冻融循环作用对纤维混凝土界面过渡区性能影响研究

马宝富

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

1 引言

混凝土是由胶凝材料、骨料、细集料组成的多相复合材料，不同相如水化产物、净浆、砂浆、骨料之间的尺寸跨度巨大， 造成内部存在诸多界面结构[1-4]。 研究指出，界面过渡区存在较多氢氧化钙，结构疏松多孔，是混凝土受荷载作用时的薄弱环节[5-6]，因而提高混凝土界面过渡区力学性能是改善混凝土力学及耐久性的有效措施之一。 纤维能有效分散混凝土内部收缩及外部应力作用，改善混凝土脆性，矿物掺合料能提高纤维与混凝土之间的界面粘结性[7-9]。 本文通过研究纤维及矿物掺合料对混凝土不同冻融循环次数下界面区的影响，得出界面过渡区的物理及力学性能变化规律，为纤维混凝土抗冻性能的提高提供数据支撑。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

（1）水泥：试验采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，各项指标经检测均符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的要求。

（2）粉煤灰：试验采用广西南宁生产的II 级粉煤灰，其技术指标经检测均满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的规定。

（3）细集料：试验用细集料采用普通河砂，细度模数为2.4，泥块含量、坚固性经检测均符合《建设用砂》（GB/T14684-2011） 的规定， 表观密度为2490 kg·m-3。

（4）粗集料：试验用粗集料选用人工碎石，碎石级配分为4.75～9.5 mm 及9.5～19 mm 2 档， 掺配比例为4∶6。

（5）外加剂：试验级配所用外加剂为广西亚仔有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂， 减水率为23%，含固量为25%。

（6）聚丙烯纤维（PPF）：物理性能指标如表1所示。

表1 聚丙烯纤维物理性能

（7）混凝土级配组成

试验用混凝土强度为C40， 水胶比为0.35，试验级配分为2 种，一种为仅掺纤维的基准纤维混凝土， 另一种为复掺纤维和矿物掺合料的混凝土，拌制时采用粉煤灰替代水泥， 胶凝材料总质量不变，基准纤维混凝土级配组成表2。

表2 基准纤维混凝土级配组成

2.2 测试方法

（1）抗压强度

纤维混凝土抗压强度根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GBT50081-2002）的规定，采用（150×150×150）mm 的立方体试件进行测试。冻融循环后，将试件表面浮渣擦拭完毕后进行立方体抗压强度测试。

（2）电镜扫描-能谱分析（SEM-EDS）

经过抗压强度测试过后，取压碎试样进行电镜扫描测试。 试验采用扫描电子显微镜及能谱分析仪对纤维混凝土的界面过渡区厚度进行判定，过程如图1 所示。 首先采用扫描电镜将试件放大至一定倍数后找到界面过渡区，接着以界面过渡区边界为起点定点，采用能谱分析仪对界面区一定距离范围内点的元素进行定量分析，确定钙硅比突变点即为界面过渡区边界。

（3）纳米压痕技术

纳米压痕技术是通过将特定尺寸的压头压入试件表面，记录压力-位移曲线，如图2 所示，从而确定测点处的硬度值，纳米压痕测试压头加载及卸载速率均为100 mN/s。

图1 界面过渡区厚度确定示意图

图2 纳米压痕荷载-位移曲线图

3 试验结果与讨论

3.1 抗压强度

抗压强度是衡量混凝土内部损伤程度的重要表征，图3 为经过不同冻融循环次数下的纤维混凝土抗压强度变化。 由图可知，随冻融次数增加，混凝土抗压强度逐渐下降。 冻融过程中由于结冰压和渗透压的不断增大，造成混凝土内部裂缝和孔结构的扩展， 从而影响了混凝土的强度。 同时还可发现，100 次冻融循环内，混凝土强度降低率稍低，当冻融循环次数超过150 次后， 混凝土强度开始显著下降。 为研究矿物掺合料对纤维混凝土冻融循环过程中强度降低的改善效果， 设置了6 种粉煤灰替代率，研究其经过150 次冻融循环后的混凝土强度变化，结果见图4 所示。 分析可知，一定质量的粉煤灰的掺入能有效改善混凝土由于冻融循环造成的强度损伤， 与不掺粉煤灰的纤维混凝土相比， 掺入15%粉煤灰的纤维混凝土150 次冻融循环后的抗压强度可提高11.88%。

图3 不同冻融循环次数下纤维混凝土的抗压强度

图4 不同粉煤灰掺量下纤维混凝土的抗压强度

3.2 界面过渡区厚度

研究表明，混凝土界面区厚度范围在5～100 μm内，界面区厚度越大，氢氧化钙富集程度越高，界面力学性能越差[10]。

图5 为经过不同冻融循环次数后的纤维混凝土界面区厚度变化，从图中数据可以发现，随冻融循环次数增加， 纤维混凝土界面区厚度逐渐加宽。纤维与混凝土粘结界面存在孔隙，冻融循环过程中的混凝土内部孔隙受到冻胀力作用，界面区结构疏松多孔，在冻融循环作用下更易受损[11]，导致界面区厚度不断扩张。 不同矿物掺合料掺量的纤维混凝土界面区厚度结果如图6 所示，结果表明，不掺粉煤灰的纤维混凝土界面过渡区厚度最大， 说明纤维与混凝土之间存在明显的薄弱带， 而粉煤灰由于颗粒粒径小于水泥， 能更好地填充于纤维于混凝土接触界面上，降低界面区孔隙率，从而减小界面区厚度[12]。

图5 不同冻融循环次数下纤维混凝土的界面区厚度

图6 不同粉煤灰掺量下纤维混凝土的界面区厚度

3.3 界面过渡区硬度

混凝土界面过渡区内的物质主要包括未水化的水泥颗粒、高密度水化硅酸钙、低密度水化硅酸钙、氢氧化钙等，界面区显微硬度值取决于水化程度、界面区水灰比等。 经过冻融循环后的纤维混凝土界面过渡区硬度变化如图7 所示， 结果表明，冻融循环作用显著降低了混凝土界面区的力学性能，其显微硬度值较未冻融的混凝土降低了12.35%。

图7 不同冻融循环次数下纤维混凝土的界面区硬度

谢瑞峰[13]研究发现，冻融循环过后，钢纤维混凝土界面区上的微孔隙结构明显增加， 主要表现为30 μm 的胶孔增多，且高低密度水化硅酸钙的体积分数随冻融循环次数增加显著降低， 因而界面区的显微硬度出现降低趋势。 图8 为不同粉煤灰掺量的纤维混凝土经过150 次冻融循环后的显微硬度变化，分析图可知，粉煤灰的掺入有效改善了界面区的显微硬度值， 原因可能在于粉煤灰后期水化填充了界面区的孔隙，降低了胶孔含量，导致在受到冻融循环作用时，薄弱区内的微孔和微裂缝数量减少。

图8 不同粉煤灰掺量下纤维混凝土的界面区硬度

3.4 抗压强度与界面区特征参数的相关性分析

图9、10 为纤维混凝土抗压强度与界面区厚度、显微硬度的关系。 从图中可以看出，混凝土的宏观性能与内部界面区有密切的关联性，界面区厚度越大、显微硬度越小，混凝土的宏观抗压强度越低。

图9 混凝土抗压强度与界面区厚度的关系

图10 混凝土抗压强度与界面区硬度的关系

4 结论

（1）冻融循环作用加速了纤维混凝土内部界面区性能的劣化，随冻融循环次数增加，界面区厚度逐渐加大，界面区硬度值逐步降低；

（2）粉煤灰能显著改善纤维混凝土由于冻融循环造成的界面区性能劣化,粉煤灰掺量为15%时，纤维混凝土界面区厚度最小且硬度值最高；

（3）冻融循环作用下，纤维混凝土抗压强度与界面区厚度及硬度关系较为密切,界面区宽度越小、硬度越高，混凝土抗压强度越高。