何锐 李丹 王帅 陈华鑫

(1.长安大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710061； 2.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心， 陕西 西安 710064；3.陕西省交通规划设计研究院， 陕西 西安 710065； 4.山西省交通科学研究院, 山西 太原 030006)

PE/HPP混杂纤维混凝土的抗冻性能*

何锐1,2李丹3王帅4陈华鑫1,2

(1.长安大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710061； 2.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心， 陕西 西安 710064；3.陕西省交通规划设计研究院， 陕西 西安 710065； 4.山西省交通科学研究院, 山西 太原 030006)

采用聚乙烯纤维(PE)和聚丙烯塑钢纤维(HPP)混杂技术制备纤维混凝土，以冻融前后的质量变化、动弹性模量、抗压强度以及弯曲性能等对其抗冻性能进行评价，并结合SEM分析从微结构角度对其损伤机理进行探讨.研究表明：冻融循环后素混凝土表面受损明显，混杂纤维掺入可以提高混凝土的完整性，表面损伤剥落减少；冻融循环过程中素混凝土的质量呈先增长后降低的趋势，而混杂纤维混凝土的质量呈持续增长状态；各配比混凝土的动弹性模量先基本不变而后下降，当纤维掺量为0.8%+1.2%时经受300次冻融循环作用后的相对动弹性模量仍保持在83.63%；各组混凝土抗压强度变化规律与动弹性模量相似；PE和HPP粗细纤维的协同作用使混凝土脆性显著改善，混杂纤维混凝土的韧性指数与残余强度随纤维掺量而变化，当掺量为0.8%+1.2%时优于理想弹塑性材料；经冻融作用后，混凝土的弯曲韧性有一定的损伤，但没有出现脆性断裂，仍表现出较好的延展性.

水泥混凝土；混杂纤维；抗冻性；弯曲韧性；微结构

冻融破环是混凝土构件最常见的病害之一，尤其在我国三北地区、长江以北以及西南高寒等地区此类病害更为严重.混凝土结构尤其是交通基础设施中的混凝土结构长期暴露在极端环境中，经受温度的循环变化作用而产生破损，严重影响结构物的耐久性[1-2].纤维混杂增强技术可在力学和结构等层次上产生互补，从而使混凝土的力学性能比单一纤维增强混凝土更为优越，因此受到研究人员的广泛关注[3-4].但目前的研究主要侧重于混杂纤维混凝土的力学、抗冲击和抗裂等性能的测试与评价，关于其抗冻融性能的研究较少[5-6].

已有研究表明，虽然研究人员对纤维素纤维/聚丙烯纤维、聚丙烯仿钢丝纤维/聚丙烯纤维、聚丙烯纤维/植物纤维等混杂纤维混凝土的抗冻性能陆续开展了研究，并发现两种纤维混掺对混凝土的力学性能及抗冻性均有一定的改善[7-9]，但截止目前，关于冻融前后混凝土弯曲韧性的变化规律以及聚乙烯纤维(PE)/聚丙烯塑钢纤维(HPP)混杂纤维混凝土冻融循环损伤机理等方面的研究尚未见报道.文中在优选配合比前提下，探究PE/HPP两种聚合物纤维混杂对混凝土抗冻性的影响，研究不同配比混杂纤维混凝土在冻融循环作用下的性能变化，并深入分析混杂纤维对混凝土抗冻性的影响机理，以期为实际工程应用提供依据.

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比

采用的水泥为冀东盾石P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为武汉阳逻电厂I级粉煤灰，45 μm筛余6.5%；粗集料为5～20 mm连续级配石灰岩碎石，表观密度为2.75 g/cm3；砂为洁净河砂，细度模数为2.69，表观密度为2.64 g/cm3；PE与HPP的物理力学性能指标见表1；减水剂为西卡高效减水剂，固含量为18%，减水率为25%.

表1 纤维的物理力学性能

基于前期研究[3]，分别控制纤维的体积掺量为0.4%+0.8%、0.4%+1.2%、0.8%+0.8%、0.8%+1.2%，以同配合比素混凝土作为对照组，设计5种(A、B、C、D、E)配合比混凝土，见表2.配合比中粉煤灰采用内掺法，占胶凝材料总质量的20%.经冻融作用后的混凝土试件编号为DR.

表2 混凝土配合比设计

1.2 试件制作与试验方法

根据表2所示配比将称量好的原材料倒入搅拌机中干拌1 min，边搅拌边倒入称量好的水与减水剂，然后将混杂纤维均匀撒入，防止PE细纤维结团，加入后搅拌3 min.按照5种配合比制备得到的混杂纤维混凝土均工作性良好，无泌水、离析、露石以及纤维结团等现象，塌落度可保持在110～160 mm.在400 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×100 mm的标准模具中浇筑成型，振动密实并抹平试件表面；24 h后脱模，在标准条件下养护至预定龄期后取出，试件表面自然晾干，准备试验.

采用快冻法进行混凝土抗冻性能研究[10]，所用测试装置为HDK-9全自动快速冻融试验机，该装置最大运行功率为9 kW，温度传感器精度为0.2 ℃.试验试件采用标准小梁试件，将试件桶侧壁及底部加橡胶片垫块后放入试件，将试件桶中加水至高过试件表面3～5 cm.采用质量测试、动弹性模量和抗压强度对混凝土冻融过程进行检测，当冻融试验达到以下任何一种情况时停止试验：冻融至300次循环；相对动弹性模量降至60%以下；质量损失率达到5%[11].采用SANS万能试验机测试试件的弯曲韧性，支座跨距为300 mm，以0.2 mm/min的加载速率匀速加载，计算机同步采集数据，得到三分点弯曲试验的载荷-挠度曲线[12].为了探讨纤维的增韧抗冻机理，采用SEM(HitachiS-4800)对试件内部进行微观分析.

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

不同配比混凝土经受冻融循环作用后，其外观均发生不同程度的变化，如图1所示.在冻融循环的初始阶段，各配合比混凝土表面均完好无损；经过100次循环后，素混凝土表面变粗糙，出现较多麻点；150次冻融循环后，素混凝土棱角出现少量的剥落，试件出现小孔洞，纤维混凝土边角出现少许“发毛”现象；200次冻融循环后，纤维掺量为0.4%+1.2%与0.8%+0.8%的混杂纤维混凝土达到冻融循环试验的停止标准，两者表面出现较多的麻点，但没有较大的孔洞出现，棱角剥落不太明显，如图1(c)和1(d)所示；250次冻融循环后，素混凝土以及纤维掺量为0.4%+0.8%的混杂纤维混凝土达到停止标准，素混凝土成型时振实不完全的气孔区有较大的剥落状况，甚至出现少量粗集料裸露，如图1(a)所示，但此混杂纤维混凝土表面出现较多麻点以及小的孔洞，棱角剥落现象不明显，如图1(b)所示；经300次冻融循环作用后，纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土表面只出现少量麻点，没有剥落或破坏现象，如图1(e)所示.

2.2 质量变化

不同配比混凝土经受不同冻融循环作用后，其表面有不同程度的剥落破坏现象，从而引起混凝土的质量变化，其规律如图2所示.

图1 冻融循环后混凝土的宏观形貌

图2 冻融循环后混凝土的质量损失率

质量损失反映了混凝土在经受冻融循环后抵抗剥落的能力.由图2可以看出，素混凝土在前150个循环中质量呈增加状态，而随着循环次数的进一步增多，素混凝土出现一定程度的剥落，使得质量减少，在250次冻融循环结束后其质量损失率达0.89%；混杂纤维混凝土在经受冻融循环的整个过程中质量损失率均为负值，也就是说混杂纤维混凝土质量均呈增加状态.分析以上原因，主要是由于混凝土试件养护28 d后进行冻融循环试验时处于浸泡状态，相当于对混凝土试件的继续养护，使得尚未水化完全的水泥、粉煤灰继续发生水化反应，尤其是激发了火山灰效应的产生，因此不同配合比的混凝土试件质量均呈增加状态.混杂纤维混凝土中加入粗细两种纤维后，纤维的捆绑与桥联作用亦可以减小或消除膨胀应力，因此在冻融循环过程中混杂纤维混凝土没有较多的剥落，其质量损失率体现为负值，而素混凝土在经受一定次数的冻融循环后，内部结构膨胀破坏后产生较大的剥落现象，试件剥落造成的质量减少比水化反应引起的质量增加大，因此宏观上表现为质量减少，质量损失率变为正值.

2.3 相对动弹性模量变化

不同配比混凝土经受不同冻融循环作用下，其相对动弹性模量变化如图3所示.相对动弹性模量变化比质量的变化更能反映出其内部结构的变化.

图3 冻融循环后混凝土相对动弹性模量的变化规律

Fig.3 Relative dynamic elasticity modulus of concrete after freeze-thaw cycles

由图3可以看出，5种配比混凝土的相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加呈先基本不变随后下降的规律.素混凝土以及纤维掺量分别为0.4%+1.2%、0.8%+0.8%的混杂纤维混凝土在经受100次冻融循环后的相对动弹性模量快速下降，且纤维掺量为0.4%+1.2%和0.8%+0.8%的混杂纤维混凝土在经受200次冻融循环后的相对动弹性模量分别下降至47.32%和57.64%，但素混凝土在经受250次冻融循环后的相对动弹性模量下降至54.34%.纤维掺量为0.4%+0.8%的混杂纤维混凝土经受125次冻融循环后其相对动弹性模量下降最快，在250次冻融循环后其相对动弹性模量下降至59.76%，说明受冻以后材料内部结构出现了明显的变化，致密性受到影响.纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土表现出高的抗冻性能，在经受300次冻融循环过程中，该配合比混凝土的相对动弹性模量均没有大幅度的下降，且直到300次循环结束时其相对动弹性模量仍达83.63%.

2.4 抗压强度变化

为研究冻融循环作用下各配比混凝土力学性能的变化规律，分别对5种配比混凝土在经过不同冻融循环次数后的抗压强度进行试验，结果如表3所示.

表3 冻融循环后各配合比试件的抗压强度

Table 3 Compressive strength of samples after freeze-thaw cycles for each mixture MPa

由表3可以看出，在混凝土中加入混杂纤维可以大幅度提高混凝土的抗压强度.其中纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土的抗压强度比素混凝土的抗压强度增加了11.8%.这是由于纤维相互交叉分散在混凝土中，形成一种桥联三维网状结构，可以分散混凝土内部的应力，减少微裂纹的产生和扩展，从而增加混凝土的强度；随着冻融次数的增加，不同配比下混凝土的抗压强度均呈逐渐下降状态，这是由于混凝土在冻融循环过程中，其内部的自由水受冻后体积膨胀，使混凝土内部出现更多空隙和通道，随着冻融循环次数的增多，混凝土内部进入的自由水越来越多，冻融过程中的体积膨胀越严重，因此逐步使混凝土内部结构破坏，从而导致抗压强度降低.

虽然纤维掺量为0.4%+1.2%和0.8%+0.8%的混凝土的动弹性模量相比于普通混凝土下降要快，但是从抗压强度上来看其下降幅度远低于普通混凝土，经受200次冻融循环后各组混凝土的抗压强度保持能力分别为90.0%、91.8%、93.2%、96.2%和98.6%.并且，结合质量变化规律也可以看出，纤维掺量为0.4%+1.2%和0.8%+0.8%时混凝土试件质量呈持续增长状态，所以综合来看混杂纤维的引入有利于抗冻性的提升.其中纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土在经受300次冻融循环作用后，其抗压强度达70.1 MPa，表现出优良的抗冻性能.这是因为在混凝土中加入适合掺量的混杂纤维，其协同效应所产生的捆绑与桥联作用亦可以减小或消除膨胀应力，因此混杂纤维混凝土在经受规定次数的冻融次数后抗压强度均能达到60 MPa以上，表现出良好的抗冻性.

2.5 弯曲韧性特征

2.5.1 载荷-挠度曲线

各组配比混凝土的弯曲性能测试结果如图4所示(图中3条曲线代表同组3个试件的测试结果)，曲线特征点参数见表4.

图4 冻融循环前后的载荷-挠度曲线Fig.4 Load-deflection curves before and after freeze-thaw cycles

从图4中可以看出，DR-C与DR-D混杂纤维混凝土在经受冻融循环作用后，虽然其初裂点与荷载峰值出现了变化，但其载荷-挠度变化曲线类似金属材料，仍表现出良好的变形性能与强度保持能力.当经受一定次数的冻融循环作用后，混凝土基体受到严重的破坏，此时主要由纤维与基体之间的摩擦、桥联作用来承担外部荷载的作用并耗散能量.研究中所选用的两种纤维均为聚合物纤维，具有优良的柔韧性，因此该混杂纤维混凝土在经受一定次数冻融循环作用后，表现出良好的延展性.

同时，纤维掺量决定混凝土的变形特征，并对其抗冻性能带来很大影响.从表4中可以看出，在混凝土中掺杂混杂纤维后，其抗弯拉强度得到明显改善，可达到8.01 MPa.经冻融作用后，各组混凝土的初裂挠度均增大，初裂抗弯拉强度均有一定的下降；素混凝土的极限抗弯拉强度下降最大，平均强度下降约43%.并且经冻融作用后，纤维掺量为0.4%+1.2%与0.8%+0.8%的两种混杂纤维混凝土的载荷-挠度曲线类似金属材料的载荷-挠度曲线，整体表现出一定的延展性，没有明显的峰值.纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土表现出良好的弯曲韧性，各指标增幅最为明显，混杂增韧效果最好且抗冻性能优异；经300次冻融作用后，其二次峰值抗弯拉强度超过初裂抗弯拉强度可达7.31 MPa，说明出现了明显的变形硬化特征，其对应的挠度可达1.34 mm，虽然初裂强度有所下降但对其后期承载能力的影响很小.

表4 弯曲性能试验结果1)

2.5.2 弯曲性能评价

冻融循环作用前后各组混凝土的弯曲韧性指标计算结果见表5，表中各参数均为每组3个试件所得数据的平均值.

表5 弯曲韧性计算结果1)

1)fL/300和fL/150分别为跨中挠度达到L/300和L/150时对应的测试强度值，L为支座间距.

根据ASTM C1018规范，弯曲韧性系数与残余强度系数数值越大，混凝土的弯曲性能与韧性越佳.对比表中相关数据可以看出，不同纤维掺量的各组试件其I5、I10、I20和R5，10相比冻融损伤之前的变化比例分别为(7.3%，-12.5%，-54.7%，-39.7%)、(26.3%，-13.6%，-55.8%，67.3%)、(-12.2%，-45.3%，-70.4%，-75.3%)与(1.7%，-23.4%，-64.9%，-45.3%)，说明经过冻融循环后，纤维混凝土的弯曲韧性会大幅降低，但是其I5值出现一定的波动，主要是因为初裂挠度变大，按照ASTM规范计算得到的积分面积增大.混凝土经受冻融循环作用后，初裂挠度均有所增大，主要是由于冻融作用使得混凝土基体的微观结构变松散硬度下降，因此相应的变形就有一定程度的增大.

与理想弹塑性材料对比，经受冻融循环作用后的不同纤维掺量的各组试件，其I5、I10、I20和R5，10分别为(88%，63%，31.5%，38%)、(96%，57%，28.5%，18%)、(72%，47%，23.5%，22%)以及(114%，93.4%，46.7%，72.8%)，说明各配比混凝土经受冻融循环作用后仍具有不同程度的弯曲韧性，尤其是当纤维掺量为0.8%+1.2%时各弯曲韧性指数值仍接近于理想弹塑性材料.图5分别为当粗纤维掺量取为0.8%和1.2%时，与细纤维协同作用下弯曲韧性指标I5、I10和R5，10的测试结果.可以明显看出粗、细两种纤维对混凝土经受冻融循环作用后的弯曲韧性均有非常显著的影响，说明混凝土抗冻性能的优劣与粗、细纤维协同效应有很大的关系.

图5 弯曲韧性指标

综合相对动弹性模量、抗压和抗弯拉性能测试结果可以看出，混杂纤维的加入对混凝土冻融前后力学性能和变形性能的改善均很明显，尤其是变形性能，所以加入后混凝土的弹性模量下降很大.虽然在图3中C和D组混杂纤维混凝土经受冻融循环后的动弹性模量下降要快于素混凝土，但是从其强度和弯曲韧性等指标来看并无不利影响.

2.6 混杂纤维协同作用机理与微结构分析

2.6.1 协同作用机理分析

E组试件弯拉破坏时的状态如图6所示，试件底部中间部位出现一条主裂缝，且主裂缝旁衍生出多条微细裂纹.当试件彻底破坏后，其断裂面主要表现为粗集料与基体的剥离，粗、细纤维拔出.PE/HPP混杂纤维混凝土优异弯曲性能的发挥主要得益于两种纤维失效模式的搭配.当混凝土内部微裂纹开始扩展时，PE纤维将产生阻隔作用；当产生宏观裂缝时，细纤维长度有限，且大量的细纤维已拔出，导致其无法有效阻止大裂缝扩展，而HPP粗纤维单根承载力强，开始嵌锁裂缝两侧基体而充分发挥阻裂作用，在其拔出过程中会消耗较多的能量，延缓大裂缝的扩展，致使混凝土破坏减缓，从而达到了宏观尺度

图6 试件破坏形态

与细观尺度相互辅助的增韧效果.因此，粗细纤维的协同增韧作用可从以下两个角度分析.

从细纤维角度来看，PE纤维中的PE分子憎水基团多，亲水性差，表面有一定的光滑度，与水泥基体间的化学粘结薄弱，界面粘结以摩擦粘结为主，因此界面粘结强度相对较低，导致在裂缝扩展过程中PE纤维表现为拨出破坏.纤维拔离过程中可有效分担破坏能量，纤维的传递和变形增大，会消除更多尖端集中应力，纤维滑移会重新获得桥接应力，从而在基体内部微裂纹产生时及时有效地抑制小裂缝扩展，提高混凝土裂纹出现后的变形能力.

对于HPP纤维来讲，其表面粗糙，直径达0.8 mm，长度为28 mm，质地较硬.该纤维易于分散，受粗集料空间分布的影响相对较小，可以相对均匀地分散在混凝土中.当混凝土局部产生宏观裂缝时，细纤维已难以起阻裂作用，此时HPP粗纤维开始充分发挥嵌锁桥联作用，界面作用模式以机械咬合为主，在混凝土后续承载开裂破坏过程中逐渐拔出破坏.

综合来看，由于粗、细纤维与水泥基体界面的作用方式不同，作用时间也有差异，总体表现为桥联作用机制的不同，因此针对混凝土多层次的结构特点，只有当增强体的比例合适时才能在裂纹产生以及稳态扩展过程中表现出优异的阻抗作用.对于配比C，粗纤维的掺量是细纤维掺量的3倍，容易导致细纤维桥联失效过早而影响增韧效果；对于配比D，两种纤维的掺量一致，但是粗纤维的自身体积远大于细纤维，因此二者的分布状态差异太大从而影响增韧效果.所以，配比B和E受冻作用前后的各项性能均明显优于普通混凝土的配比A.

2.6.2 冻融循环对微结构的影响分析

在配比E冻融作用前后的试件断面处取样进行SEM扫描，从微观角度分析冻融作用前后混凝土的水化产物以及纤维与基体的粘结界面，微结构分析如图7所示.

对照图7(a)和7(b)，经SEM微结构分析可以明显看出，未经受冻融处理的混凝土中水化产物C-S-H交错生长，板片状Ca(OH)2较少，结构致密，而经冻融循环作用后出现大量的六方板状Ca(OH)2，并且松散的针棒状钙矾石数量增多.同时，经受冻融循环后混凝土内部孔隙较大，致密度下降，水化产物间连接较松散，所以经过冻融循环后各组试件的抗压和抗弯拉强度均有下降.由图7(c)和7(d)可以看出纤维与基体的连接界面以及纤维的拔出痕迹.未经受冻融循环作用的混杂纤维混凝土中纤维拔出的痕迹光滑，没有微裂纹产生；经冻融循环作用后混凝土中纤维拔出的通道表面粗糙，且出现较多微裂纹.裂纹逐渐向上扩展，到达纤维处裂纹分散、变小或闭合，说明纤维有抑制裂纹扩展、分散应力的作用.纤维混凝土在经受冻融循环作用时，混凝土内部自由水结冰，体积膨胀产生应力，纤维的加入可产生较多的孔隙、通道，从而缓解并分散一定的集中应力，使混凝土的破坏速度减慢，提高其抗冻融循环性能.由图7(e)和7(f)纤维与混凝土基体的粘结界面可以看出，冻融作用前后的混凝土中，纤维与基体的连接均有较好的粘结、捆绑作用.在受到外力作用时可以有优异的桥联作用，在应力的传递过程中纤维可承受较大的拉应力，阻碍裂纹扩展，有效延迟试件的破坏，且纤维的拔断或拔出可消除部分应力.

图7 冻融循环前后混凝土的微结构

Fig.7 Microstructure of concrete before and after freeze-thaw cycles

3 结论

综上所述，得出以下结论.

1)不同配比混凝土在经受冻融循环过程中表面损伤的程度不同，其中普通混凝土出现较大的剥落，甚至出现少量粗集料裸露，而混杂纤维混凝土表面完整性较好，纤维掺量为0.8%+1.2%时经300次冻融循环作用后表面只出现少量麻点，没有剥落或破坏现象.

2)普通混凝土在冻融循环过程中的质量呈先增长后降低的趋势，而纤维混凝土在冻融循环过程中的质量呈持续增长状态；各配比混凝土的动弹性模量在整个冻融循环过程中呈先基本不变后下降的规律，但变化速率不同，其中纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土在经受300次冻融循环作用后其相对动弹性模量仍保持为83.63%.

3)混杂纤维的掺入对混凝土抗压强度有所提升，随着冻融循环次数的增加，各组混凝土的抗压强度表现出先基本不变后降低的变化规律；冻融试验结束后混杂纤维混凝土的强度保持能力均优于素混凝土，其中纤维掺量为0.8%+1.2%的混杂纤维混凝土在经受300次冻融循环作用后其强度仍高于70 MPa.

4)PE和HPP粗细纤维的协同作用使混凝土脆性有了显著的改善，混杂纤维混凝土的韧性指数与残余强度随纤维掺量而变化，当掺量为0.8%+1.2%时优于理想弹塑性材料；经冻融作用后，混凝土的弯曲韧性有一定的损伤，但仍表现出较好的延展性；混杂纤维的协同效应所产生的捆绑、桥联作用可减弱体积膨胀产生的集中应力对基体的破坏，所以抗冻性能提升.

[1] 欧阳东.混凝土抗硫酸盐侵蚀试验的一种新方法 [J].腐蚀与防护,2003,24(9):369-375. OYANG Dong.A new method for testing resistance of concrete to sulfate [J].Corrosion & Protection,2003,24(9):369-375.

[2] 敦晓,岑国平,黄灿华,等.机场道面混凝土冻融破坏评价指标 [J].交通运输工程学报,2010,10(1):13-18. DUN Xiao,CEN Guo-ping,HUANG Can-hua,et.al.Eva-luation indices of freezing-thawing destruction for airfield runway concrete [J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2010,10(1):13-18.

[3] 胡建荣,何锐,李永鹏.掺入混杂合成纤维的混凝土力学性能分析 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2015,43(10):16-22. HU Jian-rong,HE Rui,LI Yong-peng.Analysis of mechanical properties of concrete mixed with hybrid synthe-tic fiber [J].Journal of South China University of Techno-logy(Natural Science Edition),2015,43(10):16-22.[4] KANG Su-tae,CHOI Jeong-II,KOH Kyung-taek,et al.Hybrid effects of steel fiber and microfiber on the tensile behavior of ultra-high performance concrete [J].Compo-site Structures,2016,145:37-42.

[5] JEN Gabriel,TRONO William,OSTERTAG Claudia P.Self-consolidating hybrid fiber reinforced concrete:deve-lopment,properties and composite behavior [J].Construction and Building Materials,2016,104(2):63-71.

[6] YUN Hyun-do.Effect of accelerated freeze-thaw cycling on mechanical properties of hybrid PVA and PE fiber-reinforced strain-hardening cement-based composites(SHCCs)[J].Composites:Part B,2013,52(9):11-20.

[7] YUN Hyun-do,ROKUGO Keitetsu.Freeze-thaw influence on the flexural properties of ductile fiber-reinforced cementitious composites(DFRCCs)for durable infrastructures [J].Cold Regions Science and Technology,2012,78(7):82-88.

[8] 蔡迎春,代兵权.改性聚丙烯纤维混凝土抗冻性能试验研究 [J].混凝土,2010,7:63-75. CAI Ying-chun,DAI Bing-quan.Experimental research on frost resistance performance of modified polypropylene fiber concrete [J].Concrete,2010,7:63-75.

[9] 孙家瑛.纤维混凝土抗冻性能研究 [J].建筑材料学报,2013,16(3):437-440. SUN Jia-ying.Frost resistance characteristics of fiber concrete [J].Journal of Building Materials,2013,16(3):437-440.

[10] 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法:GB/T 50082—2009 [S].

[11] 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程:JTG E30—2005 [S].

[12] Standard test method for flexural toughness and first-crack strength of fiber reinforced concrete:ASTM C 1018—98 [S].

Frost Resistance of PE/HPP Hybrid Fiber-Reinforced Concrete

HERui1,2LIDan3WANGShuai4CHENHua-xin1,2

(1.School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China;2. Engineering Research Center of Transportation Materials of the Ministry of Education, Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China;3. Shaanxi Provincial Transport Planning Design and Research Institute,Xi’an 710065, Shaanxi, China;4. Shanxi Transportation Research Institute,Taiyuan 030006, Shanxi, China)

In this paper, first, hybrid fiber-reinforced concrete was prepared by using the hybrid fiber of polyethylene fiber (PE) and polypropylene plastic fiber (HPP). Then, the frost resistance of the reinforced concrete before and after the freeze-thaw process was investigated in terms of quality variation, dynamic elasticity modulus, compressive strength and flexural performance. Finally, the damage mechanism of the concrete was analyzed by using SEM analysis technique. The results show that (1) freeze-thaw cycles may cause obvious damage to plain concrete, and hybrid fiber can improve the integrity of concrete and decrease the surface damage; (2) the quality of plain concrete first increases and then decreases in the freeze-thaw cycle, while that of the hybrid fiber-reinforced concrete continuously increases; (3) the dynamic elastic modulus of the concrete with different proportions almost remains unchanged at first and then decreases; (4) after 300 freeze-thaw cycles, the relative dynamic elastic modulus of the concrete with a fiber content of 0.8%+1.2% still keeps at 83.63%;(5)the variation rule of compressive strength is similar to that of the dynamic elastic modulus; (6) the synergistic effect of fine-PE and coarse HPP fibers significantly improves the brittleness of concrete; (7) both the toughness index and the residual strength of hybrid fiber-reinforced concrete vary with the fiber content; (8) the prepared reinforced concrete is superior to the ideal elastic-plastic material when the hybrid fiber content is 0.8%+1.2%; and (9) freeze-thaw cycles may result in certain damage to the flexural toughness,but still no brittle fracture appears, and the concrete still possesses good ductility.

cement concrete; hybrid fiber; frost resistance; flexural toughness; micro-structure

2016-08-23

国家自然科学基金资助项目(51508030);中国博士后科学基金资助项目(2015M582592);青海省重大科技专项(2014-GX-A2A);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310831162001,310831161001) Foundation items: Supported by the National Nature Science Foundation of China(51508030),China Postdoctoral Science Foundation(2015M582592) and the Science and Technology Major Project in Qinghai Province(2014-GX-A2A)

何锐(1984-)，男，博士，副教授，主要从事道路材料与结构研究.E-mail:heruia@163.com

1000-565X(2017)04-0087-08

U 414;TU 528

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.013