基于孔结构分形的混杂纤维混凝土抗冻性能研究

2021-12-15王春晓董建明李得胜

硅酸盐通报 2021年11期

王春晓，董建明，李得胜,2

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.长安大学,特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引言

混凝土作为最常用的工程材料，具有强度高、价格低廉、生产工艺简单、适用性强等显著优势，但其同时具有脆性高、韧性差的缺陷。随着目前高强混凝土的发展和应用，混凝土中的水灰比降低造成其韧性更低。研究者们发现在混凝土中加入纤维材料能显著改善混凝土的脆性，提高弯曲及断裂韧性[1-3]。目前常用的纤维种类从模量划分可分为两大类，高模高强纤维和低模低强纤维。钢纤维及聚丙烯纤维是工程中最常用的两种纤维材料。研究发现，不同种类纤维在混凝土中增韧作用发挥时效有所不同，聚丙烯纤维模量低，在混凝土早期抗塑性开裂时作用显著，而钢纤维则在后期受力时发挥关键的增加断裂韧性的作用[4-5]。相较于单一纤维的单一层次提高作用，混杂纤维则能多方面、多层次地改善和强化混凝土的性能。

孔祥清等[6-8]对钢-聚丙烯混杂纤维的力学性能进行了深入研究，发现与单掺钢纤维、单掺聚丙烯纤维的混凝土相比，钢-聚丙烯混杂纤维具有更高的抗冲击耗能、断裂韧性和断裂能，同时确定了最优的钢纤维及聚丙烯纤维掺量。张广泰等[9]研究了掺入锂渣的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗盐冻性能，发现与锂渣混凝土相比，混杂纤维能显著改善混凝土在盐侵蚀作用下的内部损伤，降低其强度损失率。朱安标[10]通过设置不同钢纤维与聚丙烯纤维的掺配比例，研究了不同钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的耐久性，建立了混杂纤维混凝土耐久性评价体系。结果表明，混杂纤维混凝土较单一纤维混凝土在抗冻及抗渗性中均表现出良好的混杂正效应。

综上，钢-聚丙烯纤维混凝土较单掺钢纤维或单掺聚丙烯的混凝土具有更优的力学性能和耐久性能。研究者们发现在纤维混凝土中引入粉煤灰能有效增加纤维与混凝土的界面黏结，提高其力学性能和耐久性。同时，纤维的掺入会在一定程度上改变混凝土内部的孔结构，而孔结构与抗冻性能关系极为密切。本文对冻融、盐冻循环前后不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土进行三点弯曲试验，并以峰值荷载及能量吸收值评价其抗冻性能，同时通过基于热力学关系的孔结构分形模型计算分形维数，建立混杂纤维混凝土冻融循环前后孔结构及弯曲韧性之间的关系。

1 实验

1.1 原材料

制备混杂纤维混凝土的材料组成如下：水泥选用42.5普通硅酸盐水泥；砂选用细度模数为2.5的河砂；粗骨料最大粒径为19.5 mm；粉煤灰选用河南郑州生产的Ⅰ级粉煤灰；钢纤维(wavy steel fiber, SF)选用河北衡水晟泽建材有限公司生产的长径比为50的波浪形钢纤维；聚丙烯纤维(polypropylene fiber, PPF)选用河北廊坊鹤翔建材有限公司生产的抗裂聚丙烯纤维。两种纤维的物理性能指标如表1所示。

表1 两种纤维物理性能指标Table 1 Physical properties of two fibers

1.2 混杂纤维混凝土配合比

试验采用的混凝土等级为C40，聚丙烯纤维质量掺量为0.9 kg/m3,钢纤维体积掺量为1.5%、粉煤灰掺量为0%的混杂纤维混凝土配合比如表2所示。试验设置6种粉煤灰替代率，分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%(质量百分比，下同)，在制备混杂纤维混凝土时，将其等质量替代水泥。

表2 混杂纤维混凝土配合比Table 2 Mixture ratio of hybrid fiber reinforced concrete /(kg·m-3)

1.3 试验方法

成型钢-聚丙烯纤维混凝土棱柱体试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，脱模后将其放入(20±2) ℃的水中浸泡至28 d，取出后擦干其表面水分，进行初始质量及动弹模量测定，测定完成后进行抗冻试验。每种粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土设置3个平行试件，测试结果取平均值。

1.3.1 抗冻性能试验

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)采用快冻法测试混杂纤维混凝土的抗冻性能，冻融循环温度为-18～5 ℃，冻融循环每完成25次后将试件取出擦干，测试试件质量及动弹模量。全部完成冻融循环后采用三点弯曲试验测试混杂纤维混凝土试件的弯曲韧性。

1.3.2 抗盐冻性能试验

考虑到冬季铺洒除冰盐对混凝土的破坏情况，参考混凝土快冻试验方法，将水溶液换为3.5%的氯化钠溶液，研究盐冻循环作用下混杂纤维混凝土的质量及强度变化规律。完成200次盐冻循环后，采用三点弯曲试验测试混杂纤维混凝土的弯曲韧性。

1.3.3 三点弯曲韧性试验

参考《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)采用三点弯曲试验测试冻融前后混杂纤维混凝土的弯曲韧性。仪器选用最大量程为100 kN的SANS静态加载万能试验机，加载速率为0.02 mm/min，三点弯曲试验示意图如图1所示。

1.3.4 孔结构测试

弯曲韧性测试完毕后，取3～5 mm混凝土小块清洗并烘干至恒重，采用Micromeritic Auto Pore IV 9510型全自动压汞测孔仪测定混杂纤维混凝土的孔结构。

2 结果与讨论

2.1 抗冻性试验

图2为不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土随冻融循环次数增加的质量损失率和相对动弹模量变化情况。分析可知，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量损失率逐步升高，说明混凝土表面逐步脱落，内部变得疏松，在冻胀力的作用下逐步损伤。经过300次冻融循环后，混杂纤维混凝土最大质量损失率均小于0.8%，远小于普通混凝土，说明钢纤维和聚丙烯纤维的掺入能有效降低混凝土在冻融循环过程中的质量损失。

图2 不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土冻融循环质量损失及相对动弹模量变化Fig.2 Mass loss and relative dynamic elastic modulus in freeze-thaw cycle of hybrid fiber reinforced concrete with different fly ash content

随着粉煤灰掺量的增加，混杂纤维混凝土的质量损失率整体呈现先降低后升高的趋势。粉煤灰掺量由0%增加至15%时，混杂纤维混凝土的质量损失率持续降低，继续增加粉煤灰用量至20%，混杂纤维混凝土的质量损失率开始升高，25%粉煤灰替代率的混杂纤维混凝土在100～200次冻融循环过程中质量损失率甚至高于基准混凝土。粉煤灰掺量为15%的混杂纤维混凝土在冻融循环全过程均具有最小的质量损失率。通过图2(b)分析不同粉煤灰替代率的混杂纤维混凝土的相对动弹模量随冻融循环次数的变化趋势可知，在0～100次冻融循环过程中，10%粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土相对动弹模量最高，继续增加冻融循环次数至200次，5%粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土相对动弹模量保留最多，冻融循环末期15%粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土相对动弹模量最高。整体上来说，当粉煤灰掺量高于20%后，混杂纤维混凝土的质量损失率开始提升，相对动弹模量开始降低。

为评价冻融循环作用对混杂纤维混凝土韧性的影响，采用三点弯曲韧性测试冻融前及300次冻融循环后混杂纤维的弯曲韧性，得到其荷载-挠度曲线如图3所示。

图3 冻融循环前后混杂纤维混凝土荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curves of hybrid fiber reinforced concrete before and after freeze-thaw cycles

由图3可以看出，混杂纤维混凝土在弯曲荷载作用下表现出优异的韧性，有别于普通混凝土明显的脆性破坏曲线，混杂纤维混凝土在达到峰值荷载后，荷载挠度曲线下降缓慢。掺入粉煤灰后，混杂纤维混凝土的峰值荷载略有下降，主要是由于粉煤灰替代了部分水泥，造成早期水化反应降低。掺入粉煤灰能使混杂纤维混凝土的曲线下降段更加延展，粉煤灰掺量为5%～15%的混杂纤维峰值挠度高于0%粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土，同时前者能量吸收值大于基准混凝土。粉煤灰的填充作用使得纤维与混凝土的整体结构更加密实，两者之间黏结强度相应提升，在受到外力作用时，纤维更难从混凝土中拔出，能吸收更多的能量。冻融后的混杂纤维混凝土峰值荷载明显下降，但仍然表现出较好的延性破坏特征。

表3为冻融循环前后混在纤维混凝土的弯曲韧性测试结果，分析表3数据可以得出，经过冻融循环后混杂纤维混凝土的峰值荷载最高下降42.47%，下降率最低的为粉煤灰替代率为10%的混杂纤维混凝土。

表3 冻融前后混杂纤维混凝土弯曲韧性特征值Table 3 Test results of bending toughness of hybrid fiber reinforced concrete before and after freeze-thaw cycles

2.2 抗盐冻试验

不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土随盐冻次数增加的质量损失率及相对动弹模量变化规律如图4所示。对比混杂纤维混凝土经过冻融循环后的质量损失及相对动弹模量变化规律可知，盐溶液对混凝土的损伤更大，仅经过200次循环，混杂纤维混凝土的质量损失率及相对动弹模量的下降均高于水冻循环。同时，混杂纤维混凝土的质量损失率在100次循环后有显著增大。粉煤灰掺量在5%～15%时，混杂纤维混凝土随盐冻循环次数增加的质量损失率及相对动弹模量均高于不掺粉煤灰的混杂纤维混凝土。主要是由于粉煤灰的填充作用细化了混凝土中的孔结构，阻断了盐溶液渗入的通道，减小了混凝土内部的渗透压及结冰压。钢纤维及聚丙烯纤维的掺入不可避免地引入了更多孔隙，当盐溶液通过表面裂缝进入混凝土内部时，孔隙水结冰压造成混凝土内部地损伤，粉煤灰的掺入弥补了这一缺陷。而过多的掺入粉煤灰一方面降低了混凝土强度，也降低了纤维与混凝土的黏结强度，使其在混凝土中成为薄弱点，增大了盐冻破坏的可能。

图4 不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土盐冻循环质量损失率及相对动弹模量变化Fig.4 Mass loss rate and relative dynamic elastic modulus in salt-freeze-thaw cycle of hybrid fiber reinforced concrete with different fly ash content

盐冻循环后，采用三点弯曲试验评价混杂纤维混凝土的剩余弯曲韧性，受弯过程中的混凝土荷载-挠度曲线如图5所示，从图中提取峰值荷载及能量吸收值评价混凝土韧性，结果如表4所示。对比盐冻循环前后混杂纤维混凝土的荷载-挠度曲线可以看出，混杂纤维混凝土仍具有良好的延性破坏特征。随着粉煤灰掺量的增加，盐冻循环后混杂纤维混凝土的峰值荷载先增加，直至粉煤灰掺量增至20%时，混凝土的峰值荷载开始降低。粉煤灰掺量为25%的混杂纤维混凝土峰值荷载仅为7.73 kN，其荷载-挠度曲线的下降段也较为陡峭，且荷载-位移曲线所围面积也最小，说明混凝土出现宏观裂缝后纤维增韧作用减弱。分析原因在于当粉煤灰掺量由5%增至15%时，混杂纤维混凝土内部逐渐密实，纤维与砂浆之间的孔隙部分被粉煤灰填充，两者黏结性以及整体结构的致密性均不断增高。当粉煤灰掺量超过15%后，一方面粉煤灰早期水化作用不明显，降低了纤维砂浆界面及混凝土的早期强度，同时过多的粉煤灰相当于混凝土中引入的杂质，混凝土整体受力薄弱点增多。盐冻循环过程中，孔隙水压力逐渐使混凝土内部薄弱区疏松破坏，在后期承受荷载作用下，混杂纤维混凝土整体强度下降，纤维也极易拔出失效。

图5 盐冻循环前后不同混杂纤维混凝土荷载-挠度曲线Fig.5 Load-deflection curves of hybrid fiber reinforced concrete before and after salt-freeze-thaw cycles

表4 盐冻循环前后不同混杂纤维混凝土弯曲韧性特征值Table 4 Test results of bending toughness of hybrid fiber reinforced concrete before and after salt-freeze-thaw cycles

2.3 孔结构

孔结构分形维数计算模型多依据测定方法而建立，Zhang等[11]于1995年提出基于热力学关系的分形模型，由于其模型的构造过程与压汞法的测试过程极为相似，因而在分析压汞法得出的孔结构数据方面得到广泛应用，其准确性也在相关论文[12-13]中得到有效验证。模型的计算公式如公式(1)所示：

(1)

不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土冻融前孔结构的分形维数计算结果如图6所示。图6中所示计算结果表明，采用此种计算模型得到的分形维数结算结果可靠，其相关系数均为0.99以上。

图6 不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土孔分形维数计算结果Fig.6 Caculation results of Ds of hybrid fiber reinforced concrete with various fly ash content

表5为混杂纤维混凝土冻融前后孔结构参数及分形维数计算结果，其中孔结构参数包括孔隙率和孔径分布占比。吴中伟院士将混凝土中的孔分为四类，分别为无害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)及多害孔(>200 nm)[14]。

表5 混杂纤维混凝土的孔径分布及孔分形维数Table 5 Aperture distribution ratio and Ds of hybrid fiber reinforced concrete

分析表5可以看出，粉煤灰的掺入增大了混杂纤维混凝土的分形维数，同时显著增加了混凝土中无害孔和少害孔的比例，说明粉煤灰优化了混杂纤维混凝土中的孔径分布，将大孔结构变为小孔，增大了混凝土内部孔结构的复杂程度。这主要是由粉煤灰的微集料填充效应造成的。粉煤灰掺量增至20%时，混凝土分形维数开始降低，无害孔和有害孔比例也下降，与弯曲韧性变化趋势一致。经过300次冻融循环后，混杂纤维混凝土的无害孔及少害孔比例、孔隙率及分形维数均有降低，这主要是由于冻融循环作用产生的结冰压使得混凝土内部孔径不断扩展。经过盐冻循环后的混杂纤维混凝土孔隙率进一步增大，其内部无害孔、少害孔比例进一步降低，说明氯离子加速了冻融循环过程对混凝土内部的损伤作用，这一结果与盐冻循环后混杂纤维混凝土弯曲韧性测试结果一致。

图7为分形维数与无害少害孔比例及多害孔占比的关系，通过分析孔隙率及不同孔径分布占比与分形维数的关系可知，分形维数与孔隙率相关性不高，而与孔径小于50 nm的无害少害孔总占比以及孔径大于200 nm的多害孔占比密切相关，线性关系见图7所示。分析图7可以发现，分形维数随无害少害孔比例增加而增加，随多害孔比例增加而降低，因而在一定条件下可通过分形维数判断混凝土内部孔径分布情况。

图7 分形维数与无害少害孔比例及多害孔占比的关系Fig.7 Relationship between Ds and porosity of harmless and less harmful pores and more harmful pores

混凝土冻融循环破坏与内部孔结构关系极为密切，图8为混杂纤维混凝土分形维数与弯曲韧性测试中峰值荷载的关系。从图8中拟合结果可知，分形维数与峰值荷载呈线性相关，且相关系数较高。混杂纤维混凝土在冻融前、后及盐冻循环后的峰值荷载均随孔分形维数增大而增大，这主要由于分形维数与无害少害孔比例呈现正相关，分形维数越大，无害少害孔比例越高，混凝土抵抗冻融破坏能力越强，因而性能保留越多，弯曲荷载作用下峰值荷载越高。

图9为粉煤灰掺量为5%～25%的混杂纤维混凝土冻融循环前、后及盐冻循环后分形维数与能量吸收值的相关关系。分析图9可知，不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土冻融循环前后的分形维数与能量吸收值具有显著的正相关关系，混杂纤维混凝土的分形维数越大，弯曲荷载作用下的能量吸收值越大，韧性越好。15%粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土分形维数最高，因此其冻融循环后的能量吸收值最大。