冻融循环作用下的钢纤维混凝土性能研究

范永康

（武汉投控检验检测有限公司，湖北 武汉 430000）

混凝土是全球使用最广泛的结构材料之一，其强度和耐久性对于建筑物的安全性和使用寿命至关重要。然而，传统的混凝土在面对一些复杂环境或高强度荷载时，往往会出现裂缝，从而导致其性能下降。因此，为了提高混凝土的抗裂性能和耐久性，科研人员开发了钢纤维混凝土。钢纤维混凝土作为一种复合材料，可以有效改善混凝土的各项力学性能指标［1-3］，已被广泛应用在桥梁、水工建筑、道路等领域［4-5］。但是钢纤维混凝土在低温条件下，冻融作用是导致其结构损伤的主要原因［6］。因此，冻害地区钢纤维混凝土的耐久性能引起了众多学者的广泛关注［7-8］。

1 实验

1.1 原材料及配比

实验用原材料为水泥 ［P·Ⅰ42.5 硅酸盐水泥（旋窑），抚顺水泥股份有限公司］、河砂（细度模数为2.8，含泥量为0.5%，集配满足GB/T 14684—2022Ⅱ区要求）、碎石（公称粒径为5 mm～20 mm，采用二级配，粒径5 mm～10 mm 的质量含量∶粒径10 mm～20 mm 的质量含量=4∶6，满足连续集配要求，针片状含量为5%，孔隙率为46%，含泥量为0.3%）、外加剂（武汉苏博新型建材有限公司，标准型高性能减水剂）、钢纤维［湖北乾道新型材料有限责任公司，端钩型，60 mm×0.75 mm，公称抗拉强度满足《混凝土用钢纤维》（GB/T39147—2020）中1 000 级要求］和自来水。实验中按照不同钢纤维添加量分别设计了6组混凝土配比，见表1。

表1 不同混凝土材料配比

1.2 实验设备

主要实验设备为2 000 kN 数字式压力试验机（1 级，无锡市德佳意试验仪器有限公司）、100 kN 微机控制电液伺服万能试验机（0.5 级，深圳万测试验设备有限公司）、砼快速冻融试验机（天津建筑仪器试验机有限公司）、动弹仪（天津建筑仪器试验机有限公司）和混凝土试验用搅拌机（无锡建仪仪器机械有限公司）。

1.3 实验过程

本实验在拌合钢纤维混凝土过程中，先将钢纤维河砂和碎石投入搅拌机，搅拌30 s，然后再将水泥加入搅拌机中，搅拌30 s，最后将外加剂和水一起加入搅拌机，搅拌2 min。成型后的混凝土拌合物带模养护1 d 后脱模，并放入混凝土恒温恒湿养护室养护至规定龄期。

混凝土抗压强度试件、抗折强度试件养护至28 d 龄期后，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）进行抗压和抗折强度试验。混凝土抗冻性能试件养护至24 d 龄期后，放置在（20±2）℃的水中浸泡4 d 后，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）快冻法进行耐久性试验，混凝土拌合物性能按照 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）进行测试。

2 实验结果与讨论

表2 为不同钢纤维掺量对混凝土拌合物工作性能及力学性能影响。由表2 知：当钢纤维掺量不超过60 kg/m3时，钢纤维对混凝土的拌合物的坍落度、粘聚性、离析情况没有大的影响，但对混凝土的力学性能影响较显著，对抗折强度的影响尤为明显，混凝土的抗压强度最大增幅9.3%，而混凝土的抗折强度最大增幅19.9%。继续增加钢纤维掺量，混凝土抗压强度基本变化不大，甚至会降低，而抗折强度仍在继续增加。

表2 混凝土拌合物工作性能及28 d 龄期的力学性能

由表2 可知：当钢纤维用量超过一定值时，混凝土拌合物的流动性和粘聚性变差，表现为离析、泌水，这是由于钢纤维掺量增加时，钢纤维和基体之间的内聚力变大，增加浆体的黏性，同时纤维之间的摩擦力增大，导致工作性能降低。对素混凝土（不添加钢纤维的混凝土，分组号为1#）进行抗折试验时，混凝土表现为脆性断裂，对掺钢纤维的混凝土进行抗折试验时，混凝土达到开裂后还能继续承受一部分的抗弯能力，表现了一定的延性破坏特征。

图1 为钢纤维混凝土冻融循环后的质量损失。由图1 可知，素混凝土在冻融循环下，质量损失明显，到250 次冻融循环时，其质量损失超过5%，达到试验终止条件。即使掺入少量的钢纤维也能较好地降低其抗冻质量损失，掺量为60 kg/m3的钢纤维混凝土质量损失率仅为素混凝土的40%。这是因为钢纤维在混凝土中可发挥拉结作用抑制表面混凝土剥落，同时发挥桥接作用限制混凝土裂缝的产生与发展。图2 为钢纤维混凝土冻融循环后相对弹性模量的变化情况。由图2可以看出，经过250 次冻融循环后，素混凝土的相对动弹性模量降低到了72.5%，而掺钢纤维混凝土的相对动弹性模量在75%～80%之间。但是大掺量的钢纤维混凝土的抗冻性能的提高有所降低。

图1 钢纤维混凝土冻融循环后的质量损失

图2 钢纤维混凝土冻融循环后相对弹性模量的变化情况

表3 给出了混凝土经过250 次快速冻融循环后的试件的抗折强度。从表3 可以看出，素混凝土经过250次冻融循环后，抗折强度仅为初始抗折强度的51.3%，而掺钢纤维的混凝土经过冻融循环后，抗折强度保留率均达到60%以上，特别是在冻融循环过程中混凝土质量损失较少的4#试样和5#试样的抗折强度保留率在70%左右。总体来看，掺入钢纤维，在提高混凝土的抗压和抗折能力的同时，也增强了混凝土的抗冻性能。

表3 250 次冻融循环后混凝土抗折强度

3 结束语

钢纤维混凝土掺入到混凝土中，能够显著提高混凝土的抗折强度，对抗压强度略有提升但不显著；当钢纤维掺量过多时，混凝土拌合物的坍落度及粘聚性变差，混凝土拌合物出现离析泌水现象。

在冻融循环试验过程中，钢纤维混凝土整体的质量损失明显低于素混凝土的质量损失，钢纤维混凝土的相对动弹性模量明显高于素混凝土相对动弹性模量，混凝土抗折性能有明显的提升，钢纤维混凝土的抗冻性能有所提高。

冻后钢纤维混凝土的抗折强度保留率明显高于素混凝土的抗折强度，钢纤维的存在能够有效抑制混凝土内部微裂缝或缺陷的产生，延长其使用寿命。