冻融循环对钢纤维混凝土动力性能的影响研究

2021-08-25熊小斌

水资源与水工程学报 2021年3期

周涛，熊小斌，李岩

(1.国家电力投资集团有限公司大坝管理中心，陕西西安 710061； 2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048)

1 研究背景

钢纤维混凝土具有强度高和韧性好的特点，广泛应用于土木和水利工程。钢纤维混凝土在寒冷地区服役期间，需要承受冻融循环和动力荷载的双重作用。由于冻融循环作用对钢纤维混凝土造成不同程度的劣化，势必对其动力性能产生不利的影响，严重影响钢纤维混凝土结构的正常使用和安全运行。因此冻融循环对钢纤维混凝土动力性能的影响研究意义重大。

迄今为止进行了许多关于钢纤维混凝土性能的研究。力学性能方面，赵冬雪等[1]发现钢纤维能够增强自密实混凝土的抗拉性能和劈裂强度。杨松霖等[2]发现不同钢纤维种类和掺量组合对钢纤维混凝土的抗压强度、抗弯强度和弯曲韧度会产生不同程度的优化效果。张颖等[3]研究了不同钢纤维掺量对高强混凝土轴心抗拉强度的影响，发现钢纤维能提高混凝土的韧性，并建立了轴拉应力-应变曲线数学表达式。纤维混凝土良好的抗裂能力和韧性归功于纤维的阻裂性能[4]。钢纤维混凝土动力性能方面，王志亮等[5]通过常规三轴压缩试验对钢纤维混凝土进行强度和韧度研究，发现钢纤维体积分数增加，峰值应力和峰值应变明显提高。仵鹏涛等[6]研究了超高性能混凝土动态抗压强度受钢纤维的影响，发现钢纤混凝土动态强度和韧度受钢纤维掺量的影响显著。Ren等[7]对掺有钢纤维的超高性能水泥基复合材料进行分离式霍普金森压杆试验，发现极限动态韧性随钢纤维含量的增加而增加。彭刚等[8]采用常规三轴动态压缩试验对不同围压和钢纤维掺量的混凝土动态压缩性能进行分析并得到了修正后的动态常三轴压缩作用下应力-应变全曲线。潘慧敏等[9]通过落锤冲击试验，研究了钢纤维在冲击荷载下的增韧和阻裂机理。Jin等[10]对钢纤维超高强度混凝土动、静态力学性能进行试验研究，在高应变率情况下超高强度钢纤维混凝土展现出良好的吸能能力和压缩韧性。彭帅等[11]发现钢纤维混凝土动态抗压强度在高温状态下大幅度降低，但能相比普通混凝土能保持较好的抗冲击性能。钢纤维混凝土力学性能受冻融循环影响方面，Zhang等[12]发现冻融循环降低了钢纤维混凝土的冲击强度，尤其在250次冻融循环后下降显著。朱晨飞等[13]和杨益等[14]研究了钢-玄武岩混杂纤维对混凝土冻融耐久性的影响并建立了冻融损伤模型。牛荻涛等[15-16]发现钢纤维能有效增强混凝土抗冻融耐久性，并从微观角度讨论孔径分布特征对抗冻融耐久性的影响。Wang等[17]发现钢纤维能显著提高喷射混凝土早期抗压强度，密实内部结构使得喷射混凝土具备良好的抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀性能。乔宏霞等[18]研究了钢纤维的两种掺混方式对混凝土抗冻性的影响，发现层布式掺混比整体式更佳。纤维在一定掺量范围内会增强混凝土抗冻性，过多掺入会对混凝土整体性能带来负面影响[19-20]。

综上所述，国内外研究主要集中在钢纤维混凝土的静态力学性能方面，大量的钢纤维混凝土动力性能研究并未考虑冻融循环作用的影响。而在严寒地区，钢纤维混凝土在经历动力荷载前结构已经遭受冻融循环的损伤作用。因此，本试验考虑应变速率以及冻融循环次数，并采用常规三轴试验探究冻融循环作用对钢纤维混凝土动力性能的影响，以期为寒冷地区钢纤维混凝土结构的设计提供一定的参考依据。

2 试验概况

2.1 试验材料

本试验中P.O 42.5R普通硅酸盐水泥来自陕西秦岭水泥厂，物理力学性能见表1；灞河中砂作为细骨料，碎石作为粗骨料具体性能指标如表2所示；钢纤维为苏州史尉康弯钩型钢纤维，其形状及相关性能指标如表3所示；西安市红旗外加剂厂聚羧酸减水剂，三萜皂甙高效引气剂；养护和拌和水为自来水。

表1 试验用水泥物理力学性能

表2 试验用骨料性能指标

表3 试验用钢纤维性能指标

2.2 试验配合比设计

本试验参照《钢纤维混凝土》(JG/T 472—2015)规范，根据现场调试，进行配合比设计，材料的具体配合比如表4所示。SF0为没有掺入钢纤维的混凝土，SF10和SF20分别为掺有1.0%和2.0%钢纤维的混凝土。

表4 钢纤维混凝土配合比

2.3 试验主要设备和方法

参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行冻融试验，采用TDR-28V快速冻融试验机。标准养护室内养护钢纤维混凝土24 d，然后放入18～22 ℃的水中浸泡4 d，之后进行快速冻融试验，每50次冻融循环后取出目标试件进行常规三轴压缩试验。

本试验采用DTD-2000 kN粗粒土动静三轴试验仪进行动力试验，该设备最大垂直出力可满足2 000 kN。本试验采用常规三轴试验法，参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)试件为Φ100×200 mm圆柱体，采用围压为5 MPa，试验设计应变速率为10-5/s(准静态应变速率)、10-4/s、10-3/s和10-2/s 4种，每种应变速率下，每组均为15个试件，每50次冻融循环试验一次，每次3个试件。将经历过规定冻融循环次数的试件放置在试验仪器上，将透水垫片分别放在试件的上下两端之后用热缩套将压头、圆柱体试件和透水垫片套住并用热风枪进行加热使其与混凝土试件贴合。调试位移传感器之后进行三轴压缩试验。试验中用规定的应变速率进行荷载施压，全过程采用位移控制并且要求均匀连续进行，最终达到试件失效，之后分别采集SF0、SF10和SF20的轴向极限抗压强度和轴向位移的数据。

本试验采用捷克TESCAN公司VGEA3扫描电镜试验系统对冻融循环作用前后的钢纤维混凝土进行微观分析。取试件破碎后的微小颗粒作为观察样本(直径≤25 mm，厚度≤20 mm)，放置于载物盘，准备完毕后将样本放置于扫描电镜中观察。

3 试验结果与分析

3.1 试件破坏过程及形态

图1、2和3分别为SF0、SF10和SF20三轴压缩试验后冻融损伤试件的表观形貌。0～50次冻融循环试件表面相对完整，没有明显的损伤变化。100～200次冻融循环试件表面砂浆剥落逐渐明显并伴随少量钢纤维外露，表面微小孔隙和裂缝增多且麻面区域增大，由此可知钢纤维混凝土试件表面劣化程度随着冻融循环次数增多而加重。动态三轴压缩试验后，经历不同冻融循环次数的钢纤维混凝土破坏形式基本一致，都以一条倾斜的主裂纹贯穿试件。这是因为钢纤维和围压的约束作用阻碍了垂直裂纹的发展，使试件主要以斜剪破坏模式破坏。

图1 各冻融次数下SF0表观形貌

由于SF0没有钢纤维的约束作用，裂纹向四周发展贯穿路径形态更加破碎，裂缝宽度更大。0～50次冻融循环后主裂纹宽度较小破坏不明显，冻融循环次数增加导致破坏后的裂缝宽度逐渐增大且破坏截面面积增加。原因是冻融循环作用损伤了钢纤维混凝土内部结构并增加了薄弱区域，导致轴向极限抗压强度逐渐降低。由于钢纤维的搭接效应，破坏后的试件整体结构仍保持相对较好的完整性。相比于SF10，SF20由于钢纤维与水泥基质之间的粘结性降低，导致斜剪破坏截面面积增大。

图2 各冻融次数下SF10表观形貌

图3 各冻融次数下SF20表观形貌

3.2 轴向极限抗压强度分析

图4为钢纤维混凝土在不同应变速率作用下，SF0、SF10和SF20的轴向极限抗压强度随冻融循环次数的变化规律。由图4可知，冻融循环破坏降低了轴向极限抗压强度，而且不同冻融循环阶段强度损失率不同。以SF10在应变速率为10-3/s情况下为例，0～100次冻融循环强度损失率为7.75%，100～200次达到21.56%。在100次冻融循环前轴向极限抗压强度的下降幅度较为缓慢，大于100次后降低趋势明显增大。分析其原因为由于砂浆、骨料和钢纤维之间的热膨胀系数差异，在反复冻融过程中存在于三者界面之间的裂纹会不断扩散，界面和水泥基质中的微裂纹和孔隙数量不断增加，裂纹相互贯通，钢纤维混凝土内部损伤程度更为严重，轴向极限抗压强度降低幅度增大。

图4 SF0、SF10和SF20轴向极限抗压强度与冻融循环次数的关系

应变速率10-5/s下，200次冻融循环后SF0、SF10和SF20轴向极限抗压强度相比0次冻融循环，分别降低了40.49%、30.90%和36.01%，结果表明钢纤维掺量增加减少了冻融循环后混凝土轴向极限抗压强度的降低幅度，这说明钢纤维提高了混凝土的抗冻性，且SF10组极限抗压强度减小程度最低，可知掺加1%的钢纤维对混凝土抗冻性提高最优。SF10经历200次冻融循环后，在应变速率分别为10-4/s、10-3/s和10-2/s下，相比于准静态应变速率轴向极限抗压强度分别增加了8.32%、12.06%和16.97%。结果表明，钢纤维混凝土轴向极限抗压强度随着应变速率的增大而增大。原因在于冻融循环作用后钢纤维混凝土的应变速率强化效应，混凝土内部裂纹的延伸速度随着应变速率的增加而变快，裂纹来不及在水泥基质中扩展延伸而贯穿粗骨料导致强度增大。

3.3 轴向峰值应变分析

图5为不同应变速率下冻融循环次数对SF0、SF10和SF20组轴向峰值应变的影响。由图5可以看出，SF10在应变速率为10-2/s下经过50、100、150和200次冻融循环后，相比于0次冻融循环轴向峰值应变分别增加了6.45%、14.73%、26.23%和35.77%，轴向峰值应变随着冻融循环次数增多而增大。因为冻融循环的作用，钢纤维混凝土内部孔隙水冻结产生的膨胀应力导致孔隙周围的裂缝得到发展，孔隙结冰水融化后孔隙率增大，混凝土内部结构形成较大的可压缩空间，所以冻融循环次数越多外压力下混凝土的变形量越大。

图5 混凝土轴向峰值应变随冻融循环次数的变化规律

准静态应变速率下，SF10经过50、100、150和200次冻融循环后，轴向峰值应变相比未经冻融破坏分别增加了5.84%、15.80%、27.09%和39.35%；应变速率为10-2/s情况下，分别增加了5.45%、14.73%、26.23%和35.76%。结果表明相同冻融循环次数下，钢纤维混凝土的轴向峰值应变在低应变速率下的增长幅度更大。分析原因是在低应变速率情况下，内部孔隙和裂缝有足够的时间完成闭合，可变形空间被充分压缩，形成较大的形变。当混凝土处于高应变速率状态下，内部缺陷来不及充分的发展和密实，试件便已经破坏，所以轴向峰值应变值相对较小。在准静态应变速率下，200次冻融劣化后SF0、SF10和SF20的峰值应变比未冻融分别增加了42.06%、39.34%和40.50%，SF10组峰值应变增加最小。可以看出钢纤维减小了冻融循环后混凝土峰值应变的增长幅度。这是因为钢纤维的桥接作用，更有效地保证了冻融损伤后结构的完整性，SF10呈现出最佳的抗冻融损伤能力。

3.4 应力-应变曲线分析

应变速率为10-3/s，SF10应力-应变曲线在不同冻融循环次数下的变化如图6所示。由图6可知冻融循环次数递增导致轴向峰值应变点后移且轴向极限抗压强度点降低，应力-应变曲线整体逐渐后移和下降而且曲线与横坐标所包围的面积逐渐减小，在100次冻融循环后减小程度更加明显。这反映出钢纤维混凝土经受冻融循环作用后吸收能量的能力下降且韧性变差。在0～100次冻融循环，钢纤维混凝土应力-应变起始阶段基本呈直线上升趋势；150～200次冻融循环，起始处出现明显的反弯段，冻融循环次数递增导致应力-应变曲线起始段与横坐标的夹角逐渐减小。这是因为冻融循环作用加重了钢纤维混凝土内部结构的损伤劣化程度，引起大量裂纹的产生，导致在外部作用力下，可变形空间增大，相比于未经受冻融循环的钢纤维混凝土，冻融劣化后达到相同的应力需要更大的应变。当外荷载加载到一定程度混凝土内部裂纹和孔隙被压实可变形空间减小，产生相同应变需要更大的应力，应力-应变曲线斜率增大出现反弯段。

图6 SF10试件不同冻融循环次数下的应力-应变曲线图7 混凝土200次冻融循环后的应力-应变曲线

SF0、SF10和SF20经过200次冻融循环后应力-应变曲线如图7所示。SF10和SF20的应力-应变曲线相似，但是和SF0的应力-应变曲线相比，曲线趋势延后，下降段延长。原因是钢纤维对混凝土的增韧效应，混凝土内部能量的释放得到了缓冲，延缓了混凝土破坏过程。

3.5 钢纤维混凝土微观分析

分别取SF0、SF10和SF20经过0次和200次冻融循环后的试块进行电镜扫描分析，扫描结果如图8所示。未经冻融循环作用的SF0存在微裂纹，而SF10内部结构密实，颗粒分布紧密且微裂纹少(图8(a)、8(c))。200次冻融循环后，SF0和SF10内部呈现出不同状态的微观损伤形貌。SF0观察到结构内部的微裂纹和孔洞的数量明显增多，微裂纹宽度变大并向周围扩展，裂纹之间相互贯通形成松散片状结构(图8(b))；SF10内部结构完整性更好，裂缝和松散结构较少(图8(d))。可以看出适量的钢纤维掺量可增强混凝土的抗冻性。原因在于钢纤维的保水性能促进了混凝土水化反应使其内部结构更加致密[21]。而且相互联结交错的钢纤维形成网状结构，有助于缓解裂缝尖端区域的应力集中，约束了在冻融循环过程中微裂纹的形成和发展。根据电镜扫描结果分析，SF10组中钢纤维改善了混凝土内部微观结构，增强了混凝土抗冻融性能，这与3.2节冻融循环后SF10组轴向极限抗压强度降低程度相比SF0减少相互对应。

当2.0%钢纤维掺入时，钢纤维和水泥基体之间呈现出一定的粘结效应，但是过量的钢纤维无法被足量的水泥浆包裹，钢纤维发生团聚现象增大了钢纤维混凝土内部孔隙率，结构薄弱区域增多导致混凝土更容易遭受冻融破坏(图8(e))。经历200次冻融循环后，钢纤维-基体界面过渡区存在较大的裂缝和松散的结构，水泥基体剥落导致钢纤维裸露使其失去约束效应(图8(f))。钢纤维-基体界面过渡区将会成为冻融循环过程中微裂纹产生和发展的薄弱区域，过量掺入钢纤维导致桥接作用减弱对混凝土抗冻性能将会带来负面影响，这与3.3节中200次冻融循环后SF20峰值应变增长幅度大于SF10峰值应变增长幅度相互联系。