玄武岩纤维混凝土抗冻性及损伤劣化模型研究

杨 海 林子增 虞业强

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司,四川 成都 610041;2.南京林业大学土木工程学院,江苏 南京 210000)

在我国,有53.5%的土地位于寒冷地带[1]。对于处在寒冷地区的混凝土结构而言,由于常常处于负温环境,冻融循环时常发生,极易在混凝土表面产生剥落、开裂的迹象,对混凝土造成特别大的破坏,严重影响结构的安全使用寿命[2-3]。研究表明,在混凝土中掺加纤维,会较好地改善混凝土的强度、韧性以及耐久性[4-5],玄武岩纤维(Basalt Fiber,BF)因具有耐高温、绿色、环保、价格低等优点,成为了增强纤维混凝土的研究主题,玄武岩纤维混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)作为一种新型复合材料引起了国内外学者的广泛关注[6-8]。

鉴于此,本文通过在基准通混凝土中掺加不同长度、不同体积掺量的BF后,开展了冻融循环对BFRC损伤劣化规律的研究,并利用压汞(MIP)测试方法探究了孔隙的变化规律,然后根据损伤力学理论,以相对动弹性模量作为参量,根据收集的试验数据分别采用指数函数和二次多项函数构建了BFRC冻融损伤劣化模型,以期为BFRC在北方地区的推广及应用提供可靠的参考。

1 试 验

1.1 材料和配合比

水泥采用南京某水泥厂生产的P·O 42.5R级水泥;

粗骨料采用粒径为5～20mm的连续级配碎石,表观密度为2.72g/cm3;

细骨料采用天然河砂,细度模数为2.78;

粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰,表观密度为2.3g/cm3;

减水剂采用聚羧酸减水剂,其减水率可达31.5%;

拌和水采用饮用自来水;

纤维采用长度为9mm、12mm的BF,其性能参数见表1。

表1 BF的性能指标

基准混凝土配合比为m水泥∶m石子∶m河砂∶m粉煤灰∶m自来水=1.00∶3.25∶1.75∶0.25∶0.56,减水剂掺量为1.5%,BFRC配合比见表2。

表2 BRFC配合比 单位:kg/m3

1.2 过程与方法

本试验为了保证BF在混凝土中均匀分散,采用多次投料的方法进行,具体的步骤如下:

a.将碎石、河砂、水泥和粉煤灰倒入搅拌机中,干拌30s。

b.掺加80%的自来水,湿拌后再加入BF搅拌均匀。

c.将剩余20%的自来水与减水剂融合后,倒入混凝土搅拌机中搅拌。

d.将搅拌完成后的混凝土缓慢倒入模具内(模具有两种,尺寸分别为100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×100mm),并将模具中的混凝土振捣密实后抹平表面。

e.将混凝土试块标准养护24h后拆除模具,拆模后立即放入温度为(20±2)℃、相对湿度为95%的标准养护箱中养护28d。

在进行冻融循环试验之前,将BFRC试块置于(18±2)℃的水中,BRFC试块上表面距离水面20～30mm,在水中浸泡5d后进行快速冻融试验,但在整个冻融试验过程中,需确保BRFC试块完全浸水。在快速冻融试验过程中,试块最低中心温度控制在(-19±2)℃,最高中心温度控制在(8±2)℃。每冻融循环25次为一周期,一次冻融循环大约4h,冻融次数达到300次时终止试验。

在每一循环周期结束后,首先测定尺寸为100mm×100mm×400mm的BRFC棱柱体试块的质量以及横向基频,然后计算出BRFC的质量损失率Wn以及相对动弹模量Pn,分别见式(1)和式(2);在每一循环周期结束后,对尺寸为100mm×100mm×100mm的BRFC立方体试块分别进行抗压、劈裂抗拉试验,试验根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行;每4个循环周期结束后对BRFC试块进行孔结构测试试验,测试方法采用压汞测试法(MIP),仪器选用全自动压汞测孔仪,其测孔范围为3.0～3.6×104nm。

(1)

(2)

式中:M0为冻融循环0次BRFC试块的质量;Mn为冻融循环n次后BRFC试块的质量;f0为冻融循环0次BRFC试块的横向共振频率;fn为冻融循环n次后BRFC试块的横向共振频率。

2 试验分析

2.1 质量损失率

冻融循环下BRFC试块的质量损失率的变化规律见图1。从图1可以看出,在冻融循环下,BRFC试块质量损失率表现为先降后升。整个冻融循环过程大致可分为两个阶段:第一阶段,质量增长期;第二阶段,质量减少期。

图1 在冻融循环下BRFC的质量损失率的变化规律

当冻融循环达到50次时,7组BRFC试块的质量损失率均出现了负增长的现象,即BRFC试块质量增加,这是因为在冻融循环初期,冻融循环对BFRC试块的破坏相对较弱,破坏导致BFRC试块外表层剥离的砂浆质量低于BRFC试块吸收水分的质量,因此BFRC试块的质量有所增加。随着冻融循环次数的持续增加,BFRC试块表面裂缝逐步扩大,BFRC表层的砂浆持续脱落,且脱落的质量远大于微裂缝吸收水分的质量。冻融循环达到150次以后,PC的质量损失率开始大幅度增加,而掺加BF的6组试块的质量损失率仍以较为平缓速率增长。

在冻融循环300次时,PC、BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的质量损失率分别为3.86%、2.42%、2.04%、2.22%、2.68%、2.38%、2.49%,PC的质量损失率分别是BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的160%、189%、174%、144%、162%、155%,可以明显看出:掺加不同长度、不同体积掺量的BF对混凝土质量损失率变化规律的影响并不明显,但BF掺加对混凝土延缓质量损失有很大帮助,这是因为BF在混凝土中乱向分布,增加了其整体性,并且BF的拉结作用对混凝土开裂具有良好的抑制效果,可约束其外部损伤,使其表层砂浆不易脱落。

2.2 相对动弹性模量

冻融循环下BFRC试块的相对动弹性模量的变化规律见图2。从图2可以看出,在前50次的冻融循环过程中,7组BRFC试块的相对动弹性模量下降较为平缓,下降幅度很小,这是因为冻融循环破坏是从混凝土表层慢慢发展到内部的过程,在冻融前期,主要是混凝土的表层发生冻融损伤,而混凝土内部冻融损伤较轻。此后,随着冻融次数的增加,7组BRFC试块的相对动弹性模量下降幅度逐渐增大,这是由于这种冻融损伤随着次数的增加逐渐由外层向内层扩展,混凝土内部逐渐发生冻融损伤劣化。在冻融循环50次后,7组BRFC试块的相对弹性模量下降幅度明显不同,其中PC下降幅度最为明显,在曲线图中一直处于最下方,而另外6组BRFC试块的相对动弹性模量都在PC的上方,BF9-1.0处在图的最上方,BF9-0.5、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的相对动弹性模量介于PC与BF9-1.0之间。BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5相比,PC的相对动弹性模量下降最为迅速,而其他6组BRFC试块的相对动弹性模量下降较为平缓,冻融损失增加较为缓慢,这就说明BF能有效改善混凝土的内部结构,抑制混凝土微裂缝的扩大,减弱冻融循环对混凝土的损伤程度,对延缓混凝土相对弹性模量的下降起到了有利作用。冻融循环300次时,PC、BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的相对弹性模量分别为56.5%、68.7%、73.7%、70.6%、64.5%、69.4%、67.6%,BF9-1.0的相对动弹性模量最大,当冻融循环达到300次时,BF9-1.0的相对动弹性模量为PC的130%,即7组试块中BF9-1.0内部结构最为密实,说明掺加长度为9mm、体积掺量为1.0mg/m3的BF对混凝土抗冻性能的改善效果更好。

图2 在冻融循环下BFRC的相对动弹性模量的变化规律

2.3 抗压、劈裂抗拉强度

冻融循环下BFRC试块的抗压、劈裂抗拉强度及其损失率的变化规律见图3和图4。从图3和图4可以看出,在前50次的冻融循环中,7组试块的强度基本维持不变,下降幅度较小。随着冻融次数的增加,7组试块的抗压、劈裂抗拉强度曲线均开始出现明显的下降。在相同冻融循环次数下,混凝土试块的抗压、劈裂抗拉强度从高到小依次为:BF9-1.0>BF9-1.5>BF12-1.0>BF9-0>BF12-0.5>BF12-1.5>PC,说明掺加BF能提高混凝土的抗压、劈裂抗拉强度,这是因为BF在混凝土中呈现无序排列状态,对混凝土起到了增强与增韧作用[10,18]。冻融循环300次时,PC、BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的抗压强度损失率分别为54.03%、38.98%、34.09%、34.88%、39.50%、37.07%、41.36%;BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5的劈裂抗拉强度损失率分别为50.09%、34.10%、31.66%、32.72%、35.43%、32.96%、37.65%,说明掺加BF能延缓混凝土试块的抗压、劈裂抗拉强度的下降幅度,有效地提高试块的抗冻性。此外,相比BF9-0.5、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF9-1.5,BF9-1.0的抗压、劈裂抗拉强度损失率最低,PC的抗压、劈裂抗拉强度损失率分别是BF9-1.0的158%、161%,说明BF9-1.0具有更加优异的抗冻融能力。

图3 冻融循环下BRFC抗压强度及其损失率的变化规律

图4 在冻融循环下BRFC劈裂抗拉及其损失率的变化规律

2.4 孔隙率及孔隙分布

首先将冻融循环0次、100次、200次、300次的混凝土试块,置于烤箱中烘干至恒重,然后将试块敲成5mm左右的颗粒状样品,最后称3.5～4.0g的颗粒状样品进行压汞测试。孔隙结构按孔径大小大致可分为如下3类:小孔(D<0～100nm)、中孔(D=100～1000nm)、大孔(D>1000nm)[19-20]。

图5为冻融循环下PC孔隙分布变化图。由图5可知,在冻融循环前期,PC内部孔隙主要以小孔为主,占比可达70.86%,中孔、大孔各占17.79%和11.35%。随着冻融循环次数的增加,中孔与大孔的占比越来越大,当冻融循环次数达到300次时,大孔的占比大大增加,达到了31.17%,BFRC试块发生了明显的劣化,这就说明冻融损伤破坏是混凝土的内部孔隙结构逐渐演变的结果,在渗透压力与冻胀力的作用下,小孔隙逐步发展成中孔、大孔,进而产生微裂隙,导致浆体结构发生破坏。

图5 在冻融循环下PC孔隙分布变化情况

BFRC试块在冻融循环过程中的孔隙分布变化见表3。可以看出,在相同冻融条件下,BF9-0.5、BF9-1.0、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF12-1.5的中孔与小孔的占比之和明显高于对照组PC,说明掺加BF可以有效提高混凝土中孔和小孔的占比,降低大孔的占比,对混凝土的孔隙分布有着明显的改善作用。此外,相比BF9-0.5、BF9-1.5、BF12-0.5、BF12-1.0、BF12-1.5,BF9-1.0的小孔和中孔的占比更高,这说明BF9-1.0的微观结构更加致密。

3 冻融损伤劣化模型

冻融循环作用对混凝土的破坏由外向内逐渐减弱,并且纵波传播速度变化较小,故采用相对动弹性模量定义冻融损伤较为合理[21],可对损伤程度进行较好的评价。本文基于相对动弹性模量的变化规律,根据混凝土冻融损伤力学,分别构建了指数函数、二次多项函数冻融损伤模型,并预测了BFRC在北方地区的使用寿命。

表3 在冻融循环下BFRC的孔隙分布变化 单位:%

3.1 指数函数模型

根据冻融损伤力学定义混凝土损伤度DE:

DE=1-EN/E0

(3)

式中:E0为BFRC试块冻融循环0次的动弹性模量;EN为BRFC试块冻融循环N次的动弹性模量。

基于由式(3)计算出的混凝土冻融损伤度DE1,构建指数函数冻融损伤模型(Boxlucas1 Mod模型),如式(4)所示,拟合曲线见图6,拟合结果见表4。

图6 冻融循环下混凝土冻融损伤度DE1的拟合曲线

表4 指数函数拟合结果

DE1=a(1-bN)

(4)

式中:N为冻融循环次数;a、b为模型的待定系数。

图6为冻融循环次数下冻融损伤度DE1的拟合曲线。由图6可知,随着冻融次数的增加,冻融损伤度DE1不断增大。冻融循环0～50次时,7组试块的损伤度接近,随着冻融次数的继续增加,PC与掺加BF的6组试块的差异逐渐扩大。75次冻融循环后,PC损伤度远远高于BFRC,说明掺加BF,可以延缓和抑制混凝土的破坏,提高混凝土的抗冻性能。表4为指数函数损伤模型的拟合结果,相关系数R2很高,均在99%以上。

3.2 二次多项函数模型

在冻融循环试验数据的基础上,根据冻融损伤力学定义混凝土冻融损伤度DE2,利用二次多项函数,构建混凝土冻融损伤定量数学模型,如式(5)所示,拟合曲线见图7,拟合结果见表5。

图7 冻融循环下混凝土冻融损伤度DE2的拟合曲线

表5 二次多项函数拟合结果

DE2=aN2+bN+c

(5)

式中:N为冻融循环次数;a、b、c为损伤模型的待定系数。

图7为冻融循环次数下冻融损伤度DE2的拟合曲线图,由图7可知,掺加BF试块的冻融损伤以及损伤速率都明显小于未掺加BF的PC,其中掺加长度为9mm、体积掺量为1.0kg/m3的BFRC对减缓冻融损伤以及损伤速率的效果最佳。7组BRFC试块试验数据与拟合曲线吻合程度很高,可以很好地反映在冻融循环次数下BFRC损伤规律。二次多项函数拟合结果见表5,可以看出,二次多项函数损伤模型的相关系数R2在99%以上。

指数函数和二次多项函数所构建的冻融损伤模型相关系数R2均接近1,这就表明两种函数所构建的冻融损伤模型的拟合精度均很高,均可以对BFRC冻融损伤程度进行准确的预测。

3.3 BFRC寿命预测

采用指数函数冻融损伤模型(Boxlucas1 Mod模型),对BFRC的抗冻使用寿命进行预测,计算BFRC的相对动弹性模量降为初始60%所对应的冻融次数。每年我国西北、东北、华北各地区的平均冻融循环次数分别为120次、118次、84次[22],基于我国现行规范室内快速冻融循环一次大致相当于自然环境下冻融循环10～15次,本文按10次计算我国北方各地区BFRC的使用寿命,结果见图8。

图8 BFRC抗冻使用寿命预测

由图8可知,BFRC在北方各地区的使用寿命明显高于PC,掺加BF能显著提升混凝土抗冻性能,其中BF9-1.0提升幅度最大。冻融损伤模型的构建不仅可以对BFRC在冻融循环环境下的使用寿命进行准确的预测,也可为北方地区BFRC的推广应用提供可靠的参考。

4 结 论

a.在冻融循环初期,7组BFRC的质量损失率均表现出“负增长”;随着冻融过程的持续,BFRC的质量损失率逐步上升,而相对动弹性模量以及抗压与劈裂抗拉强度逐步下降;通过分析发现,掺加BF可有效降低混凝土试块的质量损失率以及抗压与劈裂抗拉强度的损失率,提高相对动弹性模量以及抗压与劈裂抗拉强度。

b.掺加BF能够减缓混凝土冻融破坏,提高抗冻性,其中,BF9-1.0抗冻性能最优,冻融循环300次时,BF9-1.0的相对动弹性模量为PC的130%,PC的质量损失率以及抗压、劈裂抗拉强度损失率分别是BF9-1.0的130%、158%、161%。

c.MIP结果显示,PC冻融循环300次后,大孔的占比明显提高,占比提高至31.17%,这说明冻融损伤破坏是混凝土的内部孔隙结构逐渐演变的结果;在相同的冻融条件下,BFRC的小孔与中孔占比之和明显高于PC,说明掺加BF对混凝土的孔隙分布有着明显的改善作用。

d.基于指数函数和二次多项函数构建了以相对动弹性模量为损伤变量的损伤模型。通过试验数据回归分析,发现两种函数的相关系数R2均在99%以上,拟合精度高,可以准确预测BFRC的冻融损伤程度。