冻融和化学侵蚀下钢纤维混凝土劣化性能研究

纪泳丞 徐文文 张秦源 杨清海 吴俊江 贾艳敏

摘 要：为提高纤维混凝土在复杂环境影响下的耐久性能，本文以C30强度混凝土为基准，选取不掺加纤维的素混凝土（0%）和不同钢纤维掺加率（1%和2%）的钢纤维混凝土，研究不同环境侵蚀条件下结构力学性能的损伤机理。选取6种代表性的环境侵蚀因素，分别为：水、冻融循环、氯化钠溶液、硫酸钠溶液、稀硫酸溶液和氢氧化钠溶液，对比分析不同侵蚀环境影响下微观结构和轴向承载力的退化规律。试验结果表明，钢纤维的掺入可以有效地提高混凝土的轴向承载力，但在不同侵蚀条件下的增长规律各不相同，在氯化钠和硫酸钠环境下钢纤维掺量为1%最佳，在冻融循环、稀硫酸和氢氧化钠环境下掺量为2%最佳。该研究成果将为预测不同侵蚀条件和周期下钢纤维混凝土的性能劣化规律提供理论依据。

关键词：钢纤维混凝土;环境侵蚀作用;冻融循环;微观结构;力学性能;劣化预测;耐久性

中图分类号：U444 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）06-0099-10

Abstract：In order to improve the durability of concrete in complex environment and ensure the design service life of the structure， the damage mechanism of mechanical properties of steel fiber reinforced concrete with plain concrete without fiber content （0%） and different steel fiber content （1%， 2%） under different environmental erosion conditions was analyzed based on C30 concrete. Six environmental factors were selected， namely： water， freeze-thaw cycle， sodium chloride solution， sodium sulfate solution， dilute sulfuric acid solution and sodium hydroxide solution. The degradation laws of microstructure and axial bearing capacity under different erosion environments were comparatively analyzed. The test results showed that the addition of steel fiber can effectively improve the axial bearing capacity of concrete， but the growth rules were different under different erosion conditions. The best content of steel fiber was 1% in the environment of sodium chloride and sodium sulfate， and 2% in the environment of freeze-thaw cycle， dilute sulfuric acid and sodium hydroxide. The research results will provide theoretical basis for predicting the performance deterioration of steel fiber reinforced concrete under different erosion conditions and periods.

Keywords：Steel fiber reinforced concrete; environmental effects; freeze-thaw cycle; microstructure; mechanics performance; deterioration predictio; endurance

0 引言

研究鋼纤维混凝土在化学侵蚀和冻融循环条件下的力学性能与破坏机理非常重要。钢纤维混凝土的抗拉强度和由主应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度较普通混凝土有明显改善[1]。现阶段由于材料耐久性失效导致结构提前破坏的案例屡见不鲜，严寒地带冻融循环作用导致混凝土结构的耐久性降低，在桥梁结构中，这种温度荷载产生的应力，甚至会超过车辆荷载产生的应力，混凝土材料常遭受多种化学侵蚀作用，混凝土盐冻循环对结构保护层厚度损失量的影响呈指数增长，在一定年限达到损失极限，这些侵蚀对混凝土结构的耐久性产生很大影响[2-4]。

相关学者对钢纤维混凝土力学性能及环境侵蚀作用下的混凝土耐久性进行了研究。郭光玲[5]研究发现钢纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均有不同程度的提高;Fares等[6]研究发现，钢纤维混凝土的抗压强度在所有暴露期的酸性环境中均会降低，且所有掺量的钢纤维混凝土试件都会发生不同程度性能退化;辛明等[7]研究发现，纤维混凝土在耐久性能的各个方面（如抗碳化、抗冻融、抗硫酸盐腐蚀和抗渗性等）都要优于普通混凝土;何文昌等[8]研究发现钢纤维与水泥浆体有更好的界面黏结性能;Singh等[9]研究发现混凝土配合比中掺入钢纤维后显示出良好的抗冻融性;付建[10]研究发现掺入钢纤维有效延缓了高性能混凝土裂纹的扩展和阻滞宏观裂缝的发生。在环境侵蚀作用下结构耐久性研究方面，王永亮等[11]研究发现，通过增大水胶比和减少粉煤灰掺量可以有效提高混凝土的密实性来抵抗氯离子侵蚀;刘炳等[12]研究发现，当环境中硫酸盐质量浓度大于等于5 000 mg/L时，普通混凝土的物理化学参数的临界值将会受到很大程度的影响，耐久性会变差;方小婉等[13]利用试验数据计算混凝土寿命预测模型中的相关参数，评估混凝土在硫酸盐冻融耦合侵蚀情况下的使用寿命;吴松波等[14]研究发现，在硫酸钠和氯化钠混合溶液中的冻融循环环境下，十水硫酸钠（ Na2SO4·10H2O）与硫酸钠晶体之间形态的转变产生的结晶压力是导致混凝土破坏的主要原因;柴光宇等[15]研究发现，冻融状态下玄武岩纤维和杜拉纤维的掺入，使混凝土试件内的含气量增大，纤维较长及掺量较大试块纤维的表面积较大，使抗压强度下降较多。

目前对不同掺量的钢纤维混凝土在冻融循环作用下以及多种化学侵蚀作用下的微观结构和轴向承载力的综合对比研究较少，为提高混凝土在复杂环境因素影响下的耐久性能，本文通过在混凝土配合比中掺入不同含量的钢纤维（0%，1%，2%），研究多种不利环境因素影响下的力学性能退化规律，分析微观结构劣化过程，为钢纤维混凝土结构耐久性设计和评估提供理论依据，从而保障其结构工程安全服役。

1 材料与方法

1.1 钢纤维混凝土试件制备

试件原材料包括粗骨料、细骨料、水泥、水和钢纤维。以碎石为粗骨料，根据级配要求粒径大小可分为2种：4.75～9.5、9.5～19 mm，其掺配比例为3∶7。细骨料。选择天然河沙，为中砂，细度模数为2.3;选用P·O42.5水泥;钢纤维选用上海哈瑞克斯科技有限公司的钢锭铣削型钢纤维，技术参数如下：抗拉强度700 MPa，长度32 mm，宽度2.6 mm，长径比40，密度7 850 kg/m3，如图1所示。

试验配合比选用的混凝土强度等级为C30，其中水灰比为0.54，钢纤维的加入对混凝土搅拌过程中的用水量影响不大[16-17]，所以本次试验只考虑钢纤维掺量变化，不考虑用水量的变化。混凝土配合比设计用料具体见表1。

本试验混凝土配合比设计钢纤维体积掺量分别为0%、1%、2%（0%为不掺加钢纤维）。制作混凝土抗压强度试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体，每组试件为3个，3种不同的钢纤维掺量共9个;制作混凝土轴心抗压试件，尺寸为Ф100 mm×200 mm的圆柱体，每组试件为4个（其中3个用于力学试验，1个用于微观观测），3种不同的钢纤维掺量，6种不同的腐蚀环境，共需试件72个。另外制作3种掺量的混凝土试件，每组3个，共9个，用于没有环境侵蚀的对照组试件。每一组配合比制作的3个力学试件，取试验结果的均值作为钢纤维混凝土力学性能的代表值[18-19]。

首先对粗骨料和细骨料进行筛选，称取后放入混凝土搅拌机干搅拌2 min，加入水泥继续干搅拌1～2 min，再加水搅拌3～5 min，最后均匀撒入指定用量的钢纤维搅拌2～5 min。将搅拌好的钢纤维混凝土放入模具中分2次振捣密实，脱模后放入养护室进行28 d养护，养护完成的圆柱试件如图2所示。

1.2 试验方法

本试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》（GB/T 50082—2009）中的规定，配置3.5%NaCl溶液、10%Na2SO4溶液、5%H2SO4溶液、2 mol/L的NaOH溶液，将配置好的30 L溶液倒入大型储物箱中，另外取30 L水放入同样的大型储物箱中作为对照组。液面高度高出试件顶面15 cm，保证试件完全浸泡在溶液中，如图3所示，将盖子盖好以免水分蒸发。

采用KDR-V5冻融试验机进行混凝土快速冻融法冻融试验，冻结临终时试件中心温度-18 ℃±2 ℃，融化临终时试件中心温度为+7 ℃±2 ℃，2～4 h完成一次冻融循环[20];将试件放入凍融试验机中，加入水，液面高于试件表面5 cm，设定大循环次数100次。

使用电子显微镜（图4）进行显微结构观测。对图5中的试件表面（位置1）以及横切面边缘（位置2）、横切面中心（位置3）进行观测。

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）进行轴压承载力试验[21]，将冻融循环100次及6种溶液浸泡28 d的试件取出放到MTS压力机上，进行连续均匀加荷直至破坏，加荷速度为0.5 MPa/s。

2 结果与分析

2.1 显微镜微观分析

100次冻融循环后对3种掺量试件进行横向切割，对3种掺量的试件表面（位置1）和横截面（位置2、位置3）进行显微镜30倍放大微观观测。观测情况：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1显微观测如图6所示，0%素混凝土试件表面出现很多小裂缝，纤维混凝土出现少量裂缝;对试件横切面位置2微观观测如图7所示，素混凝土和掺量1%的试件有裂缝，掺量为2%的混凝土试件有微小裂缝，随着纤维掺量的增加裂缝减小，该现象说明掺入钢纤维可以抑制因冻融损伤造成的裂缝;对试件横切面位置3微观观测如图8所示，素混凝土试件出现少量裂缝，掺量1%纤维混凝土有微裂缝产生，2%掺量纤维混凝土没有裂缝，由此说明加入钢纤维可以抑制混凝土试件产生裂缝。

由图7—图8中位置2、位置3微观对比可知，位置2的裂缝宽度和长度均大于位置3。结果表明裂缝首先产生于试件表面，并逐渐向试件轴心位置发展，冻融循环对试件的破坏是由外及里的，掺入钢纤维可以减少冻融循环对试件的损伤。

28 d水浸泡后进行显微镜30倍放大观测。观测情况：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1显微观测如图9所示，不同掺量的试件在浸泡后表面无差异;对试件横切面位置2、位置3显微观察，3种掺量试件对比未见裂缝产生，由于篇幅限制，只展示位置2显微结果，如图10所示，由图10可知，钢纤维对水浸泡混凝土裂缝变化无影响。

28 d NaCl溶液浸泡后进行30倍放大显微观测：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1观测情况如图11所示，不同掺量的试件表面产生裂缝大小深度相似，由此可知侵蚀时间对试件表面裂缝的产生有影响，而与纤维掺量无关;对试件横切面位置2显微观察结果如图12所示，素混凝土试件出现裂缝，其他试件均无裂缝产生，由此可知加入钢纤维对NaCl溶液浸泡试件裂缝产生有抑制作用;对试件横切面位置3显微观察结果如图13所示，位置3处3种掺量的试件都未见裂缝产生。

由图12—13中位置2、位置3微观对比可知，裂缝先产生于试件表面，后逐渐向试件轴心位置发展，由此可知NaCl侵蚀试件是由外及里的，掺入钢纤维可以有效抑制NaCl溶液对试件的破坏。

28 d Na2SO4溶液浸泡后进行30倍放大显微观测：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1观测结果如图14所示，不同掺量的试件表面均产生裂缝，钢纤维掺量对Na2SO4溶液浸泡试件表面裂缝产生无影响;由试件横切位置2、位置3观测结果可知，3种掺量的试件在浸泡后内部结构均无裂缝产生，由于篇幅限制，只展示位置2显微图，如图15所示，由图可知钢纤维掺量和Na2SO4浸泡时间对试件内部结构变化无影响。

28 d H2SO4溶液浸泡后进行30倍放大显微观测：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1显微观测如图16所示，不同掺量的试件均产生裂缝，随着钢纤维掺量增加，试件裂缝宽度和数目均有增长，由此可知钢纤维掺量加速了试件表面裂缝产生;对试件横切面位置2、位置3显微观察，3种掺量试件对比未见变化，由于篇幅限制，只展示位置2显微图，如图17所示，由此可知钢纤维掺量对混凝土内部裂缝发展无影响。

28 d NaOH溶液浸泡后进行30倍放大显微观测：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1显微观测如图18所示，不同掺量的试件均出现裂缝，掺入钢纤维的试件裂缝数目更多，由此可知钢纤维掺量增加对裂缝发展有一定的促进作用;对试件横切面位置2、位置3显微观察，3种掺量的试件在不同浸泡时间后内部结构无差异，由于篇幅限制，只展示位置2显微图，如图19所示，由此可知钢纤维掺量对混凝土内部裂缝发展无影响。

2.2 钢纤维混凝土力学性能劣化分析

（1）混凝土立方体抗压强度。在标准条件养护28 d后对立方体试块进行抗压试验，如图20所示，结果见表2。

由表2可知，钢纤维混凝土立方体抗压强度随纤维掺量增加而增大，用钢纤维掺量为1%、2%时混凝土抗压强度和掺量0%混凝土抗压强度的差值与掺量0%混凝土抗压强度的比值计算出抗压强度提升率，掺量为1%、2%时抗压强度分别比掺量0%试件提高了11.4%、30.6%。在轴向受压时，钢纤维对混凝土的横向变形有约束作用，有利于提高抗压强度，但由于钢纤维的掺入，内部混凝土和钢纤维之间界面性能不稳定性增加，在受压荷载达到一定值后，混凝土会发生界面区破坏。

（2）化學侵蚀轴压构件。对钢纤维掺量为0%、1%、2%的圆柱体混凝土试件在水、NaCl溶液、Na2SO4溶液、H2SO4溶液和NaOH溶液中浸泡28 d后分别进行轴压试验，其轴心抗压强度变化如图21所示。混凝土在掺入钢纤维后在各种环境下的抗压强度大部分随着钢纤维的增加而提高，与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的受压载荷都有所提高，纤维在构件中所受的压力方向垂直取向时能有效地阻止横向形变，表现出最佳的增强效果。随着浸泡时间增加，以水浸泡试件为对照组，其他溶液浸泡后的试件轴心抗压强度都有所下降，说明各种不利环境对混凝土试件都有或大或小的破坏作用，而钢纤维可以有效阻止化学环境对混凝土的侵蚀。

（3）冻融轴压构件数据分析。对钢纤维掺量为0%、1%、2%的圆柱体混凝土试件在进行了100次冻融循环后进行单向轴压力学性能试验，其轴心抗压强度变化如图22所示。纤维混凝土试件轴压强度始终高于素混凝土，加入钢纤维后混凝土整体结构拥有了钢纤维的强度特性，有效改善了素混凝土的高脆性。

根据强度变化计算出强度损失率（侵蚀前后变化值与侵蚀前抗压强度比值）如图23所示，计算纤维混凝土对素混凝土提升率（纤维混凝土侵蚀后强度与素混凝土侵蚀前抗压强度比值）如图24所示。

水浸泡28 d后纤维掺量为0%、1%、2%的试件抗压强度损失率分别为13.6%、16.3%、8.9%（图23），由此可知在水浸泡过程中试件抗压强度趋势为减小，但钢纤维混凝土强度始终大于素混凝土，掺量为2%的试件强度损失最少，说明最佳掺量为2%。

NaCl溶液浸泡28 d后维掺量为0%、1%、2%的试件抗压强度分别为29.8、48.6、34.5 MPa（图21（b）），钢纤维掺量为1%试件强度最大，掺入1%、2%的钢纤维后抗压强度比素混凝土试件提高了62.7%、22.5%（图24）。由此可知在NaCl溶液浸泡过程中钢纤维混凝土强度始终大于素混凝土，掺量为1%的试件强度增加且强度提升最多，所以掺量为1%可以有效抑制氯化钠的侵蚀。

Na2SO4溶液浸泡28 d后纤维掺量为0%、1%、2%的试件抗压强度为29.2、36、37.4 MPa（图21（c）），掺量为2%的试件强度最高，掺入1%纤维的试件抗压强度增加23.5%，纤维掺量为0%、2%的试件抗压强度相对于浸泡前强度都下降（图23）。由此可知在Na2SO4溶液浸泡过程中试件抗压强度呈减小趋势，掺量为1%的试件抗压强度增大，且对于素混凝土强度提高较多，所以掺量为1%的混凝土可以有效抑制硫酸钠的侵蚀。

H2SO4溶液浸泡28 d后纤维掺量为0%、1%、2%的试件抗压强度损失率分别为29.5%、33.0%、25.6%（图23），掺入1%、2%的钢纤维后抗压强度比素混凝土试件提高了2.6%、64.1%（图24）。由此可知在H2SO4溶液浸泡过程中试件抗压强度趋势减小，钢纤维混凝土强度始终大于素混凝土，掺入2%的钢纤维抗压强度增大明显，且有效抑制硫酸的侵蚀。

NaOH溶液浸泡28 d后纤维掺量为1%、2%的试件抗压强度损失分别为5.5%、3.0%（图23），且掺入1%、2%的钢纤维后抗压强度比素混凝土试件提高了3.4%、36.6%（图24）。由此可知在NaOH溶液浸泡过程中试件抗压强度趋势减小，掺量为0%的试件抗压强度增大，钢纤维混凝土强度始终大于素混凝土，掺量为2%的混凝土可以有效抑制氢氧化钠的侵蚀。

100次冻融循环后掺量为0%、1%、2%的试件抗压强度分别损失了35.0%、33.7%、34.5%（图23）。掺量为1%、2%的钢纤维混凝土试件抗压强度分别提高17.6%、69.2%（图24）。由图22可知轴心抗压强度随着冻融次数增加而降低，但在同一次数作用下钢纤维混凝土的强度损失率小于普通混凝土，2%掺量混凝土试件强度损失较小，且抗压强度较素混凝土有明显提升，所以抗冻性最好。

2.3 不同侵蚀环境劣化性能对比分析

根据显微镜观测和轴压力学试验结果可知，不同侵蚀环境对混凝土的劣化影响不尽相同。冻融循环和化学侵蚀环境都对不同掺量的钢纤维混凝土产生一定不利影响，促进其裂缝的产生和发展。钢纤维的掺入一定程度上抑制或促进部分裂缝的产生，但在不同侵蚀环境下的有效性差距明显，因此需要分别确定不同侵蚀环境下钢纤维最佳掺量。

通过6种侵蚀环境位置1的显微观测可以发现，混凝土浸泡在水中表面无裂缝产生，在冻融循环、氯化钠、硫酸钠、稀硫酸和氢氧化钠环境中会产生不同程度裂缝。掺入钢纤维对冻融循环破坏混凝土有一定抑制作用，而对氯化钠、硫酸钠环境中的混凝土则没有影响，对稀硫酸和氢氧化钠环境中的混凝土则有不利影响，反而促进了其表面裂缝产生。因此，通过对不利侵蚀环境作用后的试件裂缝数目和长度进行对比，裂缝发展程度由大到小依次为：稀硫酸、冻融循环、氢氧化钠、硫酸钠、氯化钠、水。

通过6种侵蚀环境位置2、位置3的显微观测可以发现，冻融循环下的混凝土产生裂缝，且掺入钢纤维后有效抑制裂缝发展，氯化钠浸泡环境下不掺纤维混凝土内部有裂缝，纤维混凝土则无裂缝，也充分证明了钢纤维的阻裂作用，其他侵蚀环境中内部无裂缝产生。通过纤维观测对比可以得出，不利环境对混凝土的损害程度由大到小为：冻融循环、氯化钠、其他。

通过6种侵蚀环境下混凝土的轴心抗压试验结果可知，不同侵蚀环境对混凝土轴心抗压强度影响不同，通过抗压强度损失值计算可以得出不利环境对混凝土的损害程度由大到小依次为：冻融循环、稀硫酸、氯化钠、氢氧化钠、硫酸钠、水。通过轴心抗压数据前后对比可发现，掺入钢纤维可以有效提高其轴心抗压强度，在不同环境中提高程度相差较大，在冻融循环下提升程度最大，硫酸钠环境中提升强度最小。

3 结论

通过不同掺量钢纤维混凝土试件在不同条件下的显微观测、立方体抗压试验、轴心抗压试验研究，可得到以下结论。

（1）在冻融环境中，冻融循环使混凝土抗压强度损失33.7%～35%，加入钢纤维可以有提高混凝土抗压强度17.6%～69.2%，纤维混凝土对于未加固的混凝土强度损失减少0.5%～1.3%，從而改善混凝土的抗冻性，钢纤维掺量为2%最佳。

（2）在化学侵蚀试验中，钢纤维的加入显著增大了混凝土的抗压强度，在硫酸钠和氯化钠环境下掺量为1%最佳，在硫酸和氢氧化钠环境下掺量为2%最佳。

（3）在冻融循环试验中，钢纤维的掺入可以抑制混凝土表面砂浆的脱落，并且减少混凝土表面产生裂缝，从而提高混凝土的抗冻性，纤维掺入减轻了冻胀压力，减少了收缩裂纹，纤维的界面增强效应、加筋阻裂效应的双重作用有效延缓了裂纹的扩展和阻滞宏观裂缝的发生。

（4）在化学侵蚀试验中，通过微观结构观察可知外界环境对混凝土的破坏由表及里，随着侵蚀时间的增加混凝土裂缝数目和长度不断发展，掺入钢纤维可以抑制裂缝产生从而有效提升混凝土的耐久性能。

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