聚丙烯纤维橡胶混凝土的抗冻性能及损伤劣化模型

文江，苏有文

（西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）

0 引言

在现代化发展的今天，为倡导可持续发展的需要，更多环保材料加入到混凝土中，制成新型复合土木工程材料，橡胶混凝土应运而生[1]。橡胶混凝土具有轻质高弹、吸声隔热、抗渗抗冲击、减震耐磨等特性[2-5]，已成功应用于城际公路、城市步道等工程。但在我国寒冷地区，橡胶混凝土路面常处在低温环境中，冻融作用使得橡胶混凝土出现开裂、剥离、脱落现象，严重影响其服役寿命。因此，在冻融环境中，如何提高橡胶混凝土抗冻性能，延长其服役寿命，尤为重要。

目前，国内外学者对橡胶混凝土抗冻性能的研究主要集中在橡胶颗粒掺量、细度、橡胶颗粒改性处理、配合比优化设计等方面[6-11]，其目的均是通过提高结构密实度，改善橡胶颗粒与水泥石的界面粘结性能，达到提升抗冻性能的效果。Alsaif等[12]通过冻融后试件表面收缩、内部损伤、残余抗压强度以及弯曲行为等方面评估了专为柔性混凝土路面设计的钢纤维增强橡胶混凝土（SFRRuC）的冻融性能。结果表明，钢纤维增强效果明显，SFRRuC 可承受56 次冻融循环不会出现内部损坏或力学性能下降，冻融条件下表现良好。Wang 等[13]从力学性能、耐久性和微观结构3 个方面评价了聚丙烯（PP）纤维与橡胶混凝土的协同效应。试验发现，聚丙烯纤维和橡胶骨料均能提高素混凝土的断裂能，与素混凝土相比，PP 纤维增强橡胶混凝土的干燥收缩、抗冻性能均得到增强。杨晨晨[14]、陈疏桐等[15]和陈爱玖等[16]的研究认为，玄武岩纤维与橡胶颗粒有很好的协同作用，将一定比例玄武岩纤维掺入到橡胶混凝土中能有效降低混凝土受冻融循环而发生的损伤劣化程度，明显提高混凝土的抗冻性能。目前，对掺钢纤维、玄武岩纤维增强橡胶混凝土的抗冻性能已有大量试验研究，但是针对掺聚丙烯纤维橡胶混凝土抗冻性的研究相对较少。

本文通过分析不同聚丙烯纤维掺量橡胶混凝土试件在相应冻融循环次数下的质量损失率、相对动弹性模量、抗压及劈裂抗拉强度变化规律，研究聚丙烯纤维对橡胶混凝土抗冻性能的影响。并依据损伤力学，定义混凝土损伤程度，通过二次函数拟合得出冻融损伤模型。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：工源牌P·O42.5R 水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，安定性合格，物理力学性能见表1；细骨料：级配良好的天然河砂，细度模数2.85；粗骨料：粒径5～20 mm 石灰岩碎石，砂和碎石的主要技术性能见表2；橡胶颗粒：江苏宏腾橡胶厂生产，主要技术性能见表3；聚丙烯纤维：河北廊坊辉煌厂生产的抗拉束状单丝聚丙烯纤维，主要技术性能见表4；外加剂：萘系高效减水剂，固体含量为（98±1）%，掺量为0.12%时，减水率为18%～23%；水：自来水。试验用橡胶颗粒及聚丙烯纤维外观如图1 所示。

表1 水泥的物理力学性能

表2 砂和碎石的主要技术性能

表3 橡胶颗粒的主要技术性能

表4 聚丙烯纤维的主要技术性能

图1 试验用橡胶颗粒及聚丙烯纤维的外观

1.2 试件制作

1.2.1 配合比设计

本试验混凝土设计强度等级为C30，采用橡胶颗粒等体积取代细砂（取代率约10%），分别掺入4、6、8、10、15 kg/m3聚丙烯纤维（占水泥质量的0.90%、1.35%、1.80%、2.25%、3.41%）。按照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》共设计了6组不同配合比，具体配合比见表5。

表5 聚丙烯纤维橡胶混凝土的配合比

1.2.2 试件制备及养护

在试件制作前，为增强橡胶颗粒与水泥石基界面的粘结性能，将橡胶颗粒置于浓度为3%的NaOH 溶液中浸泡4 h 左右，取出后烘干，对橡胶颗粒表面进行改性处理。投料搅拌过程中，为保证纤维分散均匀，防止纤维成团，将橡胶颗粒、水泥、砂、碎石先干拌30 s；然后向搅拌机分散投入聚丙烯纤维，干拌30 s；最后投入水和减水剂，搅拌约60 s。最后，将搅拌好的混凝土倒入100 mm×100 mm×400 mm 和150 mm×150 mm×150 mm 模具内，置于振动台上振动密实，待试件成型后脱模，在标准条件下进行养护。

1.3 试验方法与仪器设备

本试验采用快冻法进行冻融循环试验，冻融介质为清水。开始冻融前，取出试件，将其置于清水中浸泡4 d，液面高度应高于试件上端20 mm 左右，保证冻融过程聚丙烯纤维橡胶混凝土处于全浸水状态。每冻融25 次为1 个阶段，每个阶段结束后，测试试件的质量、动弹性模量、抗压强度及劈裂抗拉强度。试验抗冻设备为混凝土快速冻融试验机；动弹性模量测试采用DT-20 动弹性模量测定仪；抗压强度测试采用WHY-2000 微机控制压力试验机；劈裂抗拉强度测试采用WES-1000B 数显万能材料实验机。混凝土的力学性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，抗冻性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 聚丙烯纤维掺量对橡胶混凝土冻融循环后质量损失率的影响（见图2）

图2 不同聚丙烯纤维掺量橡胶混凝土的质量损失率

由图2 可见，随冻融循环次数从0 增加到25 次，各组混凝土试件的质量损失率都逐渐减小，且数值变化几乎同步，表明试件质量有一定程度的增长。这是因为在冻融初期，试件内部存在微裂缝，随着冻融循环的进行，裂缝开始扩展，水分通过毛细作用不断进入混凝土内部，试件脱落的质量小于吸水增重的质量，因此在冻融初期，各组试件在宏观上都表现出质量损失率负增长。冻融循环50 次后，各组试件的质量损失率开始出现正值，表明随着冻融循环次数增加，试件损伤破坏加剧，表面裂缝增多，裂缝发展过程伴随水泥砂浆的脱落，剥离脱落的质量远大于吸水增重的质量。50～150 次冻融过程中，各组试件的质量损失率曲线随冻融循环次数的增加而增大，150 次冻融循环时，JZ 组的质量损失率最大，为2.34%，PF-3 组的质量损失率最小，为1.68%。各组试件质量损失率由大到小依次为：JZ>PF-1>PF-5>PF-2>PF-4>PF-3。单考虑质量损失率，聚丙烯纤维掺量为1.80%时抗冻性能最好。聚丙烯纤维作为韧性材料，其在混凝土内部空间乱向分布，形成了致密的三维网状结构，将集料牢牢连结在一起，缓冲了因冻融过程混凝土结构内部水分子结冰产生的冰胀应力，使得结构不易开裂，试件表面的水化物不易脱落，从而使得试件质量损失率降低。PF-4、PF-5 组试件的质量损失率较大的主要原因是：在冻融环境中，混凝土孔隙中水分子结冰体积膨胀，产生不均匀应力，而过多的纤维影响了橡胶颗粒与水泥石界面间的粘结性能，冰胀作用使得界面产生相对滑移，结构出现裂缝，外部水分子通过裂缝进入结构内部，在冻融循环的耦合作用下，冻融损伤进一步加重，使得试件质量损失率不降反增。

2.2 聚丙烯纤维掺量对橡胶混凝土冻融循环后相对动弹性模量的影响（见图3）

图3 不同聚丙烯纤维掺量橡胶混凝土的相对动弹性模量

由图3 可见，冻融循环0～150 次时，各组试件的相对动弹性模量都出现明显的降低，但降幅不同，JZ 组试件的相对动弹性模量下降速度最快，抗冻性能最差。冻融破坏是一个由表及里的缓慢过程，25 次冻融循环结束后，各组试件的相对动弹性模量差异相对较小，主要是因为此时混凝土仅表面出现损伤，而这种损伤会随着冻融循环次数进一步增加，进而扩展到混凝土内部，试件损伤破坏，动弹性模量逐渐降低。150 次冻融循环后，各组试件的相对动弹性模量由大到小依次为：PF-3＞PF-4＞PF-2＞PF-5＞PF-1＞JZ，PF-3 组、JZ 组的相对动弹性模量分别为87.6%、74.8%，差距较大，说明聚丙烯纤维能够降低橡胶混凝土结构的损伤程度，提高橡胶混凝土的抗冻性能。混凝土的动弹性模量主要取决于结构内部的密实程度。冻融交替环境中，混凝土内部裂缝增多，孔隙增大，密实度逐渐降低，冻融损伤加重，动弹性模量降低。聚丙烯纤维在混凝土结构内部散乱分布，充当结构内部各材料之间的“桥梁”，将各材料紧密连接起来，缓解了混凝土成型期间橡胶颗粒上浮导致试件表面强度降低，也抑制了橡胶混凝土因早龄期结构干缩导致的原始裂缝的产生。冻融阶段，聚丙烯纤维与水泥共同缓解冰胀应力，抑制裂缝的发展，保证结构的密实度，提高橡胶混凝土抗冻性能。同样，聚丙烯纤维掺加过多时，在混凝土内部分布不均直接导致结构密实度降低，混凝土抗冻性能因此降低。

2.3 聚丙烯纤维掺量对橡胶混凝土冻融循环后强度的影响

不同聚丙烯纤维掺量橡胶混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度随冻融循环次数的变化分别见图4、图5。

图4 不同聚丙烯纤维掺量橡胶混凝土的抗压强度

图5 不同聚丙烯纤维掺量橡胶混凝土的劈裂抗拉强度

由图4、图5 可见，冻融破坏对试件的抗压、劈裂抗拉强度影响较大，随着冻融循环次数增加，试件的抗压、劈裂抗拉强度几乎都呈线性下降，在相同冻融循环次数下，各组试件强度由高到低依次为：PF-3＞PF-4＞PF-2＞PF-5＞PF-1＞JZ，说明聚丙烯纤维的掺入对橡胶混凝土的强度提高有积极作用，且纤维掺量直接影响橡胶混凝土强度提高效果。另外，通过图4、图5 对比发现，聚丙烯纤维对橡胶混凝土劈裂抗拉强度的提高作用大于对抗压强度的作用。将PF-3 组与JZ 组对比可知，未冻融时，抗压强度提高了13.56%，劈裂抗拉强度提高了27.40%；而经150 次冻融循环后，抗压强度提高了39.31%，劈裂抗拉强度提高了65.0%。冻融初期，聚丙烯纤维对橡胶混凝土抗压强度的改善作用并不明显，但随着冻融循环次数的增加，这种作用得到了体现，强度提高幅度逐渐增大。聚丙烯纤维是良好的韧性材料，它将水泥同橡胶集料连结在一起，增强了混凝土结构的整体性，其“环箍”作用约束了橡胶混凝土的横向变形，使得试件在承受荷载时不易发生突然胀裂而产生竖向贯通裂缝。聚丙烯纤维对橡胶混凝土抗拉强度的提高效果较明显，纤维与水泥基体共同承担荷载，结构整体韧性得到增强。

3 冻融损伤劣化模型

橡胶混凝土因在振捣过程中，橡胶颗粒随砂浆上浮，大量存在于混凝土表层，结构内部孔隙增多；此外，粗细骨料尺寸、级配的选择也会造成结构孔隙的形成。这些孔隙是直接影响混凝土结构抗冻性的重要因素。掺加聚丙烯纤维，由于其“桥梁”作用，一定程度约束了橡胶颗粒的浮动，减少了橡胶混凝土结构孔隙数量，保证了结构密实程度。混凝土结构损伤劣化的过程具体表现为：随冻融循环次数的增加，混凝土出现微裂纹，继而发展成裂缝，伴随骨料、砂浆的脱落，最终结构破坏。

3.1 基于相对动弹性模量的冻融损伤模型

试验中，因冻融初期聚丙烯纤维橡胶混凝土质量损失率出现负增长现象，这与混凝土冻融损伤不可逆的事实相悖[17]，故采用相对动弹性模量数据，建立基于相对动弹性模量的冻融损伤模型。依据混凝土损伤力学，定义混凝土损伤程度DE，按式（1）[18]计算：

式中：DE——冻融损伤程度，%；

n——冻融循环次数；

E0——未冻融混凝土试件的相对动弹性模量，%；

En——冻融n 次混凝土试件的相对动弹性模量，%。

将试验数据代入式（1），绘制出基于相对动弹性模量下冻融损伤程度与冻融循环次数的关系曲线，如图6 所示。

图6 冻融损伤程度与冻融循环次数关系曲线

由图6 可知，各组混凝土试件冻融损伤程度曲线都呈陡增趋势，冻融循环次数越多，损伤越大。150 次冻融循环结束后，6 组试件中，JZ 组的冻融损伤最严重，曲线最陡峭；PF-3组受冻融损伤最小，曲线上升速率相对缓慢。对比图3 知，相对动弹性模量越大，试件冻融损伤程度越小。为了能更加准确地描述聚丙烯纤维橡胶混凝土冻融损伤劣化程度，采用二次函数型衰减模型进行拟合，模型公式如式（2）所示：

式中：D——冻融损伤程度，%；

N——冻融循环次数；

b1、b2、b3——待定系数。

按照式（2）对各组混凝土试件的冻融损伤程度数据进行拟合分析，得到冻融损伤劣化模型，如表6 所示。

表6 相对动弹性模量下冻融损伤劣化模型参数

3.2 基于抗压强度的冻融损伤模型

为探讨聚丙烯纤维橡胶混凝土抗压强度在冻融循环条件下的衰减规律，根据损伤力学，定义聚丙烯纤维橡胶混凝土抗压强度退化程度Dc，如式（3）[19]所示：

式中：Dc——抗压强度退化程度，%；

n——冻融循环次数；

fc，0——未冻融混凝土试件的抗压强度，MPa；

fc，n——冻融n 次混凝土试件的抗压强度，MPa。

将试验数据代入式（3），绘制出抗压强度退化程度与冻融循环次数关系曲线，如图7 所示。

图7 抗压强度退化程度与冻融循环次数关系曲线

由图7 可知，抗压强度退化程度随冻融循环次数的变化规律与冻融损伤程度变化规律大致相同。同样按式（3）对抗压强度数据进行拟合，得出基于抗压强度的冻融损伤模型，如表7 所示。

表7 抗压强度下冻融损伤劣化模型参数

3.2 基于劈裂抗拉强度的冻融损伤模型

同样，根据损伤力学，定义聚丙烯纤维橡胶混凝土劈裂抗拉强度退化程度Dst，如式（4）[19]所示：

式中：Dst——劈裂抗拉强度退化程度，%；

n——冻融循环次数；

fst，0——未冻融混凝土试件的劈裂抗拉强度，MPa；

fst，n——冻融n 次混凝土试件的劈裂抗拉强度，MPa。

将试验数据代入式（4），绘制出劈裂抗拉强度退化程度与冻融循环次数的关系曲线，如图8 所示。

图8 劈裂抗拉强度退化程度与冻融循环次数关系曲线

由图8 可知，劈裂抗拉强度退化趋势与抗压强度退化趋势大致相同，按式（4）对劈裂抗拉强度退化程度数据进行拟合，得出基于劈裂抗拉强度的冻融损伤模型，如表8 所示。

表8 劈裂抗拉强度下冻融损伤劣化模型参数

由表6～表8 可以看出，基于动弹性模量、抗压强度、劈裂抗拉强度建立的二次型冻融损伤劣化模型，相关系数均不小于0.990，表明建立的模型有很高的拟合精度，能较为准确地描述聚丙烯纤维橡胶混凝土在冻融环境下的损伤劣化规律。

4 结论

（1）在冻融循环早期，橡胶混凝土质量损失率呈负增长趋势，而随着冻融循环次数增多，质量损失率增大并逐步上升；相对动弹性模量、抗压强度、劈裂抗拉强度曲线随冻融循环次数增多均逐步下降。

（2）聚丙烯纤维能够提升橡胶混凝土的抗冻性能；纤维对抗拉强度的提高效果高于抗压强度；就质量损失率、相对动弹性模量及强度指标综合来看，聚丙烯掺量为1.80%时橡胶混凝土的抗冻性能最优。

（3）基于相对动弹性模量、抗压（劈裂抗拉）强度建立了二次型冻融损伤劣化模型。通过试验数据回归分析，发现模型拟合精度较高，表明二次型函数模型能较准确地描述聚丙烯纤维橡胶混凝土的冻融损伤规律。