聚丙烯纤维混凝土的抗冻融特性试验研究★

汤 昊周元强白闰平

(1.江苏省电力公司扬州供电公司，江苏扬州 225009; 2.江苏省电力设计院，江苏南京 211102; 3.同济大学，上海 200092; 4.南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

聚丙烯纤维混凝土的抗冻融特性试验研究★

汤 昊1周元强2白闰平3，4*

(1.江苏省电力公司扬州供电公司，江苏扬州 225009; 2.江苏省电力设计院，江苏南京 211102; 3.同济大学，上海 200092; 4.南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

通过开展聚丙烯纤维混凝土的冻融循环试验，探讨了聚丙烯纤维掺量对混凝土的抗冻融性能的影响，试验结果表明:在混凝土中掺加适量的聚丙烯纤维可改善混凝土的抗冻融性能，聚丙烯纤维均匀的分布在混凝土中，当混凝土中水泥石受到冻结产生拉应力时，分布在毛细孔中的聚丙烯纤维可以承受部分拉应力，从而减小了水泥石承受的拉应力，达到改善混凝土抗冻融性能的目的。

聚丙烯纤维混凝土，质量损失率，动弹性模量，冻融循环

0 引言

从19世纪20年代，波特兰水泥问世到今天，混凝土慢慢成为了人类主要使用的建筑材料，人类的文明很大程度是由不同年代的建筑物记录下来的，为了使人类文化代代相传，就需要建筑物具有良好的耐久性［1］。截止到21世纪初，中国的已有建筑中，有相当大的一部分由于耐久性不够而提前报废［2］。我们地球上有很多国家分布在高纬度的严寒地区，例如:北美、北欧等地，这类地区的混凝土建筑物，经常处于冻融的环境中，因冻融而破坏，维修冻融破坏的建筑物的费用支出较大［3］。20世纪初，某些研究工作表明，引起混凝土结构失效的原因按照主次顺序，依次为钢筋锈蚀、冻融破坏和海水侵蚀作用［4］。余红发等认为混凝土结构的破坏，主要不是钢筋锈蚀引起的，而是由冻融破坏引起的［5］。李金玉等认为混凝土结构只要处在零上和零下温度交替的情况下，而且孔隙中有水，不论温度多么低，都会对混凝土结构产生冻融破坏，这说明在我国华东地区也可能出现混凝土的冻融破坏，可见混凝土的冻融破坏的分布超出了我们理解的寒区，在我国华东地区的混凝土建筑物也有可能产生冻害［6］。

冻融破坏是我国北方水工建筑物在运行过程中的主要病害，研究混凝土的抗冻融特性对混凝土结构的安全运行非常重要，对混凝土耐久性理论的发展具有深远意义。在工程应用中主要通过提高混凝土的含气量，去提高混凝土的抗冻融特性，而且效果显著。但是，近年来的一些新型混凝土(比如纤维混凝土等)的抗冻融性能，研究相对较少，本文通过开展聚丙烯混凝土的冻融循环试验，来初步探讨聚丙烯纤维混凝土的抗冻融性能。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其各项品质指标，如表1所示。

表1 水泥的物理性质指标

细集料、粗集料、减水剂以及聚丙烯纤维的各项物性指标见表2～表5。

表2 砂的主要物理性质指标

表3 卵石的主要物理性质指标

表4 减水剂的主要技术性能指标

表5 聚丙烯纤维的主要物理性能及其他性能指标

1.2 试件的制备与分组

各混凝土试件的配比见表6和表7;试件尺寸为400 mm× 100 mm×100 mm，养护龄期为28 d。

表6 基准混凝土的配合比 kg/m3

表7 混凝土配合比和分组情况 kg/m3

1.3 试验方法及主要仪器

冻融试验中，每个冻融循环均在(2～4)h内完成，融化的时间均大于整个冻融循环时间的1/4。冻融试验前将试件在(20± 2)℃的水中浸泡4 d，使其达到充分饱水状态。每达到一次目标冻融循环次数后，则测定一次混凝土试件的质量和动弹模，然后放回冻融机继续开展冻融试验，直至达到最终的冻融次数或者达到冻融破坏。

图1为本次试验的冻融机;图2为动弹模测定仪。

图1 全自动混凝土冻融试验机

图2 动弹性模量测定仪

混凝土试件的相对动弹性模量应按下式计算:

其中，ENi为经N次冻融循环后第i个混凝土试件的动弹性模量;Ei为冻融循环试验前第i个混凝土试件的动弹性模量。

混凝土试件的质量损失率应按下式计算:

其中，Mi为冻融循环试验前第i个混凝土试件的质量;MNi为N次冻融循环后第i个混凝土试件的质量。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环后混凝土抗剥落性能的变化

图3a)和图3b)中，不同强度的混凝土在冻融循环中均表现为:经受轻微冻融时(50次冻融循环)，表面几乎完好，没有混凝土从表面剥落，随着冻融的加剧，冻害逐渐从表面向内部发展，当经受较多冻融循环后(200次)，混凝土出现较为严重的破坏;混凝土中的聚丙烯可以减少混凝土在冻融过程中的质量损失，小于一定量的情况下，聚丙烯含量越高，冻融过程中的表面剥落量也越小，但是超过一定掺量，反而会增大在冻融过程中的剥落量(图3a)和图3b)中，聚丙烯纤维掺量为1.2 kg/m3时，试件的质量损失率均增大)。由图3c)可看出，混凝土的强度越高，冻融过程中表面剥落现象越不明显(相同条件下，C50混凝土的表面剥落程度低于C30混凝土)。

图3 混凝土试件冻融循环次数和质量损失率的关系

2.2 冻融循环后混凝土动弹性模量的变化

由图4a)和图4b)可看出，不同强度的混凝土在冻融循环过程中，冻害损伤的变化规律均呈现出如下的趋势:不同强度的混凝土，在冻融过程的进行中，损伤不断累积，渐渐增大，当达到200次冻融循环后，混凝土的冻融损伤发展到相对较高的程度;混凝土中的聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗冻融损伤性能，纤维含量越高，对混凝土的抗冻融损伤性能提高越显著，但是超过一定掺量后，反而会减小混凝土的抗冻融损伤性能(图4a)和图4b)中，高掺量混凝土在冻融循环过程中，抗冻融损伤性能均有反弹现象出现)。由图4c)可看出，相同条件下，高强度混凝土的抗冻融损伤性能，高于低强度混凝土的抗冻融损伤性能，C50高于C30的抗冻融损伤性能。

2.3 聚丙烯纤维混凝土的抗冻融机理分析

当低温遇到混凝土构件时，先从混凝土表面开始，降低混凝土孔隙中自由水的温度，当温度达到冰点后，水开始结冰，结冰后的水体积开始膨胀，将剩余的自由水压入其他的孔隙通道中。低温继续在混凝土构件的表面蔓延，当表面孔隙的自由水全部结冰后，低温不断向混凝土构件内部深入，在深入的过程中构件外层没有结冰的自由水，被外层的冰挤压进入内部的孔隙，在低温作用下结冰的范围逐渐从外层向内层深入，孔隙水不断被挤压，当水进入一些不流通的孔隙的时候，便会产生越来越大的应力，当应力超过混凝土中水泥石的抗拉强度后，便会在混凝土的某部分产生裂纹。伴随着冻融过程的发生，裂纹会不断扩展，不断增多，直至将混凝土破坏［7-10］。

图4 混凝土试件冻融循环次数和相对动弹性模量的关系

当今，改善混凝土抗冻融性能的主要方法是在混凝土中加入引气剂，使混凝土的含气量提高。文中试验所反映的规律可看出，混凝土中加入聚丙烯纤维也可以提高混凝土的抗剥落性能和抗冻融损伤性能，笔者认为主要原因是聚丙烯纤维的配制过程中，聚丙烯纤维的加入是分时段，边搅拌边加入，分布比较均匀分散，当聚丙烯纤维遇到混凝土中的毛细孔隙时，在毛细孔中均匀穿过，当毛细孔中压力增大时，聚丙烯纤维可以充当水泥石中的加强筋，承受部分拉应力，可以缓解水泥石所受的比较强的应力，最终提高混凝土的抗冻融开裂性能。混凝土构件的表面微裂纹的扩展，就是表面剥落的主要原因，这也就提高了混凝土的抗剥落性能。混凝土构件的内部裂纹扩展，是混凝土构件内部损伤的主要原因，从而也提高了混凝土的抗冻融损伤性能。当聚丙烯纤维含量太大，会把混凝土的内部孔隙全部连通，这样混凝土内部的密闭孔隙变少，对混凝土抗冻融特性的提高不利，反而降低了混凝土的抗冻融特性，所以聚丙烯纤维掺量不宜过大，在实际工程中必须通过试验严格控制聚丙烯纤维的掺量，从而达到提高抗冻融特性的目的。

文中试验还可看出，高强度混凝土的抗冻融性能优于低强度混凝土，因为高强度混凝土材料的强度极限高于低强度混凝土的强度极限，在承受相同程度的冻害时，也就是内部孔隙承受相同程度的拉应力时，高强混凝土可以承受更大的拉应力，而不至达到破坏;低强度混凝土不能承受太大的拉应力，过早破坏，所以高强混凝土的抗冻融特性，优于低强度混凝土。

3 结语

混凝土中加入聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗冻性，但是掺量不宜过大，掺量过大不仅不能提高抗冻性，反而会适得其反。工程实际中必须通过试验确定聚丙烯纤维掺量的最优值，以达到提高混凝土抗冻性的目的。聚丙烯纤维掺量相同时，高强度混凝土的抗冻性优于低强度混凝土。

［1］ 杜 鹏.多因素耦合作用下混凝土的冻融损伤模型与寿命预测［D］.北京:中国建筑材料科学研究总院，2014.

［2］ 王媛俐，姚 燕.重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用［M］.北京:中国建材工业出版社，2001.

［3］ 李 华，缪昌文，金志强.水泥混凝土路面修补技术［M］.北京:人民交通出版社，1995.

［4］ Mehta P K.Concrete durability-fifty years progress［C］.Proc. of 2nd inter.Conf.on Concrete Durability:ACI SP126-1，1991.

［5］ 余红发，孙 伟，张云升，等.在冻融或腐蚀环境下混凝土使用寿命预测方法Ⅰ——损伤演化方程与损伤失效模式［J］.硅酸盐学报，2008，36(A01):128-135.

［6］ 李金玉，曹建国，徐文雨，等.混凝土冻融破坏机理的研究［J］.水利学报，1999，1(1):41-49.

［7］ Powers TC.Freezing effects in concrete［J］.ACISpecial Publication，1975，47(1):1-11.

［8］ Powers TC.A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete［J］.1945，16(4):245-272.

［9］ Powers T C.Void space as a basis for producing air-entrained concrete［J］.1954，50(9):741-760.

［10］ Powers T C，Helmuth R A.Theory of volume changes in hardened portland-cement paste during freezing［J］.1953，32 (1):285-297.

Study on freeze-thaw cycles property of polypropylene fiber reinforced concrete★

Tang Hao1Zhou Yuanqiang2Bai Runping3，4*

(1．Yangzhou Electric Power Supply Company of Jiangsu Electric Power Company，Yangzhou 225009，China; 2．Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China; 3．Tongji University，Shanghai200092，China; 4．Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China)

In order to study freeze-thaw cycles propertie of polypropylene fiber reinforced concrete，a series of freeze-thaw cycles experiments for polypropylene fiber reinforced concrete are carried out.The results show that:addingmoderate polypropylene fibers in concrete can improve the performance of freeze-thaw resistance of concrete，polypropylene fibers are well distributed in the concrete，when hardened cement paste subject to tensile stresswhich was generated by cycles，polypropylene fibers distributed in the pores of cement paste can partially share the tensile stress，thus reducing the tensile stress in the cement paste，and improve the concrete properties of freeze-thaw resistance.

polypropylene fiber reinforced concrete，mass loss rate，dynamic elastic modulus，freeze-thaw cycles

TU528.527

A

1009-6825(2015)29-0123-03

2015-08-05 ★:南京水利科学研究院博士论文基金资助项目(项目编号:LB31305)

汤 昊(1972-)，男，工程师; 周元强(1981-)，男，硕士，注册土木工程师(岩土)，一级注册结构工程师

白闰平(1982-)，男，在读博士