钢纤维混凝土冻融后的力学性能研究

陈升平， 段小龙， 滕　飞， 张　岩

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



钢纤维混凝土冻融后的力学性能研究

陈升平， 段小龙， 滕飞， 张岩

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]为了研究钢纤维混凝土的抗冻性能，通过对比不同钢纤维体积率和冻融循环次数的混凝土，测定各种掺量钢纤维混凝土冻融后的质量损失及相对动弹模损失率，分析钢纤维掺量及冻融循环次数对混凝土的抗压、抗折强度的影响，进行了钢纤维混凝土在冻融循环作用后的力学性能研究。试验结果表明，掺入钢纤维后对冻融循环作用下的混凝土的抗压强度影响较小。当冻融循环次数较少时，掺入钢纤维后混凝土的抗折强度有较明显的提高；当冻融循环次数增多时，钢纤维对混凝土的增强作用较小。

[关键词]冻融； 钢纤维； 混凝土； 强度

随着使用寿命的增长，混凝土结构建筑物的耐久性问题日渐突出。我国疆域辽阔，又有相当大一部分地区处于北方严寒地带，而冻融破坏是引起这部分地区混凝土结构建筑物老化损坏的主要原因之一，冻融循环作用导致混凝土结构的耐久性降低，最终导致混凝土结构的破坏[1]。为此，我国每年都要消耗巨额的维修费用。因此，对混凝土抗冻性能的研究具有重要的实用价值和理论意义。混凝土冻融破坏最终表现为裂缝的出现和发展，而在混凝土中掺入钢纤维可以有效阻止裂缝的产生和扩展。相对于普通混凝土来说，钢纤维混凝土拥有更好的抗拉、抗折和抗劈裂性能，并且具有更好的韧性和延性[2]。因此，钢纤维混凝土被广泛应用于港口航道、公路桥涵、隧道工程及北方严寒地区的工业与民用建筑等混凝土结构中。本文以研究钢纤维混凝土在冻融后的力学性能为目的，进行了混凝土冻融循环试验，对比了不同掺量钢纤维混凝土在不同循环次数下的质量损失，相对动弹模损失以及抗压强度、抗折强度，分析了钢纤维混凝土的冻融破坏机理，旨在为冻融环境下的钢纤维混凝土耐久性设计提供依据。

1试验方案

1.1试验材料

采用华新水泥厂生产的标号为32.5级复合硅酸盐水泥，中砂级配良好，细度模数为3.5，粗集料选用天然石灰岩碎石，粒径不大于20 mm，钢纤维选用铣削型钢纤维，力学性能见表1。

表1　钢纤维的主要力学性能

1.2试验方案

冻融试验以钢纤维体积掺量及冻融循环次数为控制参数，试件尺寸分为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm两个系列，前组用于测量冻融循环对试件强度的影响，后组用于三点弯曲抗折试验，并测量质量损失率。试件按纤维体积掺量0、0.75%、1.5%分为3组，搅拌混凝土时，采用强制式电动搅拌机拌合。为了保证钢纤维在混凝土中分布均匀，先将砂石和水泥加入到搅拌机中搅拌30 s，再将钢纤维均匀撒入搅拌机中，全部投入后再搅拌2 min.浇筑试件后，在振动台上振动直至试件表面没有冒出气泡为止。浇筑完24 h后拆模，放置室内标准蒸汽养护室养护28 d。钢纤维混凝土配合比见表2。

表2　钢纤维混凝土配合比　　　kg/m3

本试验用快速冻融法进行，采用TDRF-1AF混凝土快速冻融试验机，在水饱和状态下进行冻融试验，在冻结和融化结束时，混凝土试件的中心温度应分别控制在-15℃±2℃和15℃±2℃。4 h左右完成一次冻融循环。达到养护龄期的前3 d时，将试件在25℃的水中完全浸泡3 d，3 d后取出试件，擦去表面水分后，测量对比组的动弹性模量以及试件的质量损失，再将试件放入冻融试验机内，每经过50次、100次、150次、200次冻融循环后，取出试件，将表面冲洗干净并擦干水分后，测量其动弹性模量及质量损失。

冻融循环次数为0、50、100、150、200次时，分别对每组不同掺量的混凝土试件进行测量。尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试件按照GBJ81-1985《普通混凝土力学性能试验方法》做立方体压缩试验，分别测量出不同冻融循环次数下不同钢纤维掺量混凝土试件的抗压强度，需要15组，共制备45个试件。尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，每循环50次分别进行三点弯曲抗折试验，测出不同钢纤维掺量的混凝土试件在不同冻融循环次数下的抗折强度，每组3个试件，共制备15个试件。

2试验结果及分析

2.1破坏形态及质量损失率

在冻融循环作用下，混凝土表面均会出现不同程度的破坏，从试验过程可以看出，冻融50次之后，由于循环次数较少，三种掺量的钢纤维混凝土试件并没有明显的破坏现象，试件表面完整，质量损失几乎为零；当冻融循环次数达到100次时，混凝土表面开始出现剥落，试件内部开始出现细小微裂缝，试件质量也有所降低；当冻融达到150次时，不掺入钢纤维的混凝土试件破坏较为严重，试件表面掉渣较多，表面呈现出麻面状，质量损失也较多；当冻融循环达到200次时，混凝土试件表面开始出现大面积的剥落，表面露出粗骨料和少许钢纤维，质量损失也较高。

质量损失率是反映混凝土试件在冻融循环作用下抵抗剥落的重要指标之一，本试验测量了钢纤维混凝土在冻融作用前后的质量，并计算出了相应的质量损失率。图1表明了钢纤维体积掺量、冻融循环次数对混凝土的质量损失的影响。由图中曲线可以看出，不掺加钢纤维的混凝土试件在冻融循环作用下，质量损失约为钢纤维混凝土质量损失的两倍，表明掺入钢纤维对质量损失有较明显的抑制作用。从曲线变化趋势来看，钢纤维体积率越大，质量损失越小。在经过200次的冻融循环之后，质量损失已经出现超过5%，混凝土试件冻融已破坏。

图 1　钢纤维混凝土在冻融循环作用下的质量损失

2.2相对动弹性模量的变化

本试验采用共振法测量试件的动弹性模量，使用仪器型号为DT-18动弹模量测量仪。图2为钢纤维混凝土试件动弹性模量损失变化曲线。由图中曲线变化趋势可以看出，在经过200次冻融循环之后，各个掺量的混凝土相对动弹性模量损失均满足要求。不掺加钢纤维的混凝土试件的相对动弹性模量损失已经达到31%，接近破坏。而掺量分别为0.75%和1.5%的钢纤维混凝土的相对动弹模损失较小，分别为25%和23%，可见掺入钢纤维后混凝土的冻融损伤得到了明显的抑制。总体来看，在掺入了钢纤维之后，混凝土内部微裂缝的发展得到抑制，混凝土的相对动弹性模量损失减小。

图 2　钢纤维混凝土在冻融循环作用下的相对动弹性模量损失

2.3抗压强度

图3为钢纤维混凝土经过冻融作用后的抗压强度变化曲线，从图3中可以看出，冻融循环进行50次之后，各种钢纤维掺量的混凝土试件抗压强度均出现了不同幅度的下降。当冻融循环次数进一步增加，达到100次时，各种掺量的钢纤维混凝土抗压强度均出现了大幅下降，不掺加钢纤维的混凝土和掺入钢纤维的混凝土抗压强度损失较为接近。从总体上来看，经过冻融循环作用之后，混凝土试件的抗压强度均有所下降，各种掺量的混凝土抗压强度损失差距较小，因此，钢纤维的掺入对抗压强度的影响较小。

图 3　钢纤维混凝土在冻融循环作用下的抗压强度变化

2.4抗折强度

图4为冻融循环之后钢纤维混凝土的抗折强度变化曲线，从图4中可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的抗折强度逐渐降低。钢纤维体积掺量为1.5%的混凝土抗折强度损失较小，可见当提高钢纤维体积掺量时，混凝土的抗折强度有所提高，因为在冻融循环作用下，钢纤维对冻融产生的微裂缝起到了约束作用，从而提高了钢纤维混凝土的抗劈裂能力。冻融作用使混凝土内部产生大量微裂缝，但由于钢纤维的存在，钢纤维与水泥砂浆之间存在粘结作用，仍然有一定的抗劈裂能力。在冻融循环进行200次之后，试件表面已经露出骨料和钢纤维，并呈现出较多的微裂缝，混凝土试件已经接近破坏，各种钢纤维掺量的混凝土抗折强度均大幅下降。总体来看，随着钢纤维体积率的增加，冻融次数较少时，钢纤维对混凝土试件的增强作用比较明显；但是随着冻融次数的增加，钢纤维混凝土内部冻胀破坏使缺陷增多，钢纤维与水泥砂浆之间的粘结力也遭到破坏，钢纤维对微裂缝发展的约束作用也减小，因此钢纤维体积率的增加并不能显著提高混凝土的抗折强度。

图 4　钢纤维混凝土在冻融循环作用下的抗折强度变化

3冻融循环破坏机理分析

混凝土的冻融破坏是一个比较复杂的变化过程，一般普遍认为混凝土冻融破坏的主要原因是由于其内部因冻胀而产生各种复杂的应力作用的结果。当环境温度降低时，混凝土表面温度下降较快，而内部温度下降较慢，因此在混凝土试件内外之间形成了温差阶梯。当温度降至0℃以下时，混凝土表面孔隙中的水分开始结冰，随着温度继续降低，混凝土内部的细小孔隙中水分也逐渐开始冻结。此时，混凝土试件内外孔隙中的水结冰产生的体积膨胀，以及未冻结的过冷水分在微裂缝中的迁移，都会产生各种内部压力。当内部压力超过混凝土材料所能承受的极限时，内部就会产生细微裂纹。当温度升高时，孔隙中冻结的水分逐渐开始解冻，解冻后的水分继续渗透进入冻胀破坏产生的细微裂纹中，不断的发生冻融循环过程，导致混凝土内部细小孔隙及微裂缝逐渐增大扩展，达到一定程度时，混凝土试件就会发生冻融破坏。当掺入钢纤维后，钢纤维与砂浆存在粘结作用，冻融次数较少时，钢纤维与砂浆粘结力较强，钢纤维对混凝土的力学性能影响较大，但当冻融循环次数增加，混凝土内部结构逐渐变为疏松状态，并且随着内部裂缝不断增多，钢纤维与水泥砂浆之间的粘结力随之减小，钢纤维对微裂缝的约束作用也逐渐减小，混凝土逐渐遭到破坏。

4结论

1)在冻融循环作用下，钢纤维混凝土的质量损失率及相对动弹性模量损失率较素混凝土低，因此钢纤维能显著提高混凝土的抗冻性。

2)在冻融循环次数较少时，各种掺量混凝土的抗压强度均有所降低，抗压强度损失接近，此时钢纤维的掺入对混凝土的抗压强度影响作用不大，而钢纤维体积掺量较高的混凝土抗折强度损失较小，因而掺入钢纤维对混凝土抗折强度影响较显著。而当冻融循环次数增多时，各种钢纤维掺量的混凝土抗压强度和抗折强度均大幅降低，损失较接近，因此钢纤维体积率的增加并不能有效提高混凝土的抗折强度。

[参考文献]

[1]牛荻涛,姜磊,白敏. 钢纤维混凝土抗冻性能试验研究[J]. 土木建筑与环境工程,2012(4):80-84+98.

[2]高丹盈,朱海堂,赵军,等. 冻融后钢纤维混凝土力学性能的试验研究[J]. 郑州大学学报(工学版),2005(1):1-4.

[3]谢晓鹏,杨广军,管巧艳,等. 钢纤维对混凝土抗冻性能影响的试验研究[J]. 混凝土,2008(8):73-75.

[4]朱海堂,高丹盈,赵军,等. 冻融后钢纤维混凝土力学性能的试验研究[A]. 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会纤维混凝土委员会.先进纤维混凝土 试验·理论·实践——第十届全国纤维混凝土学术会议论文集[C].中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会纤维混凝土委员会,2004:6.

[5]李金平,盛煜,丑亚玲. 混凝土冻融破坏研究现状[J]. 路基工程,2007(3):1-3.

[6]潘钢华,秦鸿根,孙伟,等. 粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究[J]. 建筑材料学报,2002(1):37-41.

[7]施士升. 冻融循环对混凝土力学性能的影响[J]. 土木工程学报,1997(4):35-42.

[8]冀晓东. 冻融后混凝土力学性能及钢筋混凝土粘结性能的研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[责任编校： 张岩芳]

Research on Mechanical Properties of Steel Fiber Reinforced Concrete after Freezing and Thawing Cycle

CHEN Shengping，DUAN Xiaolong，TENG Fei，ZHANG Yan

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture，HubeiUniv．ofTech． ，Wuhan430068，China)

Abstract：In order to research the frost resistance of steel fiber reinforced concrete, we made the comparison of concrete of different steel fiber volume ratio in the condition of different cycles of freezing and thawing. By measuring the mass loss and relative dynamic modulus loss rate of concrete of different steel fiber volume ratio, we analyzed the influence of steel fiber content and numbers of freezing thawing cycles on the compressive strength and the flexural strength of concrete, and we made the stay of the mechanical property of steel fiber reinforced concrete after freezing and thawing cycle. Experimental results show that the steel fiber has little influence on the compressive strength of concrete after freezing and thawing cycles. When the number of freeze-thaw cycles is small, the incorporation of steel fiber can enhance the flexural strength of concrete obviously. With the increase of freeze-thaw cycle number, the reinforcement of flexural strength decreases gradually.

Keywords：freezing and thawing，steel fiber，concrete，intensity

[中图分类号]TU528

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0094-04

[作者简介]陈升平(1965-)， 男， 湖南醴陵人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为结构工程

[基金项目]湖北省科技厅项目(2012FFB00607)

[收稿日期]2015-02-02