冻融循环作用下纤维混凝土动态抗压性能

王维良,逯静洲,孔政宇,王建伟

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

世界各地寒冷地区的水工混凝土都遭受着冻融循环带来的耐久性问题,就此问题,部分学者通过对混凝土构件进行快速冻融试验、抗压试验、微观试验,分析冻融循环对于混凝土力学性能损伤情况,并通过数值分析总结了混凝土力学性能衰减的规律[1-6]。由于纤维混凝土的耐久性颇为优秀,随着建筑物对于混凝土性能要求的提高,部分学者对其进行了深入研究,对冻融纤维混凝土的研究取得了一些进展。王纯璇[7]通过对不同配合比下PVA纤维混凝土进行冻融试验,得到其力学性能的损伤情况,建立了能较好演化损伤过程的PVA纤维混凝土冻融损伤模型;孔令康等[8]研究了PVA纤维和纳米SiO2在盐、冻双重侵蚀下不同纤维掺量的混凝土的抗冻性能。REN等[9]通过对掺加纳米颗粒和合成纤维的混凝土经冻融循环和硫酸盐侵蚀后的孔隙特征、质量变化等指标变化,提出一种解释混凝土在冻融循环下的破坏机理。王建伟等[10]研究了受冻融的纤维混凝土在动态抗压试验后表观特征、相对动弹性模量、抗压强度等的损伤情况,得出纤维混凝土冻融后的损伤特性。在研究混凝土破坏机理的过程中,粗骨料-混凝土界面过渡区(ITZ)的破坏作为混凝土破坏的一个重要的原因。SHEN等[11]采用SEM电镜等手段研究了混凝土ITZ区域在不同冻融循环次数下的微观形态、力学性质及脱粘情况。但对受冻融循环后纤维混凝土的孔隙结构研究还比较少见。

针对部分地区的建筑物对抗震和抗冻性能都有要求,普通混凝土不能满足需求,因此需要对纤维混凝土经冻融循环后动态抗压性能开展研究,探究何种掺料的混凝土可以满足抗震、抗冻双重要求,故本文设计了PVA纤维和纳米SiO2为掺合料的三组不同掺法的纤维混凝土,以冻融循环次数和应变速率作为试验变量,对纤维混凝土先进行快速冻融试验,然后进行单轴动态抗压试验,最后对破坏的混凝土试件进行了SEM电镜试验。综合分析实验数据,得出三组混凝土动态抗压性能及抗冻性能的优劣关系。

1 配合比与试验方法

1.1 原材料及配合比

试验的原材料为:冀东牌P·O 42.5R普通硅酸盐水泥作为胶凝材料;粗细骨料分别采用玄武岩碎石(公称粒径5～30 mm)和天然河砂(细度模数为2.8);烟台市自来水(符合JGJ 63—2006)[12];添加了莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产的灰霸牌混凝土减水剂和引气剂作为外加剂;掺合料为上海锴源化工科技有限公司生产的PVA纤维(长度12 mm,直径15 μm,抗拉强度1830 MPa,断裂伸长率6.9%)和河北科泽金属材料有限公司生产的纳米SiO2(粒径20 mm,纯度99.9%,白色球形晶体)。

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)[13]和《水工混凝土配合比设计规程》(DLT5330—2015)[14],确定本试验设计的混凝土水胶比为0.410,PVA纤维体积分数为0.1%,纳米SiO2质量分数为1.0%。

表1 混凝土配合比

1.2 试验概况

本试验以掺合料种类、冻融循环次数和应变速率为变量,采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体混凝土试件(36组试件,每组3个,共计108个)。试件的分组和编号为:P、S、SP分别代表不同掺合料混凝土的组别;Ti(i=0,1,2,…,4)代表冻融次数,分别是冻融循环0、25、50、75和100次;Di(i=1,2,3)代表单轴压缩应变速率,分别是10-5s-1、10-4s-1和10-3s-1。

冻融试验:试件经标准养护28 d,养护完成后,放入清水浸泡4 d开始试验,然后使用混凝土快速冻融试验机(NELD-BFC型)进行快速冻融试验,控制混凝土中心温度在(-18±2)～(5±2) ℃之间,一次循环时间为3.5 h,对不同组混凝土分别冻融循环25次、50次、75次和100次。试验全程依照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GB/T 50082—2009)[15]中的规定进行。

单轴压缩试验:冻融试验完成后,将试件晾干,使用电液伺服压力试验机(YAW-2000D型)进行单轴动态抗压试验,应变率采用10-5s-1、10-4s-1和10-3s-1,匀速加载至试件破坏。

SEM电镜扫描试验:对冻融循环0、50、100次后的三组混凝土试件进行切片(切片过程中注意不能破坏样品的结构),然后用乙醇将长宽约为5 mm的片状样品进行超声波清洗,随后将样品烘干12 h,真空喷金处理后,使用扫描电镜(JSM-7610F型)对样品进行微观形貌的观察。

2 结果与分析

2.1 混凝土峰值应变变化分析

在动态加载下,混凝土的峰值应变随着应变率的提高而下降,为了更好地表现应变速率对于混凝土峰值应变的影响,本研究用应变损失率这个指标来呈现应变率提高对混凝土峰值应变的影响。公式如下:

(1)

式中:EC为应变损失率,εDn为应变率为Dn时混凝土的峰值应变,εDn+1为应变率为Dn+1时混凝土的强度。

由图1(a)可知三组混凝土中,SP组的峰值应变最大,P 组次之,S组最小。图1(b)、(c)呈现的整体趋势是,S组的混凝土的应变损失率最高,P组次之,SP 组的损失率最小且与前者相差较大。图1(c)中各组的应变损失率比图1(b)中各组整体下降了1.5%～2.0%。这说明三组混凝土之间,SP组的延性最好,P组次之,S组最差。

图1 各组冻融混凝土在不同应变率下的峰值应变损失率

2.2 混凝土强度变化分析

在动态加载下,混凝土的强度随着应变率的改变而变化,为了更好地表现应变率对于混凝土强度的影响,本研究用强度变化率这个指标来呈现应变率变化带来的强度变化。公式如下:

(2)

式中:PC为强度变化率,σDn+1为应变率为Dn+1时混凝土的强度,σDn为应变率为Dn时混凝土的强度。

如图2(a)所示,各组混凝土中S组初始强度最高,SP组次之,P组强度最低。随着冻融次数的增加,S组的强度下降最快,在冻融一百次后S组的强度已经低于SP组。图2(b)、(c)分别是10-5～10-4s-1和10-4～10-3s-1两种情况,随着应变率的提高,混凝土的强度整体上呈提高的趋势。在应变率由10-5～10-4s-1的情况下,三组的混凝土抗压强度的变化率均为正值,P组的强度强化效果最好,随着冻融次数的增加逐步从3.01%到11.06%;S组和SP组的变化率一直在2%到4%之间,两组的强度变化率相仿。在应变率由10-4～10-3s-1的情况下,S组的混凝土强度变化率为零,掺入PVA纤维的P组和SP组的混凝土强度变化率大体上是正值且维持在2%～4%,只有P组在冻融一百次后出现了负值。

图2 各组冻融混凝土在不同应变率下的强度变化率

综上,S组混凝土强度最高,但抗冻性最差,强度损失最快,且应变率的提升带来的抗压强度强化最弱;而掺加PVA纤维的两组强度虽较前者略有不足,但强度损失变慢,抗冻性得到提高,且应变率对于混凝土的强化效果提升,尤其是在冻融次数较大时,PVA纤维的效果更加明显。上述结果表明应变率提高会提高混凝土抗压强度,但随着应变率的持续提高,对于延性较差的S组混凝土,应变率的提升已经不足以带来强化作用;而掺加PVA纤维的两组混凝土的延性良好,所以应变率的提升依然给混凝土提供正向的作用,但因为P组的混凝土强度低,在冻融一百次后,混凝土内部损伤过大,在应变率持续提升的情况下,纤维尚未发挥作用试块就已经破坏,故出现了强度变化率为负值的情况。

2.3 纳米SiO2微观作用机理

纳米SiO2的掺加使混凝土的强度提高,而混凝土内部的孔隙与ITZ界面区是薄弱处,故本研究从纳米SiO2对于孔隙及ITZ 的影响来分析其提高混凝土强度的机理。图3是混凝土经受冻融循环后的SEM扫描电镜照片,从图3(a)中不难看出微气孔内部有许多附着的针状钙矾石和C-S-H凝胶,SiO2能与混凝土中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,这种物质也能起到对微孔道的填补作用,且纳米级的SiO2能够让这一反应进行得更快更彻底。这促使混凝土的结构更加密实使其强度更高。在图3(b)中,左侧区域为粗骨料,右侧区域为混凝土,可以看出过渡区的界面清晰可见,并且两区域之间有明显的孔隙,说明粗骨料-混凝土界面是具有一定厚度和大小的软弱层,而不是理想的一层界面,其相对来言的多孔性,是ITZ界面脱粘的来源。从图3(c)可以看出,界面处为水泥浆体提供了足够的水化空间,产生大量的水化产物在裂纹中生长,这些水化产物作为连接砂岩和混凝土的桥梁。C-S-H凝胶在ITZ中富集,呈柱状、蜂窝状的晶体辐射网状,并沿特定方向生长,分层排列,垂直于界面的交错连接。柱状、蜂窝状C-S-H凝胶叠加在粗骨料-混凝土界面中,提高了界面密度,是界面粘结强度的主要来源。

图3 S组混凝土中孔隙及ITZ处的SEM照片

相比于普通混凝土,掺加了纳米SiO2的S组混凝土内部产生更多的水化产物。这是因为当混凝土的水泥浆体发生水化反应时,水泥浆体中的离子会迅速溶解并扩散到骨料表面的水膜中。由于离子反应的活性Ca2+> Si4+,所以水膜中的Ca(OH)2晶体最早生成,其次是蜂窝状的C-S-H凝胶。由于 Ca(OH)2晶体消耗水泥浆中的大量水,这限制了C-S-H凝胶的生长,并导致ITZ的相对松散的微观结构,但当加入SiO2后,Ca(OH)2会和SiO2反应生成C-S-H凝胶,所以相比于普通混凝土,掺加SiO2的混凝土的ITZ的界面强度更高,孔隙更密实,故而混凝土的抗压强度提高。

2.4 PVA纤维微观作用机理

图4是两组纤维混凝土在经受冻融循环100次之后含纤维部分的SEM扫描电镜照片。针对实验数据中比较特殊的几种情况,通过结合微观照片进行分析。P组混凝土在经历100次冻融循环且应变率达到10-5s-1的情况下,其相较于应变率为10-4s-1时,此时应变率的提高不仅没有提高混凝土的强度,反而出现了下降。另外相较于SP组,两组的强度损失率在冻融75次前相仿,冻融次数提升到100次后P组的损失率骤然提升。结合图4(a)发现,PVA纤维并没有发生破坏,仍然是完好的状态,但是此时在经历冻融循环后混凝土砂浆部分的结构已经明显变得松散,孔洞变得粗大,部分混凝土甚至已经出现了剥落现象。对比图4(b)SP组的情况,SP组混凝土的表面相对平滑完整,且PVA 纤维出现了断裂。这证明在冻融循环100次的情况下,两组纤维混凝土相比较,由于SP组掺入了纳米SiO2,结构的密实性更强、强度更高,PVA纤维在混凝土破坏之前更完整地发挥出了自己的作用,所以在冻融循环100次时SP组还可以保持稳定强度损失率,而P组的强度则在冻融损伤较高后迅速下降。PVA纤维的掺入使得混凝土冻融循环后抵抗变形的能力增强、破坏后的完整性更好,从而提高了受冻混凝土的动态抗压性能。

图4 混凝土冻融100次后纤维部分的SEM照片

3 结 论

PVA纤维的韧性改善了混凝土的延性,在应变速率较低时,P组混凝土抗冻性能优秀,但当应变速率提高到10-3s-1,PVA纤维不能充分发挥作用,混凝土抗冻性能下滑,高冻融次数下表现尤为明显,对于抗震要求较低的地区可以选择掺加PVA纤维提高建筑物的抗冻性能;掺加纳米SiO2促进了水化反应,水化产物填充孔隙增强了混凝土的密实性,提高了冻融前的抗压强度,但其延性较差导致动态抗压性能在三组中最差,冻融后的动态抗压性能更是下降严重;而PVA纤维与纳米SiO2同时掺入,冻融前延性、强度都较为优秀,冻融后两种掺料的协同工作使混凝土在较高的应变速率和冻融次数下性能得以充分的发挥,故而综合动态抗压性能、抗冻性能最优。