冻融作用下复合纤维混凝土力学性能研究*

李冬霞

(嘉兴职业技术学院 浙江 嘉兴 314001)

混凝土在冻融环境下的性能退化一直是工程领域关注的重点问题。复合纤维混凝土因其独特的强度和韧性,在极端环境中显示出优异的性能。本文旨在深入研究冻融循环对复合纤维混凝土力学性能的影响,特别关注不同类型和含量的纤维对改善冻融损伤的作用。通过理论分析和实验研究,探索提高混凝土在冻融环境下耐久性的有效途径,对于提高工程结构的安全性和经济性具有重要意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 混凝土基体组成

在本次实验中,所采用的混凝土基体是由普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、水以及必要的外加剂组成。具体来说,水泥选择了42.5级普通硅酸盐水泥,这种水泥不仅具有较高的初期和后期强度,而且保证了良好的稳定性和耐久性,适合用于结构性混凝土。细骨料方面,采用了粒径小于2.36 mm 的天然河沙,其清洁度高,粒形和级配良好,有助于提高混凝土的工作性和强度。粗骨料则选用了5～20 mm 的碎石,这种碎石具有较好的抗压性能和稳定的物理特性,能有效增强混凝土的整体结构强度。

在水泥、水、细骨料和粗骨料的配比上,根据混凝土的设计强度和工作性要求进行了精细调整。重量比的调整旨在达到最佳的工作性能和力学性能,同时确保混凝土的经济性和可操作性。此外,为了进一步改善混凝土的工作性能和耐久性,我们适量添加了减水剂和其他外加剂。减水剂能有效降低混凝土的水灰比,提高其流动性,而不降低其强度和耐久性。同时,其他外加剂如缓凝剂、防冻剂等也根据具体需要适量添加,以适应不同环境条件下混凝土的施工和使用要求。通过这些精心的配比和添加剂的使用,我们的混凝土基体不仅具有良好的工作性,还具备了优异的力学性能和耐久性。

1.1.2 纤维类型与性能

本研究选用了两种主要纤维:钢纤维和聚丙烯纤维。钢纤维具有0.75 mm 的直径和60 mm 的长度,这种尺寸的纤维能有效地在混凝土内部形成锚固,显著提高混凝土的抗拉和抗弯强度。它们通过增强混凝土内部的应力传递,从而提高结构的整体稳定性和抗裂性能。钢纤维的添加对于提升混凝土在承受冲击和震动时的韧性也非常关键。

另一方面,聚丙烯纤维以其轻质、高韧性特性被用于提高混凝土的韧性和抗裂性能。这些纤维的直径为0.012 mm,长度为18 mm,能在混凝土中均匀分布,有助于改善其微观结构。聚丙烯纤维主要在混凝土硬化过程中控制水分蒸发,减少干缩导致的微裂缝,同时也增强混凝土的耐磨性和耐化学性能。纤维的掺量调整是影响混凝土性能的关键,通常以混凝土体积的百分比进行调整,以找到最佳的性能平衡点。

1.2 实验方法

1.2.1 制备与养护

混凝土的制备严格遵循标准的混凝土拌和工艺。制备过程首先从将干燥的材料包括水泥、细骨料、粗骨料和纤维彻底混合开始,确保所有成分均匀分布。接着,逐渐加入水和外加剂,继续搅拌以确保混合物的均匀性。混凝土的拌合需要严格控制,以防止材料分层或纤维聚集。完成拌合后,混凝土被浇注入预先准备好的模具中,并适当振捣,以消除混凝土中的气泡,保证其密实度。振捣后,混凝土在室温条件下养护24 h以达到初凝,然后脱模并放置在标准养护条件下,即温度控制在20±2℃,相对湿度维持在95%以上,养护时间为28天。这一阶段的养护对混凝土的最终性能至关重要,能确保混凝土发展出良好的力学性能和耐久性。

1.2.2 冻融循环过程

实验中混凝土试件在标准养护后,进行冻融循环试验,以模拟自然环境中的极端温度变化对混凝土的影响。冻融循环的具体过程是:将试件置于-20℃的环境中冻结4 h,使其中的水分完全结冰,然后将试件转移到20℃的水中解冻4 h。这样的冻结和解冻过程构成一个完整的冻融循环,模拟了自然界中日夜温差或季节性温度变化的影响。根据实验设计,试件分别经历50次、100次和150次这样的冻融循环,用以评估不同冻融次数对混凝土性能的影响。这一过程关键在于模拟并加速自然条件下可能发生的损伤,为研究混凝土的耐久性提供实验基础。

1.2.3 力学性能测试方法

为全面评估冻融循环对混凝土力学性能的影响,本研究采用了多种力学性能测试方法。

首先,通过在万能材料试验机上对立方体试件进行抗压强度测试,可以准确获得混凝土的抗压性能。这一测试对于评估混凝土的基本承载能力至关重要。

其次,抗拉强度的测定通过直接拉伸试验来实现,这种测试方法可以直观地反映混凝土在受拉状态下的性能。

最后,通过三点弯曲试验来测定混凝土的抗弯强度,此方法能有效评估混凝土在受弯载荷作用时的表现。每完成一定次数的冻融循环后,选取相应的试件进行上述力学性能测试,从而全面理解冻融循环对混凝土各项力学性能的具体影响。通过这些综合的测试方法,可以更准确地评价纤维混凝土在极端环境下的性能表现和应用潜力。

2 实验结果与分析

2.1 冻融循环对复合纤维混凝土力学性能的影响

2.1.1 抗压强度分析

本研究中的实验结果清楚地表明,冻融循环对复合纤维混凝土的抗压强度有显著影响。具体来看,所有试件的抗压强度随着冻融循环次数的增加呈现下降趋势。特别是在未掺纤维的混凝土试件中,经历150次冻融循环后,其抗压强度相较于初始状态下降了大约25%。这一结果指出了冻融循环对混凝土微结构的破坏作用,导致其抗压性能降低。相比之下,掺有纤维的混凝土试件在相同的冻融循环条件下表现出更强的抗压性能。特别是掺入钢纤维的试件,其抗压强度下降幅度约为15%,显著低于未掺纤维的混凝土。这表明纤维的加入能有效提高混凝土在冻融循环中的抵抗力,尤其是钢纤维在提高混凝土的整体结构强度方面发挥着重要作用。

2.1.2 抗拉强度分析

在抗拉强度方面,实验结果同样显示了冻融循环对混凝土性能的影响。未掺纤维的混凝土试件在经历150次冻融循环后,抗拉强度下降了大约30%,这一结果反映了冻融循环对混凝土微观结构的破坏效果,导致其在受拉状态下的性能降低。而加入纤维的混凝土试件表现出更好的抗拉性能,尤其是掺有聚丙烯纤维的试件。聚丙烯纤维的添加显著改善了混凝土在冻融循环后的抗拉强度,其下降幅度仅为大约20%。这一结果表明聚丙烯纤维在提高混凝土的韧性和减少冻融循环引起的裂缝扩展方面发挥了重要作用。

2.1.3 抗弯强度分析

对于抗弯强度的分析,结果表明冻融循环对未掺纤维混凝土的影响尤为显著。在150次冻融循环后,未掺纤维混凝土的抗弯强度下降了大约35%,这一显著的下降反映了冻融循环对混凝土结构完整性的严重破坏。然而,当混凝土中掺入纤维时,抗弯性能表现出更高的稳定性。特别是掺入钢纤维的混凝土试件,其抗弯强度的下降幅度仅为大约20%。这表明钢纤维的加入不仅增强了混凝土的承载能力,还有效提升了其在冻融循环中的耐久性。钢纤维通过改善混凝土内部的应力分布,减少了冻融循环对混凝土结构完整性的负面影响。

2.2 纤维类型和含量对冻融后性能的影响

2.2.1 不同纤维类型的比较

本研究中的实验结果清楚地展示了不同类型纤维在改善冻融后混凝土性能方面的显著差异。钢纤维以其高强度和良好的粘结性能,在提高混凝土的抗压强度和抗弯强度方面表现出色。钢纤维在混凝土中提供了有效的应力传递和裂缝控制机制,尤其是在冻融循环中,能够有效地抵抗温度变化引起的内部应力。另一方面,聚丙烯纤维因其良好的韧性和较低的模量,对于增强混凝土的抗拉强度特别有效。聚丙烯纤维能够在混凝土中形成微观裂缝的桥接作用,减少裂缝的扩展,尤其是在冻融循环过程中,这种效应更为明显。因此,根据不同的应用需求,合理选择纤维类型对于提高混凝土在特定条件下的性能至关重要。

2.2.2 纤维含量的影响

在纤维含量对混凝土性能的影响方面,实验结果显示,随着纤维含量的增加,混凝土的抗压、抗拉和抗弯强度均得到了提升。在本研究中,纤维的掺量从0.5%开始逐渐增加到2.0%,这一范围内混凝土性能的改善显著。然而,当纤维含量超过某一临界值(本实验中约为1.5%)时,混凝土性能的提升趋于饱和,甚至可能出现逆转,即性能降低。这种现象可能是由于纤维含量过高时,纤维在混凝土中分布不均匀,导致应力集中和微观结构不稳定。因此,在混凝土设计中选择适宜的纤维含量是至关重要的,这不仅关系到混凝土的机械性能,还影响其耐久性和经济效益。适当的纤维含量能够在提高混凝土性能的同时,保持其工作性和成本效益。

3 讨论

3.1 纤维增强对冻融损伤的缓解机制

纤维增强混凝土在缓解冻融损伤方面的作用主要体现在微裂缝的控制和应力分布的优化上。纤维的加入显著提高了混凝土对微观损伤的抵抗力,尤其是在冻融循环中,水分状态的变化会导致显著的内部应力。纤维通过在混凝土中形成桥接作用,有效地限制了微裂缝的扩展。

同时,纤维的存在优化了混凝土内部的应力分布,减少了由于应力集中引起的损伤。钢纤维和聚丙烯纤维的不同物理化学特性在提升混凝土的韧性和抗裂性能方面发挥着关键作用,从而增强了混凝土结构的整体耐久性。

3.2 纤维类型和含量对力学性能的综合影响

纤维的类型和含量对混凝土的力学性能产生了显著而复杂的影响。钢纤维因其高强度和优良的粘结特性,特别适合于提升混凝土的抗压和抗弯性能。其强度和粘结能力有助于增强混凝土的承载能力和抵抗裂缝的能力。相反,聚丙烯纤维更加专注于提高混凝土的抗拉强度和韧性。纤维含量的适当增加可以提升混凝土的综合性能,但过量添加可能导致不均匀分布和性能下降。合理的纤维类型和含量选择对于实现混凝土性能的最优化至关重要。

4 结语

本研究通过系统分析和实验验证,明确了复合纤维混凝土在冻融循环后力学性能的变化规律。研究结果表明,纤维的加入显著提升了混凝土的抗冻融能力,尤其是特定类型的纤维对提高冻融后的力学性能更为有效。这些发现对于工程实践中混凝土材料的选择和设计具有重要的指导意义,为冻融环境下混凝土结构的耐久性设计提供了科学依据。