牛建刚， 左付亮， 王佳雷， 谢承斌

(1.内蒙古科技大学 土木工程学院， 内蒙古 包头 014010； 2.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410083)

轻骨料混凝土具有轻质高强、抗震、抗冻性能好等优点[1-2]，在高层建筑和大跨度结构工程建设中，具有普通混凝土无法取代的优势和广泛的应用前景.现代钢筋混凝土建筑对耐久性的要求越来越高，抗冻性是寒冷地区混凝土耐久性设计的重要指标，研究轻骨料混凝土的抗冻耐久性、建立其冻融损伤模型、预测其结构服役寿命可为寒冷地区轻骨料混凝土耐久性指标设计和工程结构可靠性检测鉴定提供参考，对推动其在寒冷地区的应用具有重要的现实意义.

目前，国内外大部分学者把冻融循环次数作为主要变量来研究冻融循环作用对混凝土性能的影响，另外相对动弹性模量损失率由于比较容易实现无损检测也被广泛采用.Sun等[3-6]建立的混凝土相对动弹性模量损伤模型具有较好的拟合精度.近年来，部分学者采用掺入纤维来提高混凝土的抗冻性能[7-9]，建立了适合纤维混凝土的冻融损伤模型.刘大鹏等[10]指出，相对动弹性模量模型同样能较为准确预测聚丙烯纤维、钢纤维及混杂纤维轻骨料混凝土的冻融损伤程度和服役寿命.朱晨飞等[11]研究了钢-玄武岩纤维混凝土，指出动弹性模量衰减模型优于冻融累积损伤衰减模型.刘卫东等[12]以超声波速作为损伤参量来描述纤维混凝土冻融损伤的变化规律.但是，纤维混凝土的冻融破坏过程不仅与所选用的原材料有关，也与其力学性能息息相关.在结构工程领域，多以混凝土的强度作为结构设计和评定依据，因此有必要对混凝土抗压强度冻融损伤失效模式进行研究.本文以相对动弹性模量和抗压强度为冻融损伤变量，建立了塑钢纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型，并分别对塑钢纤维轻骨料混凝土服役寿命及其服役期终止时的强度进行了预测.

1 试验

1.1 试验材料及配合比

水泥：蒙西牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥.细骨料：河砂，粒径<5mm，级配合格，堆积密度1575kg/m3，表观密度2460kg/m3，含泥量2.1%(质量分数).

粗骨料：包头市精正陶粒厂生产的球形粉煤灰陶粒，粒径5～20mm，堆积密度970kg/m3，表观密度1760kg/m3， 筒压强度8.3MPa，1h吸水率12.25%(质量分数).外加剂：B2高效减水剂(减水率20%(质量分数))，AH-1型引气剂，掺量为水泥质量的0.02%.塑钢纤维：浙江宁波大成新材料股份有限公司生产的高性能异型塑钢纤维，长度30.0mm， 直径1.2mm，密度0.97g/cm3，弹性模量9884MPa，抗拉强度543MPa，伸长率14.1%.

本试验混凝土强度等级为LC40，其配合比按照JG J51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中的松散体积法进行设计，如表1所示，其中CA后面的数字为轻骨料混凝土中塑钢纤维的掺量(kg/m3).

表1 混凝土配合比

1.2 试验方法

抗压强度试验参照CECS13:2009《纤维混凝土试验方法标准》进行，试件为150mm×150mm×150mm立方体，每组3个试件，共16组，冻融循环次数为0，50，100，150次.质量损失率、动弹性模量试件为100mm×100mm×400mm棱柱体，每组3个试件，共4组，冻融循环次数为0，25，50，75，100，125，150，175，200，225，250，275，300次.试件先标准养护24d，再水养4d后进行冻融循环试验，每次冻融循环控制在4h内，试件中心温度分别控制在(-17±2)，(-8±2) ℃.试验结果见表2.

表2 冻融循环试验结果

2 试验结果与分析

2.1 相对动弹性模量和质量损失率

相对动弹性模量和质量损失率是描述混凝土冻融优劣的主要指标.试件的相对动弹性模量下降到60%或质量损失率达5%时，混凝土即发生冻融破坏[13].

由表2可见，随着冻融循环次数的增加，CA0试件的相对动弹性模量迅速降低，冻融循环225次后，其相对动弹性模量小于60%，试件发生冻融破坏；掺塑钢纤维的轻骨料混凝土受冻融循环的影响较小，随着冻融循环次数的增加，其相对动弹性模量缓慢降低，当冻融循环次数达到300次时，仍未发生冻融破坏，相对动弹性模量为76.4%～81.8%.这是由于塑钢纤维在混凝土中呈乱向分布，相互交错搭接，可有效限制裂缝的发展与贯通以及内部结构疏松化，从而提高了轻骨料混凝土的密实度，改善了抗冻性能.

在冻融循环25次时，各组试件的质量均不同程度增加.随着冻融循环次数的增加，CA0试件的质量损失率较大，塑钢纤维轻骨料混凝土的质量损失率较小，在冻融循环225次后，塑钢纤维轻骨料混凝土的质量损失率约为CA0试件的12%～28%.由于CA0试件冻融循环225次时已经发生冻融破坏，故没有计算其随后的冻融质量损失率.在冻融循环300次后，掺塑钢纤维的轻骨料混凝土质量损失率为0.55%～1.18%，质量损失较小.

2.2 抗压强度

由表2还可见，轻骨料混凝土抗压强度随塑钢纤维掺量的增加呈现出先降低后升高再降低的趋势.未冻融循环时，与CA0试件对比，CA3试件的抗压强度降低了2.48%，而CA6，CA9试件的抗压强度分别提高了3.46%，2.27%.随着冻融循环次数的增加，CA0，CA3，CA9试件的抗压强度迅速降低，而CA6试件的抗压强度降低幅度较为平缓，说明其受冻融循环影响较小.冻融循环150次后，CA0，CA3，CA9试件的抗压强度损失率分别为20.68%，21.34%，24.46%，而CA6试件仅为7.02%.

小掺量的塑钢纤维(CA3试件)不能有效分担轻骨料混凝土受压时产生的拉应力，导致其冻融循环后抗压强度降低.而大掺量的塑钢纤维(CA9试件)相当于引入了较多的塑钢纤维-水泥浆体薄弱界面，且塑钢纤维的比表面积较大，不能完全被水泥浆体包裹，缺陷增多，使塑钢纤维与水泥浆体的黏结性能劣化，也会导致轻骨料混凝土冻融循环后的抗压强度降低.合适的塑钢纤维掺量(CA6试件)既可保证其在轻骨料混凝土中的均匀性，又可使其完全被水泥浆体包裹，因此这种试件能有效抑制冻胀开裂，使其抗压强度的冻融损失率明显减小.

2.3 塑钢纤维轻骨料混凝土的微观结构

采用SEM对CA6试件的微观结构进行了分析，结果见图1，2.

图1 未冻融塑钢纤维-水泥浆体界面的SEM照片Fig.1 SEM of plastic-steel fiber -cement paste surface without freeze -thaw cycle

图2 冻融100次后塑钢纤维-水泥浆体界面的SEM照片Fig.2 SEM of plastic-steel fiber -cement paste surface after 100 times of freeze -thaw cycles

由图1可见：(1)塑钢纤维表面被水泥水化产物覆盖，这有利于其承受来自混凝土基体的荷载，当其分布方向与试件的拉应力方向一致时，就能起到增韧、阻裂作用，抑制冻融裂缝的扩展，从而提高轻骨料混凝土的抗冻性能；(2)由于塑钢纤维表面憎水，使水泥浆体的包裹不够密实，导致沿其长度方向的部分塑钢纤维与水泥浆体之间存在细小的裂缝.由图2可见：当冻融循环增加到100次时，塑钢纤维表面的水泥水化产物明显减少，且塑钢纤维与水泥浆体之间的缝隙变长、变宽，孔隙增多，导致轻骨料混凝土结构更加疏松，层间连接进一步恶化.

3 冻融损伤模型

混凝土的冻融破坏是由其内部微小损伤逐步累积所致.随着冻融循环的持续，混凝土的性能逐渐劣化直至破坏.依据损伤理论，塑钢纤维轻骨料混凝土的冻融损伤过程可表述为：微裂缝产生→宏观裂纹→基体破坏.在这个过程中，塑钢纤维轻骨料混凝土不仅质量损失率较小，还会出现因吸水而使其质量增加的现象，因此用质量衰减模型进行冻融损伤评估误差较大.本文分别以相对动弹性模量和抗压强度为损伤变量来建立塑钢纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型.

3.1 基于相对动弹性模量的冻融损伤模型和冻融寿命预测

设EN为塑钢纤维轻骨料混凝土经过N次冻融循环后的动弹性模量，E0为其初始动弹性模量，λ为其损伤系数.根据文献[14]，建立塑钢纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型为：

EN/E0=e-λN

(1)

塑钢纤维的掺入会使轻骨料混凝土内部结构发生变化，其掺量的不同对轻骨料混凝土动弹性模量的影响也不同，从而导致抗冻性能存在差异.在式(1)中，引入塑钢纤维掺量参数K，经试验数据拟合得到包含塑钢纤维掺量参数的塑钢纤维轻骨料混凝土相对动弹性模量冻融损伤模型，见式(2)，其拟合结果如图3所示.

EN/E0=(1.0×10-4K2-2.2×10-3K+
1.0232)exp[-(4.14×10-5K2-
5.46×10-4K+0.002 3)N]

(2)

图3 塑钢纤维轻骨料混凝土相对动弹性模量拟合曲线Fig.3 Fitting curve of relative dynamic modulus of plastic-steel fiber reinforced LWAC

试验表明，塑钢纤维轻骨料混凝土相对动弹性模量冻融损伤模型的相关系数为0.9852，拟合精度较高.利用该模型计算塑钢纤维轻骨料混凝土相对动弹性模量下降到60%时的抗冻融循环次数，结果见表3.根据文献[15]，中国北方年平均冻融循环次数分别为：东北地区120次，华北地区84次，西北地区118次.室内1次快速冻融循环相当于自然条件下12次冻融循环.结合表3，计算塑钢纤维轻骨料混凝土在北方各地区的抗冻耐久性寿命，结果见表4.

表3 塑钢纤维轻骨料混凝土抗冻融循环次数

表4 塑钢纤维轻骨料混凝土抗冻耐久性寿命

由表4可知，相对于CA0试件，CA3，CA6，CA9试件的抗冻耐久性寿命大幅提高，这表明掺入塑钢纤维是提高轻骨料混凝抗冻耐久性的有效方法.

3.2 基于抗压强度的冻融损伤模型和冻融寿命预测

以抗压强度为损伤变量，应用最小二乘法对抗压强度试验数据进行拟合，得到塑钢纤维轻骨料混凝土抗压强度与冻融循环次数相关的损伤模型.

混凝土在冻融循环作用下的损伤模型有3种，即单段式冻融损伤模型、双段式冻融损伤模型和指数函数型冻融损伤模型[16].单段式冻融损伤模型采用一元二次多项式来描述混凝土抗压强度fcu,r与冻融循环次数N相关的损伤演化，其表达式见式(3)；双段式冻融损伤模型采用直线与抛物线相结合的复合模式，其表达式见式(4)；指数函数型冻融损伤模型的表达式见式(5).

(3)

(4)

fcu,r=eAN

(5)

式(3)～(5)中：b，c，a′，b′，c′，A均为拟合系数.

将表2中的抗压强度数据按照上述3种冻融损伤模型进行拟合，结果见表5.

表5 3种冻融损伤模型的相关系数和A值

由表5可知：在单段式冻融损伤模型和双段式冻融损伤模型中，CA6，CA9试件的相关系数均较低，因此其拟合系数未在表中列出；在指数函数型冻融损伤模型中，各试件的相关系数均在0.9641以上，具有较高的拟合精度，表明抗压强度冻融损伤模型宜采用指数函数型冻融损伤模型.

结合表3，由指数函数型冻融损伤模型计算塑钢纤维轻骨料混凝土达到服役寿命时的抗压强度，结果见表6.

表6 塑钢纤维轻骨料混凝土达到服役寿命时的抗压强度

由表6可知，塑钢纤维掺量为6kg/m3的轻骨料混凝土达到服役寿命时仍具有较高的抗压强度.虽然从动弹性模量衰减的角度来看CA0试件的抗冻融性能较差，但由于发生冻融破坏时，其抗冻融循环次数远小于掺有塑钢纤维的试件，这导致其发生冻融破坏后，抗压强度的降低幅值并不大，仍然具有较高的抗压强度.

综上可见，相对动弹性模量冻融损伤模型和抗压强度指数函数型冻融损伤模型均能较好预测冻融环境下塑钢纤维轻骨料混凝土的冻融耐久性.其中相对动弹性模量冻融损伤模型是从塑钢纤维轻骨料混凝土破坏的角度来描述其冻融损伤演变，且拟合精度更高；抗压强度指数函数型冻融损伤模型是以直观反映塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能为出发点来描述冻融损伤演变，且便于检测.

4 结论

(1)适量的塑钢纤维能提高轻骨料混凝土抗冻性，冻融循环150次后，塑钢纤维掺量6kg/m3的轻骨料混凝土抗压强度损失率为7.02%，冻融循环300次后，其质量损失率和相对动弹性模量分别为0.62%，85.3%.

(2)由相对动弹性模量冻融损伤模型预测塑钢纤维掺量为6kg/m3的轻骨料混凝土冻融寿命约为100a，塑钢纤维掺量为3kg/m3的轻骨料混凝土冻融寿命可达50a以上，塑钢纤维掺量为9kg/m3的轻骨料混凝土冻融寿命为50～100a.

(3)塑钢纤维掺量6kg/m3的轻骨料混凝土达到服役寿命时的抗压强度略低于未掺塑钢纤维的轻骨料混凝土，但仍高于其他掺量塑钢纤维轻骨料混凝土，表明其在服役期间具有较高的承载力.

(4)相对动弹性模量冻融损伤模型能较好预测塑钢纤维轻骨料混凝土的冻融耐久性，其相关系数为0.9852，精度较高；对于塑钢纤维轻骨料混凝土，抗压强度冻融损伤模型中的指数函数型冻融损伤模型优于单段式冻融损伤模型和双段式冻融损伤模型，其精度达到0.9641以上，且能直观反映力学性能，便于检测.

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