冻融环境下纤维混凝土的性能

赵柏冬, 孙志友, 王 舜

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

在近几十年的工程实例中,大体积混凝土被广泛应用于房建、桥隧等工程.赵柏冬[1]等结合桥梁冬季施工实例,探究使用纤维布对钢筋混凝土抗冻性的保护措施;慕儒[2]等通过不同的冻融试验方法来探究混凝土的耐久性能,并详细分析了冻融试验机理;刘卫东[3]等通过构建混凝土冻融循环损伤本构关系来探究混凝土的纤维掺量对混凝土损伤劣化的影响;周志云[4]、曹大富[5]等通过混凝土动弹性模量间接来反映混凝土的耐冻性能;魏强[6]等通过SEM电镜扫描来放大冻融后混凝土试块残样来更直观分析冻融环境对混凝土的破坏;陈思佳[7]等探究了冻融环境下,不同钢筋混凝土的配合比对结构的抗冻性的影响.

大多建筑裸露于自然环境中与大气接触.大气中的雨水、风沙等对建筑造成了不可逆的损伤.气候的不同、地理位置的差异直接影响了大体积混凝土结构的耐久性,而北方主要以“冻”为主.北方地区严寒造成混凝土的冻融破坏,从而使大体积混凝土存在安全隐患、未达到其使用年限而破坏,给国家造成经济上的直接损失.在文献[8]中,将环境划分成5类,其中就包含冻融环境[9].可见冰冻环境对建造业的影响.沈阳地区地处中国东北部,全年有至少半年时间处于零度以下,所以对建筑材料的抗冻性要求更加苛刻.本次试验采取的试验方案为在混凝土试块的骨料中添加聚丙烯纤维来探究在冻融作用下混凝土的强度变化,应用此试验方案,结合前人科研成果,本次试验进一步深入探讨在工程实际中低温环境对纤维混凝土性能的影响.

1 冻融试验及试验方法

1.1 冻融试验

试验中经常采用的两种冻融试验方法都是快速冻融方法,第一种是空气冻融试验、第二种是水冻融试验.本次试验采取水冻融试验法,试验冻融温度为-20～20 ℃,冻融时间为2 h,间隔1 h.采用的试验仪器有JCD型冻融机、TM-Ⅱ动弹仪、电子秤等.总冻融循环次数为200次,每间隔40次采集试验数据进行对比分析.本次试验共制备6组试块(其中1组备用),每组为6×4个混凝土标准试块,共计144块.在试块制备前应当检验各种材料是否符合试验标准,水泥是否水化,石子粒径是否整体达标等.

需要注意的是,因为进行的是水冻融循环试验,为保证试块全部浸入水中,在试验之前采取将水浸没混凝土试块3 mm的处理来隔绝空气因素对冻融试验的影响.

1.2 试验材料及模型制备

本试验用水为沈阳地区市民饮用水;采用水泥强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥,密度为3.12 g/cm3;碎石粒径为7～18 mm,砂采用沈阳本地中粗河砂;纤维采用聚丙烯纤维,它具有质量轻、能提高混凝土耐久性等优点,是一种弹性模量较低的合成纤维;根据文献[10],本次试验制备的混凝土试块为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块和100 mm×100 mm×400 mm的长方体试块.普通混凝土强度设计为C40.表1中为不同质量分数的纤维混凝土试块的配合比以及相应的坍落度实验数据,混凝土试块进行在标准环境下为期28 d的标准条件护养.图1为不同质量分数的纤维混凝土试块的抗压强度随混凝土养护龄期变化的相关时间曲线对比图.

表1 不同质量分数的纤维混凝土配合比Table 1 Mixing ratio of concrete with different fiber mass fraction

图1 混凝土随养护时间的抗压强度曲线图Fig.1 The compressive strength curve of concrete with curing time

1.3 试块配合比设计

配合比设计得合理与否将会直接影响到试验结果的准确性,应当严格按照配合比设计的步骤进行反复合理验证.本次配合比的设计是建立在不同质量分数的纤维基础之上,采用1 m3混凝土,各骨料拌和物的总质量为2 450 kg,详见表1.按照普通混凝土的配合比设计步骤,本次试验最终设计并确定的混凝土水灰比为2种,分别是0.46和0.51两个等级.

由表1和图1可以看出: 当混凝土配合比相同且都为0.46时, 纤维对混凝土强度的增强效果明显; 当配合比相同且都为0.51时, 混凝土的强度随纤维的增加而增强. 当配合比不同时,由混凝土强度的增强幅度可以看出, 随着水灰比的增加混凝土的相对抗冷冻性能呈下降趋势, 原因是水是造成混凝土冻融破坏的主要条件之一. 因此,在低温环境下施工的混凝土建筑, 在不影响混凝土本身强度的情况下, 应尽可能地降低其水灰比.

2 混凝土强度与纤维质量分数的关系

按照规范[11]中混凝土的养护要求,对未掺加纤维的混凝土试块及分别添加质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的纤维进行为期28 d的标准环境下的养护,混凝土养护温度控制在(20±3)℃,24 h之后进行拆模处理.在养护过程中,混凝土强度随时间的增长整体呈现上升趋势,并且在前期强度的增长较快.如图1所示,未添加纤维的普通混凝土试块在经过28 d标准养护之后,抗压强度为40 MPa,质量分数为0.5%的纤维试块在28 d的养护之后抗压强度为46 MPa,是普通标准混凝土试块同等条件下的1.15倍;质量分数为1.0%的纤维试块在28 d的养护之后抗压强度为49 MPa,是普通试块在同等条件的1.225倍,较质量分数为0.5%的强度提升7.5%;质量分数为1.5%的纤维试块在28 d的养护之后抗压强度为50 MPa,是普通试块同等条件下的1.25倍,较质量分数为0.5%的强度提升10%,较质量分数为1.0%的强度提升2.5%;质量分数为2.0%的纤维试块在28 d的养护之后抗压强度为51 MPa,是普通试块在同等条件下的1.275倍,较质量分数为0.5%的强度提升12.5%,较质量分数为1.0%的强度提升5%,较质量分数为1.5%的强度提升2.5%.结合图1的图形趋势以及相应的计算数据可以看出:在混凝土中加入纤维可以达到提升混凝土的整体强度的目的,并且在混凝土中的纤维质量分数为1.0%的情况下最符合经济效益.

3 混凝土的相对动弹性模量

规范[11]中用两种标准来衡量冻融后混凝土的性能.第一种是使用相对动弹性模量来衡量,当动弹性模量范围在60%～100%时才认为混凝土在冻融破坏环境下没有被彻底破坏;第二种评判标准是以冻融循环后混凝土试块的质量损失率来作为衡量标准,以质量损失率是否超过5%来作为评判混凝土的依据.由于冻融后产生的混凝土脱落及裂缝可能使混凝土局部含水量变化,造成混凝土质量产生误差,某些情况下质量损失率可能反而会增加,给试验结果带来一定的影响.考虑以上因素,在采集冻融后混凝土质量数据时应当尽量将混凝土上的水处理干净.本试验采用风扇和吸水纸的称重预先处理,并结合混凝土相对动弹性模量数据来分析.

由表2中相应的抗压强度的数据分析可以看出:混凝土的抗压强度整体变化为随冻融次数的增长而下降;普通混凝土与各不同纤维试块相比,其强度随冻融次数的增加破坏效果更加明显;随着纤维的逐渐增多,混凝土在相同低温环境下的抗压强度相对较好.在循环冻融次数为80时,质量分数为0.5%纤维试块的相对抗压强度比普通试块增加7.752%,质量分数为1.0%的纤维试块的相对抗压强度比普通试块提升9.165%,质量分数为1.5%的纤维试块相对抗压强度比普通试块提高3.707%,质量分数为2.0%的纤维试块相对抗压强度比普通试块增加6.659%.其中以质量分数为1.0%的纤维试块抗冻融效果相对性更好,其相对抗压强度相对于其他的纤维试块均有1.5%以上的提升,质量分数为1.0%的纤维试块更适合于工程实际的应用;随着冻融次数的增加,特别是超过120次之后,不管混凝土中是否添加纤维,混凝土的强度都下降为其标准养护下强度的50%,甚至在增加到160次后试块强度已经在其标准养护下的25%上下波动,说明在冻融120次后,混凝土基本失去强度.

表2 冻融后不同混凝土的相对动弹性模量、质量损失率及抗压强度表Table 2 Relative dynamic elastic modulus, mass loss rate and compressive strength of different concrete after freezing and thawing

图2为不同质量分数纤维试块的相对动弹性模量随冻融循环次数变化的变更折线图,由表2数据和图2的曲线可以看出:在冻融循环0～120次区间范围内时,各纤维试块的的相对模量都在60%以上,普通试块在达到120次之后其相对模量就已经降低到了60%以下,而质量分数为0.5%、1.0%的纤维试块也在冻融循环160次之后相对模量下降到60%以下,只有质量分数为1.5%、2.0%的纤维混凝土在200次冻融循环后保持着相对动弹性模量在60%之上,但也接近60%,说明纤维对混凝土的耐久性有较好的提升,但当冻融循环次数足够多时,依然会导致混凝土耐久性下降.由图2整体曲线走向可以看出,混凝土冻融次数和相对动弹性模量大致呈一次曲线关系,混凝土的相对模量随混凝土冻融循环次数的增长而下降.

图2不同质量分数纤维混凝土冻融循环与相对动弹性模量关系曲线图

Fig.2 Relationship between freeze-thaw cycles and relative dynamic elastic modulus of concrete with different fiber mass fraction

在图2中冻融循环120次以后的纤维试块的相对模量变化趋势反而逐渐放缓:在0～40次范围时相对模量平均降低了4.994%,在40～80次范围时相对模量平均降低了8.138%,在80～120次范围时相对模量平均降低了11.422%,在120～160次范围时相对模量平均降低了8.623%,在160～200次范围时相对模量平均降低了8.415%.可能的原因是在冻融初期,试块及材料的初始缺陷在冰冻环境下得到充足发展从而引起混凝土的相对模量降低得过快,当混凝土材料的缺陷发展到一定程度以后,混凝土的相对动弹性模量就随冻融循环次数的增加,下降趋势相对平缓下来.

图3为不同质量分数的纤维试块的相对动弹性模量和剩余抗压强度的关系折线图.图形整体走向基本可以看作正相关.可以大致分为四个阶段:第一阶段,是纤维掺量较高的混凝土的剩余抗压强度百分率在很小的相对动弹性模量范围内(10%)就直接下降了25%,分析原因为刚开始混凝土内部骨料不够紧密,造成强度损失较快;第二阶段,剩余抗压强度为60%～75%时混凝土的相对动弹性模量变化幅度平缓,混凝土的强度得到充分的利用;第三阶段,剩余强度为25%～60%,由于冻融循环的次数增加,混凝土强度基本被破坏,混凝土的相对动弹性模量较第一、第二阶段以更快速度下降;第四阶段剩余强度为10%～25%,混凝土相对弹性模量已经低于60%,混凝土完全被破坏.

图3不同质量分数的纤维混凝土相对动弹性模量和剩余抗压强度折线图

Fig.3 Line diagram of relative dynamic elastic modulus and residual compressive strength of concrete with different fiber mass fraction

4 混凝土的质量损失率

图4为冻融循环试验现象.图4d显示的是在冻融循环120次以后普通混凝土表面脱落、骨料裸露的情况,在此情况下试块破坏情况严重.

图4 冻融循环试验现象Fig.4 Phenomenon of freeze-thaw test

图5为不同质量分数的纤维混凝土的冻融与质量损失之间的散点图,其中以软件ANSYS拟合的曲线数据作为参考依据.对比参考文献[13]及表2、图4、图5可以得出以下结论.

(1) 普通试块在冻融循环120次之后,试块的质量损失率已经低于5%;质量分数为0.5%的试块在冻融循环160次之后其质量损失率同样超过5%;质量分数为1.0%、1.5%、2.0%的纤维混凝土在本次冰冻范围内质量损失率达标.说明适量的纤维对混凝土的耐久性有显著提升作用.

(2) 由拟合曲线和质量损失率的折线作为参考依据,可以看出普通试块的质量损失率没有明显变化规律,甚至在冻融循环80次附近时质量损失率反而下降,分析原因可能是冰冻造成试块表面脱落并形成裂缝,模型内部骨料中的含水量上升,造成冰冻后混凝土质量反而有所提升.

(3) 质量分数为0.5%的纤维混凝土在冻融循环次数超过160次以后质量损失率超过5%,而当纤维质量分数过高时纤维的成本和混凝土的搅拌都存在一定的问题,因此认为质量分数为1.0%的纤维混凝土最符合经济效益和工程实用.

图5 不同质量分数的纤维混凝土的冻融循环 次数与质量损失率关系图Fig.5 Relationship between freeze-thaw cycles and mass loss rate of concrete with different fiber mass fraction

5 结 论

(1) 水对冰冻环境下的混凝土的抗冻性有较大的影响,因此在不改变混凝土强度等的前提下尽可能地降低水灰比是增加其抗冻性的有效措施.

(2) 适量的纤维掺量可以提高混凝土的耐久性,结合混凝土的经济性和实用性,认为当纤维在质量分数为1.0%左右时最合适.

(3) 混凝土随冻融循环次数的增加其强度逐步下降,当次数足够多时,纤维的破坏曲线和普通混凝土类似.

(4) 在工程实践中,低温环境下的混凝土应当添加适量的外加剂来达到延长混凝土工程使用年限的目的,如纤维、减水剂、引气剂等.

(5) 在冻融环境下,混凝土的剩余抗压强度百分率和相对动弹性模量基本成正相关,所以用相对动弹性模量来作为低温冻融混凝土耐久性能的指标是合理的.