钢纤维混凝土抗冻性能试验研究

牛荻涛，姜 磊，白 敏

（西安建筑科技大学，土木工程学院，西安710055）

钢纤维混凝土是近年来发展起来的一种性能优良的复合材料。随着钢纤维混凝土在工程中的广泛应用，其耐久性问题将会是十分重要而迫切需要解决的问题。许多学者对钢纤维混凝土做了大量试验研究，然而多集中于力学性能方面［1－4］，钢纤维对混凝土耐久性影响则研究较少。对于寒冷地区的建筑物而言，冻融作用是导致其结构性能损伤的主要原因［5－7］。冻融循环加剧了混凝土内部初始裂纹扩展并且诱发新裂纹出现和发展，这是混凝土冻融劣化破坏的本质。但是，钢纤维的掺入有效限制了混凝土内部裂纹的形成与扩展，提高了混凝土的抗裂能力。因此，冻害地区钢纤维混凝土耐久性能引起了众多学者的广泛关注。谢晓鹏等［8］和康晶［9］研究表明，钢纤维的掺入延缓了混凝土内部裂纹的形成与扩展，增强了混凝土基体的抗冻性能。Yang等［10］认为钢纤维的掺入降低了混凝土的抗盐冻剥蚀性能，特别是引气混凝土的抗盐冻剥蚀性能。目前，钢纤维混凝土抗冻性能研究的重点主要集中在宏观层面，较少从微观层面对其性能退化规律进行研究，且对盐溶液环境下钢纤维混凝土抗冻性能研究也较少。

本文针对不同掺量的钢纤维混凝土，通过快速冻融试验，从宏观上研究了不同冻融循环次数下钢纤维混凝土质量损失、相对动弹模量变化和劈裂强度损失，并通过压汞和扫描电镜试验微观分析了冻融循环前后混凝土内部微结构变化，分析了钢纤维对混凝土增强作用原理和钢纤维混凝土冻融破坏机理，旨在为冻融环境下钢纤维混凝土耐久性设计提供基础资料。

1 试验概况

1．1 原材料和配合比

试验中所采用的水泥为陕西秦岭水泥股份有限公司生产的秦岭牌P．O42．5R普通硅酸盐水泥。

细集料采用普通河砂，细度模数2．69，表观密度2．63 g／cm3。粗集料采用5～16 mm混合级配碎石。钢纤维采用波浪形剪切钢纤维，长度为30 mm，长径比为60，截面形状为矩形。减水剂采用高效减水剂，黄褐色、粉末状。

本次试验中，试验用混凝土的水胶比为0．45，钢纤维体积率分别为0%、0．5%、1．0%、1．5%和2．0%。试验用各种混凝土的配合比见表1。其中编号PC表示钢纤维掺量为零的基准混凝土，SFC表示掺有钢纤维的混凝土，“－”后面的数字表示钢纤维体积率。

1．2 试验方案

钢纤维混凝土水冻试验依据《钢纤维混凝土试验方法》中的快冻法进行，盐冻试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。试件标养24 d后，分别在水中和氯化钠溶液中浸泡4 d，在第28 d时进行快速冻融试验。氯化钠溶液采用3．5%的浓度，与海水中盐的浓度一致［11－12］。每冻融循环25次，测试试件劈裂强度、相对动弹模量、重量损失情况。

试验中，相对动弹模量和质量损失测量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，共制备10组30个试件；劈裂强度测量采用100 mm×100 mm×100 mm立方体，共制备85组共255个试件。

2 试验结果与分析

2．1 质量损失率

图1为钢纤维混凝土冻融循环后的质量损失。由图1（a）可见，PC在冻融循环作用下，质量损失明显，在未到300次冻融循环时质量损失超过5%，达到破坏。钢纤维的掺入对混凝土质量损失率有明显的抑制作用，经过300次冻融循环，SFC－1．5质量损失率只有2．28%，约为普通混凝土的一半。

但是，从图1（b）可以看出盐冻循环下的试件质量损失率明显增大，冻融循环100次后，PC的质量损失达4．2%，接近破坏，SFC－1．5为2．5%；与此相对应的水中，PC和SFC－1．5的质量损失仅为2．1%和1．3%，明显小于盐冻循环。由于盐冻破坏的特殊性和严酷性［13－14］，加速了表层混凝土的解体和剥离现象，混凝土中杂乱分布的钢纤维对表层浆体拉接作用有限，因此，钢纤维混凝土在遭受盐冻破坏时，冻融剥落程度加重。

表1 基准混凝土与钢纤维混凝土配合比

图1 钢纤维混凝土在溶液中冻融时的质量损失

2．2 相对动弹性模量的变化

图2为钢纤维混凝土冻融循环后的相对动弹模量损失。由图可以看出，在300次冻融循环后，PC和SFC－1．5的相对动弹模量损失分别为35．2%和24．3%，PC接近破坏，而SFC－1．5冻融损伤得到明显抑制。但是当钢纤维掺量达到2．0%时，钢纤维对混凝土的增强作用降低，对抗冻性能影响不明显。总体来看，掺入钢纤维后，抑制了混凝土内部微裂缝或缺陷的不断产生，延缓了相对动弹模量的下降。

图2 钢纤维混凝土在水中冻融时的相对动弹模量损失

2．3 劈裂强度损失

图3为钢纤维混凝土冻融循环后的劈裂强度损失。从图3（a）可以看出，钢纤维的掺入提高了混凝土的劈裂强度，纤维掺量为1．5%时，劈裂强度最高，约为基准混凝土的2倍。同时，钢纤维还降低了冻融后混凝土劈裂强度下降速率。其中，PC在冻融150次时，劈裂强度降低40%，在冻融200次时，达到破坏；SFC－1．5在冻融250次时，劈裂强度降低40%，明显优于基准混凝土。从图3（b）可以看出，盐冻循环100次，PC和SFC－1．5劈裂强度分别降低34%和22%；与此相对应的水冻循环中，PC和SFC－1．5分别降低23%和9%，说明盐冻破坏削弱了钢纤维的阻裂增韧作用，加快了混凝土内部损伤，造成劈裂强度快速降低。

图3 钢纤维混凝土在溶液中冻融时的劈裂强度损失

3 微观机理分析

3．1 孔结构分析

表2和表3为标准养护28 d后，压汞法测试的钢纤维混凝土孔体积和孔径分布情况。由表2可以看出，合理掺量的钢纤维减小了混凝土孔隙率，纤维掺量在0%～1．5%范围内增加时，混凝土总孔隙率、总孔体积和总孔面积分别减少32．13%、28．54%和42．78%，混凝土平均孔径和最可几孔径均有下降。但是，纤维掺量达到2．0%时，钢纤维混凝土孔隙结构参数均有增大现象，孔结构表现出明显劣化。由表3可以看出，纤维掺量从在0%～1．5%范围内增加时，孔径为d＜20 nm、20 nm≤d＜50 nm的孔所占比例增大；孔径为50 nm≤d＜200 nm、d≥200 nm的孔所占比例减少。说明混凝土无害和少害孔增多，有害和多害孔减少，孔结构得到改善，有利于提高混凝土的抗冻性能。

3．2 扫描电镜分析

图4和图5是PC和SFC－1．5冻融前后SEM图片，可以看出，冻融前二者的各水化产物互相胶结形成连续相，整体结构均匀密实，没有微裂缝产生；50次盐冻循环后，二者均出现微裂缝，但是SFC－1．5中微裂缝数量明显少于PC；100次盐融循环后，PC中微裂缝扩展加深，并且大部分相互贯通，结构出现明显疏松，而SFC－1．5中裂缝数量和贯通程度均小于PC，没有出现组织疏松。可以看出，钢纤维限制了裂缝的发展与贯通，提高了混凝土的抗冻性能。

在冻融循环过程中，混凝土毛细孔壁同时承受膨胀压力和渗透压力［15－16］，当这两种压力所产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土开裂，产生微裂缝。钢纤维的弹性模量与强度高于混凝土［17］，而且具有较大变形能力，可以发挥增韧、阻裂作用，从而减小引发裂缝与促进裂缝开展的冻融破坏力。随着钢纤维掺量增加，混凝土中钢纤维－水泥基体界面数量增多，这些界面是钢纤维混凝土中的薄弱区域。通过SEM观察发现，钢纤维－水泥基体界面存在有片状结构的Ca（OH）2（图6）和簇状结构的钙矾石晶体（AFt）（图7）。钙矾石晶体主要存在于微小孔隙中和集料表面，说明钢纤维混凝土界面区存在较大孔隙率和较为疏松的网络结构，从而成为冻融过程中微裂缝产生和发展的敏感区域。冻融循环作用下，在界面过渡区产生的裂缝呈现增多、增宽的趋势（图8）。所以钢纤维掺量较大的SFC－2．0抗冻能力反而降低。

表2 钢纤维混凝土孔隙结构参数

表3 钢纤维混凝土孔径分布%

图4 PC冻融前后SEM图片

图5 SFC－1．5冻融前后SEM图片

图6 界面处Ca（OH）2晶体

图7 界面处钙矾石晶体

图8 SFC－2．0界面（盐冻100次）

4 结论

1）在冻融环境中，钢纤维混凝土的质量损失率和相对动弹模量损失率明显降低，抗冻性能得到提高。而且，钢纤维的掺入不仅提高了混凝土的劈裂强度，同时还延缓了冻融损伤后混凝土劈裂强度的降低速率。

2）钢纤维对遭受盐冻破坏的混凝土表面剥蚀改善作用有限，并且盐冻破坏加快了钢纤维混凝土内部损伤，盐冻循环次数明显低于水冻循环次数。

3）钢纤维掺量对混凝土抗冻性能影响显著，随着掺量的增加，混凝土抗冻性能增强。当掺量为1．5%时，钢纤维的增强效果最好；但是当掺量增大到2．0%时，混凝土抗冻性能降低。

4）孔结构和扫描电镜分析表明，适量钢纤维掺入后，混凝土内部孔结构改性良好，微裂缝发展速度缓慢，钢纤维阻裂、增强作用明显。

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