明显，但是掺入纤维可以显著提高抗折强度，纤维掺量对于抗折强度的提高作用不明显。

3）改进混凝土力学性能衰减模型，通过试验数据拟合，得出不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土抗压强度 、抗折强度衰减模型。通过分析相关系数，认为聚丙烯纤维混凝土冻融之后的抗压强度和抗折强度帅衰减规律比较符合该模型。

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