混杂纤维混凝土抗盐冻性能试验研究

李国东，张 楠

（东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

中国北方地区冬季常采用撒除冰盐的方式进行除雪，经过冬冻春融后，混凝土遭受冻融循环和氯盐侵蚀的共同作用，引发混凝土表面剥落和钢筋锈蚀，材料的劣化导致其结构性能退化，极大地影响混凝土的耐久性能，使其无法达到预期的使用年限，同时产生较大的安全隐患。因此深入开展混凝土抗盐冻耐久性研究十分重要[1-2]。

纤维增强技术可以使混凝土的力学性能及耐久性能比普通混凝土更为优良，因此受到了研究人员的广泛关注[3-4]。目前，国内外学者对于纤维混凝土的研究主要包括：单一纤维增强混凝土力学性能的研究[5-6]和纤维混凝土在单一因素作用下耐久性研究[7-8]。已有研究均表明纤维对混凝土具有增强效果，但单一纤维只能在特定的裂缝处进行搭接阻裂。混杂纤维混凝土作为新型建筑材料，抗弯拉强度高且具有良好的抗渗、抗冻耐久性。目前，对于混杂纤维混凝土的研究多集中在力学性能方面，而对耐久性的研究较少，特别是对于冻融循环和氯盐侵蚀耦合作用下混杂纤维混凝土耐久性研究更为少见。

玄武岩纤维是一种无机材料，具有易于分散、化学性质稳定、成本低廉等优点，聚丙烯纤维的弹性模量较低，可以和玄武岩纤维形成优势互补的作用[9]。本文将玄武岩纤维和聚丙烯纤维按照单掺和混掺的方式加入混凝土，研究混杂纤维混凝土在冻融循环和氯盐耦合作用下的耐久性，建立基于冻融累积损伤的混凝土耐久性模型，为严寒地区混杂纤维混凝土的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比

水泥为天鹅牌P·O42.5普通硅酸盐水泥；细集料采用哈尔滨地区的河砂，为细度模数为2.4的中砂；粗集料选用公称粒径为5～20 mm连续集配的碎石；减水剂为哈尔滨翔宇混凝土外加剂有限公司提供的FDN型萘系高效减水剂，减水率为22%～24%；玄武岩纤维（BF）为浙江天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产，聚丙烯纤维（PF）为辽阳市巨欣化纤有限公司生产，纤维的主要性能指标见表1。

表1 纤维的主要性能指标Tab.1 performance parameters of fiber

根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011），设计混凝土配合比为w(水泥)∶w(水)∶w(细集料)∶w(粗集料)=477∶194∶688∶1032。为研究两种纤维不同掺量对混凝土的影响，本试验以普通混凝土（OC）为对照组，保持混凝土配合比不变，通过加入不同掺量的纤维形成各试验组，命名为BF**PF**。BF表示掺玄武岩纤维混凝土，PF表示掺聚丙烯纤维混凝土，字母后面的数字表示纤维掺量。如BF10表示掺入体积分数为0.10%的玄武岩纤维混凝土。试验组配合比参数见表2。

表2 混凝土配合比设计参数Tab.2 design parameters of concrete mix proportions

1.2 试验方案

（1）混凝土力学试验

力学性能试验参照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13—2009）进行，标准养护28 d时取出试块，分别进行抗压、劈裂抗拉强度试验。试验均采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，每组试块均为3个。

（2）混凝土抗盐冻试验

混凝土抗盐冻试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）中的快冻法进行。试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，每组3块。试验前将试件放入质量分数为3.5%的NaCl溶液中浸泡4 d。试验过程中，每25次冻融循环后取出试件，将试件晾干后，称取试件质量并测算其动弹性模量。评价混凝土冻融损伤的两个重要指标为质量损失率和相对动弹性模量。经N次冻融循环后混凝土的质量损失率为

式中：m0为冻融循环前混凝土的质量，g；mN为经N次冻融循环后混凝土的质量，g。

经N次冻融循环后混凝土相对动弹性模量为

式中：f0为冻融循环前混凝土的初始横向基频，Hz；fN为经N次冻融循环后混凝土的横向基频，Hz。

当出现下列情形之一时，终止试验：①冻融循环次数达到200次；②相对动弹性模量下降至60%；③质量损失率达到5%。

表1给出了指数分布参数λ1和λ2的变化对决策的影响，可以看出λ1和λ2对最优参数m*和N*有显著影响。随着λ1和λ2变大，最优全周期期望维修费率(ECR*)也会增加。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度

各组混凝土立方体抗压强度试验结果见图1。

图1 纤维对混凝土抗压强度的影响Fig.1 effect of fiber on compressive strength of concretes

由图1可见，单掺或混掺纤维均能小幅度提高混凝土抗压强度，BF15的抗压强度在单掺纤维系列中最高，为51.3 MPa，较OC提高了14%；BF10抗压强度最低，较OC降低了4.7%。混杂纤维系列中，BF15PF10抗压强度最高，为52.1 MPa，较OC提高了15.8%；对于玄武岩纤维混凝土的抗压性能，随着纤维掺量的增加抗压强度呈先减后増再减的趋势，对于聚丙烯纤维混凝土和多数混杂纤维混凝土的抗压性能，随着纤维掺量的增加抗压强度呈先増后减的趋势，与相关研究[10-11]中的现象相似。这是由于掺入少量的BF使混凝土内部产生孔隙，但少量纤维不足以形成有效的“网络骨架”，纤维的增强作用抵不过纤维缺陷，从而导致抗压强度下降；当纤维掺量逐渐增加到一定量时，纤维之间形成数量较多的“网络骨架”，分散了部分应力，并通过纤维与水泥浆的黏结力约束混凝土在受压过程中产生的变形，延缓了受压破坏过程，从而提高了混凝土抗压强度；掺入过量纤维会使其在混凝土内分布不均，导致内部密度变差，从而降低了混凝土抗压强度。混杂纤维混凝土系列中，各组均存在抗压强度小于单掺纤维组的情况，说明掺入过量纤维产生了“负混杂效应”，导致抗压强度下降。

以上分析说明BF和PF在混凝土中存在最佳掺量，并非掺量越大增强效果越好。从增强抗压强度角度考虑，BF和PF最佳掺量分别为0.15%和0.10%，在此掺量下，BF和PF在混凝土中形成均匀的三维纤维网，有效约束了横向变形[12]。另外，两种弹性模量相差极大的纤维形成互补作用，聚丙烯纤维在混凝土破坏早期阶段减少了裂缝源生成的数量，玄武岩纤维抑制了混凝土宏观裂缝产生。两种纤维取长补短，互作优势，在不同层次上发挥作用，从而提高了混凝土的抗压强度。

各组混凝土试块劈裂抗拉强度见图2。

图2 纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.2 effect of fiber on splitting tensile strength of concretes

由图2可见，总体趋势上，单掺或混掺纤维均显著提高了混凝土劈裂抗拉强度，单掺纤维系列中PF15劈裂抗拉强度最高，为4.38 MPa，较OC提高了22%。混杂纤维系列中BF10PF15劈裂抗拉强度最高，为4.6 MPa，较OC提高了28%；无论单掺还是混掺系列，随着纤维掺量的增加，劈裂抗拉强度均呈先増后减的趋势。结合纤维在混凝土中的分布情况分析其原因为：适量的纤维在混凝土内分布均匀，在试块受拉过程中与混凝土基体共同承担受拉荷载，直至纤维被拔出或拔断，破坏特征表现出较好延性，从而提高混凝土劈裂抗拉强度。而掺入过量纤维使混凝土在制作过程中难以搅拌，和易性变差，说明其难以在混凝土内分散均匀，这就增加了混凝土内部的薄弱区域，但其对混凝土的增强作用仍大于其削弱作用，因此各组纤维混凝土劈裂抗拉强度均大于OC。混杂纤维系列中，在适量掺量下混杂纤维提高了混凝土劈裂抗拉强度，两种纤维在混凝土受拉破坏时从不同尺度和不同阶段发挥阻裂作用，低弹性模量的聚丙烯纤维在受拉损伤初期阶段抑制和延缓微裂缝的生成与扩展，而高弹性模量的玄武岩纤维在受拉损伤后期控制了裂纹生成，从而显著提高混凝土的劈裂抗拉强度，表现出“正混杂效应”。但存在劈裂抗拉强度小于单掺纤维组的情况，这也说明纤维掺量过大时产生了“负混杂效应”。因此在混凝土劈裂抗拉强度上BF和PF最佳掺量分别为0.10%和0.15%。

2.2 混凝土质量损失率和相对动弹性模量

OC和各组纤维混凝土质量损失率随冻融循环次数N变化见图3。

图3 混凝土的质量损失率Fig.3 mass loss rate of concretes

由图3可见，N≤25时，各组混凝土的质量损失率下降，这是由于试验初期混凝土内部存在微裂缝，随着试验进行裂缝逐渐扩展同时吸收NaCl溶液直至饱和，混凝土脱落的质量小于吸收NaCl溶液的质量，使混凝土质量略微增加。N为25时，冻融循环后混凝土外部损伤加剧，并伴随着水泥砂浆和粗骨料脱落，混凝土损失的质量远大于吸收NaCl溶液的质量，导致质量损失率增大。N＞125时，各组质量损失增长速率显著加快；随着冻融循环次数继续增长，各组质量损失率逐渐增加，但均未达到5%；N为200时所有试验组均终止试验。相对于OC，各组纤维混凝土均能不同程度减少质量损失，其中N为200时，BF10PF20质量损失率最小，较OC降低55.4%。

OC和各组纤维混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数N变化见图4。

图4 混凝土的相对动弹性模量Fig.4 relative dynamic elastic modulus of concretes

由图4可见，随着冻融循环次数增加，混凝土动弹性模量均呈现不同程度的下降趋势。N≤75时，各组混凝土动弹性模量下降较缓慢；75＜N≤125时，混凝土动弹性模量下降速度略微增大；N＞125时，混凝土的动弹性模量下降速度急剧增大。在整个冻融试验过程中，OC破坏程度最大，N为200时，动弹性模量为冻融前的66.1%；PF15较BF15曲线下降速度快，这说明在提高混凝土抗盐冻性能上，玄武岩纤维优于聚丙烯纤维。200次冻融循环时，各组混凝土相对动弹性模量为：OC＜PF15＜BF15＜BF20PF20＜BF20PF10＜BF15PF15＜BF10PF20，其中BF10PF20相对动弹性模量为87.1%，较普通混凝土减少损失31.8%。说明合理掺量的混杂纤维改善混凝土内部结构的效果优于单掺纤维，更利于提高混凝土的抗盐冻性。各组混凝土试块经200次冻融循环后的外貌见图5。

图5 200次冻融循环后混凝土的外貌Fig.5 appearance of concrete after 200 freeze-thaw cycles

综上所述，在冻融循环与氯盐耦合作用下，掺入玄武岩-聚丙烯混杂纤维能够降低混凝土的质量损失率并提高相对动弹性模量，当BF掺量为0.10%、PF掺量为0.20%时抗盐冻性能最佳。

3 机理分析

3.1 冻融循环与氯盐耦合作用下混凝土破坏机理

目前关于混凝土抗冻性的理论研究主要有：渗透压理论、静水压理论、温度应力理论和临界饱水度理论。混凝土的盐冻破坏本质上归属于冻融破坏，但在冻融循环与氯盐耦合作用下，混凝土的劣化程度远大于单因素作用。其原因为：随着冻融循环的进行，混凝土中微裂缝的数量逐渐增多，为Cl-向混凝土内部迁移创造了便利条件，从而加剧了氯盐腐蚀速度。另一方面，NaCl加剧了混凝土冻融破坏速度，主要体现在以下方面：①NaCl增加了混凝土初始饱水度，当其大于临界饱水度时，混凝土内部会产生较大拉应力，随着冻融循环次数的增加，拉应力逐渐增大，对混凝土内部结构造成破坏；②当温度低于0℃时，由于混凝土内部部分水分结冰，孔隙内盐溶液浓度逐渐上升，内部浓度差导致渗透压的产生，当渗透压超过临界值时，混凝土发生开裂；③在化学反应中，NaCl溶液与铝酸三钙和铁铝酸四钙的水化产物水化铝酸三钙反应，生成Friedel盐，该复合盐极易膨胀，导致混凝土内部结晶压增大，从而引发混凝土开裂。该反应消耗混凝土中大量的Ca(OH)2，打破了C-S-H和Ca(OH)2的平衡，对混凝土结构强度造成了极为不利的影响。

图6、图7为各组混凝土冻融循环前、200次冻融循环后通过扫描电镜观察的试验结果。可以看出，试验前混凝土中各水化产物分布均匀、连续，整体结构较密实，仅存在较少微裂缝。经200次冻融后，基体出现大量裂缝，内部孔隙变大，整体性较差。骨料与C-S-H凝胶之间黏结减弱，基体中出现了大量的板状Ca(OH)2和针棒状的钙矾石。此时混凝土内部致密度大幅下降，表现特征为动弹性模量降低。这是由于冻融试验过程中混凝土内部毛细孔反复冻融，孔隙受到膨胀压应力和渗透压作用，压应力逐渐增大至超过混凝土抗拉强度时，混凝土发生开裂，并随着冻融循环次数增加，NaCl溶液会逐渐渗透到基体内部，产生结晶膨胀，使内部微观裂缝连接贯通，形成宏观裂缝[13]，从而引起混凝土结构破坏。

图6 冻融循环前混凝土的微观结构Fig.6 microstructure of concrete before freeze-thaw cycles

图7 200次冻融循环后混凝土的微观结构Fig.7 microstructure of concrete after 200 freeze-thaw cycles

3.2 纤维改善混凝土耐久性作用的机理

由图7可以看出，纤维与基体的连接界面及拔出痕迹，冻融循环前的痕迹较光滑；经冻融循环后拔出的通道粗糙，且出现较多裂缝，这说明纤维通过与水泥浆体表面间的分子吸附力和基体间的黏结力，抑制了混凝土裂缝的发展。另外，掺入的纤维产生了一些孔隙和通道，从而缓解了一部分集中应力。减缓了混凝土盐冻破坏速度，提高了混凝土抗盐冻性能。

由上述分析的盐冻条件下混凝土的破坏机理可知，提高混凝土的抗盐冻性，归根结底在于改变外部环境和改善内部结构。通常条件下，外部盐冻环境无法人为干预，但在混凝土中掺入纤维可改善混凝土内部结构，从而提高混凝土抗盐冻性能，其改善机理为：①呈散乱分布的纤维抑制了粗骨料下沉，减小了混凝土内部缺陷。纤维阻碍了混凝土内部毛细管通道，抑制了水分蒸发，减小了混凝土早期塑形开裂，从而提高了抗盐冻性能；②纤维的掺入起到了引气作用，缓解了由盐冻产生的膨胀压和渗透压，从而抑制了盐冻裂缝的生成；③两种纤维表面摩擦系数较大，能形成可靠的黏结力抵消冰冻膨胀力，延缓了盐冻裂缝的生成；④纤维在混凝土受冻开裂过程中起到桥接的作用，延缓裂缝产生的应力集中现象，约束裂缝进一步发展。

综上所述，BF和PF纤维均能提高混凝土抗盐冻性，冻融循环初期，弹性模量较小的聚丙烯纤维抑制了原生裂缝的发展，在冻融循环中后期，弹性模量较大的玄武岩纤维可抑制宏观裂缝的产生，将两者进行混杂可以达到优势互补的作用，显著提高了混凝土抗盐冻性。

4 寿命预测

一般而言，当混凝土的质量损失率达到5%或冻融累计损伤度达到40%，即认为混凝土结构发生冻融破坏[14]。混凝土盐冻破坏过程中，混凝土因为试验前期吸收水分而使其质量增加。因此用质量衰减模型评价混凝土的冻融损伤程度误差较大。在本试验设计的配合比下，根据动弹性模量变化规律，对武海荣等[14]给出的公式进行修正，得到在冻融循环和氯盐耦合作用下的混凝土冻融损伤预测模型为

式中：D为混凝土的冻融循环累积损伤，无量纲；E0为初始动弹性模量，MPa；EN为试块经N次冻融循环后的动弹性模量，MPa；N为冻融循环次数；a、b、c为纤维掺量相关系数。

对试验数据按照式（3）进行拟合，拟合系数见表3、拟合曲线见图8。

图8 混凝土损伤度拟合Fig.8 concrete damage degree fitting

表3 冻融循环损伤度指数函数衰减系数Tab.3 attenuation coefficient of exponential function of damage degree of freeze-thaw cycle

由表3可以看出，各试验组拟合系数R2均大于0.99，说明建立的预测模型具有较高的精准度，在预测混凝土盐冻破坏程度方面具有较高的可靠性。利用式（3）计算混凝土冻融累计损伤度达到40%时所经过的冻融循环次数，将其作为纤维混凝土的极限冻融次数。经计算OC和BF10PF20的极限冻融次数分别为211次和330次。东北地区年均冻融次数为120次，且实验室1次冻融循环等效于12次实际自然条件下冻融循环。则混凝土抗盐冻预测寿命年限为

式中：nE为混凝土的极限冻融次数；na为东北地区年平均冻融循环次数。

按照式（4）计算OC、BF10PF20的抗盐冻耐久性寿命分别为21 a、33 a，说明混杂纤维显著提高了混凝土抗盐冻的耐久性。

5 结论

（1）玄武岩-聚丙烯混杂纤维能显著提高混凝土劈裂抗拉强度，小幅提高混凝土抗压强度，但掺入过量纤维会导致混凝土强度降低。两种纤维的混杂掺量比适当时表现出明显的正混杂效应，BF15PF10抗压强度最高，较OC提高了15.8%。BF10PF15劈裂抗拉强度最高，较OC提高了28%。

（2）混凝土动弹性模量衰减速率随冻融循环次数增加逐渐加快，混杂纤维显著延缓了动弹性模量降低速度，表明混杂纤维混凝土在冻融循环和氯盐耦合作用下具有更好的耐久性，其中BF10PF20抗盐冻性能最好，200次冻融循环后，质量损失率和相对动弹性模量分别比普通混凝土降低损失55.4%、31.8%。

（3）通过SEM微观分析，玄武岩-聚丙烯混杂纤维改善了混凝土内部结构，延缓裂缝的生成，从而提高冻融循环与氯盐耦合作用下混凝土的耐久性。

（4）基于相对动弹性模量建立了能直观反映混凝土冻融损伤规律的指数型损伤预测模型。采用该模型预估盐冻条件下混杂纤维混凝土的耐久性，结果表明玄武岩-聚丙烯混杂纤维显著提高了混凝土使用寿命。