王跃东，郭小帅，赵 超

(许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000)

0 前 言

JosephMonier[1]于1867年获得钢筋混凝土专利，混凝土结构由价格低廉、就地取材、分布广泛的材料构成，而且与钢筋、型钢或者钢管可以粘结牢固；作为材料之间能够发挥各自优势的承重结构，广泛应用于工业民用建筑、道路桥梁隧道工程、大坝港口和塔架基础工程。截至目前，我国高速铁路、高速公路、城市轨道交通运营里程均居世界第一，但在“一带一路”战略中的陆上丝绸之路和草原丝绸之路的严寒地区，亟需考虑混凝土结构材料的抗冻性。

Mehta[2]提出：“在世界范围内，造成混凝土丧失结构承载力的原因有，氯离子渗透引起的钢筋锈蚀、冻融破坏、混凝土碳化以及碱集料反应等。”严寒地区冬季道路除冰需使用含盐类融雪剂，在冻融和氯离子侵蚀下，混凝土结构未达到设计基准年限已经失效，严重危害使用安全并造成重大经济损失。

T.C.Powers[3-5]和R.A.Helmuth从物理模型出发，经假设和推导提出静水压力假说和渗透压理论；李金玉等[6]进行了冻融试验，采用高压水银测孔仪、电镜扫描测试和X射线衍射分析，从宏观和微观阐述混凝土中的紧密水化产物结构逐渐演变成稀疏状态，静水压和渗透压促使微孔结构的增加，诱发微裂缝的出现和不断发展，引起混凝土强度和密实度的下降。为提高混凝土材料的耐久性，增强其抗冻性，结合冻融破坏机理和相关试验研究，通过适当增加纤维掺量，改变其内部孔隙结构，在提升耐久性体现出明显优势。

目前，国内对混杂纤维混凝土的研究内容有纤维类别、尺寸、体积率等基本参数对纤维混凝土的影响和不同环境工况下的物理和力学性能[7-9]。对于环境特殊地区的纤维混凝土研究较少，基于这种情况，本试验采用本地区原材料配制C30纤维掺量混凝土与普通混凝土，分析不同冻融循环次数与纤维掺量对混凝土的质量损失率、立方体抗压强度、棱柱体抗折强度的影响规律，得出纤维掺量混凝土与普通混凝土抗冻性能和基本力学性能的差异，具有一定的工程借鉴意义。

1 试验方案

1.1 原材料选用

因地取材，P·C32.5级水泥由本地区的天瑞集团水泥有限公司提供，水泥质量如表1所示；粗集料选用粒径为4.75～31.5 mm的碎石；细集料采用本地区汝河河砂，细度模数为2.67，属中砂；聚丙烯纤维(PPF)由湖南省某聚丙烯纤维工厂提供，单丝短纤维，其主要物理力学性能指标见表2；水采用市政用水。所选用原材料均符合现行国家及相应行业标准的规定。

表2 聚丙烯纤维物理力学性能指标

1.2 混凝土配合比

本试验采用设计混凝土强度等级为C30，根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)进行，把不同掺量聚丙烯纤维混凝土构件作为研究对象。其中：R0作为对照组，PPF0.9、PPF1.8为实验组。其中PPF0.9代表0.9 kg/m3的聚丙烯纤维掺量的混凝土，其具体配合比见表3。

表3 混凝土配合比 单位：kg·m-3

1.3 试验过程

耐久性试验考虑纤维掺量和冻融循环次数为控制变量，制备不同配合比的新拌混凝土拌合物。制备过程中，按照材料均匀混合原则，先将水泥与细集料、纤维干拌1 min，再加粗骨料和水搅拌2 min，故搅拌时间比普通混凝土有些延长。预先设定坍落度为55～70 mm，选用规格为100×100×100 (mm)的立方体混凝土试模和100×100×400 (mm)的棱柱体混凝土试模，在内表面均匀涂抹脱模剂以备用，将混凝土拌合物一次性浇筑两种规格试模内，用机械振动平台将其振捣密实并抹平试件表面，制成试验试块。

依据快冻法的实验要求进行抗冻试验。采用杭州九环富琪实业有限公司生产高低温冻融试验箱，冻融循环次数分别为0、25、50、100、200次。冻融循环试验结束后立即按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)进行力学性能试验。立方体抗压强度试验：将规格为100 mm的立方体试块正中放置在压力试验机的承载平台上，以0.5 MPa/s的速度持续加荷，使其侧面受压破坏，记录五种冻融循环次数和三类纤维掺量混凝土试件的抗压强度。棱柱体抗折强度试验：将长边为400 mm、短边为100 mm的棱柱体混凝土试件放置四点弯曲的抗折装置正中间，以0.05 MPa/s的速度持续加荷，使棱柱体被完全有效折断，记录五种冻融循环次数和三类纤维掺量混凝土试件的抗折强度。

图1 新拌纤维混凝土拌合物

图2 混凝土冻融试验箱

2 试验结果及分析

2.1 混凝土外观现象

混凝土进行冻融循环试验之前，室温静水浸泡24 h后，完全处于饱水状态。在混凝土冻融循环之初，混凝土内部骨料界面处，含量稀少的水泥浆层被冻融交替作用破坏开裂，试块表面呈现微小间断细纹。随冻融循环次数持续增多，如达到100次或200次时，间断细纹开始连续扩展，外表面发生疏松和剥落现象，冻融损伤由外向内逐渐扩展，微裂缝显著增多，最终导致混凝土试块的冻融破坏，降低承载能力。

2.2 质量损失率

按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13—2009)定义纤维混凝土冻融后质量损失率，计算公式如下：

(1)

式中，ΔWi为n次冻融循环后的质量损失率；|ΔMn|为n次冻融循环后的质量变化量；M0为原始质量。

依据多组试验获得数据，经计算得出各组的质量损失率，从而构建不同掺量和不同冻融循环次数下纤维混凝土的质量损失率的规律。图3反映出50次内的冻融循环，普通混凝土和两种不同掺量的纤维混凝土三者之间的质量损失率差别非常小；当冻融循环次数经历100次、甚至200次后，普通混凝土的质量损失率显著增大，已接近0.5%和超过0.8%，但纤维混凝土冻融后的质量损失率增长幅度较小，纤维掺量多的混凝土的质量损失率要低于掺量少的。

图3 质量损失率

2.3 力学性能指标

抗压强度损失率应按下式进行计算：

(2)

式中，Δfce为n次冻融循环后的抗压强度损失率；fc0为未冻融的抗压强度平均值；fcn为n次冻融循环后的抗压强度平均值。

图4反映出冻融循环次数与不同纤维掺量混凝土抗压强度损失率的关系。25次内的冻融循环，纤维掺量对混凝土的抗压强度损失率影响不大；当冻融循环次数经历50次、100次和200次后，普通混凝土的抗压强度损失率和纤维混凝土的差别逐渐增大，纤维掺量多的混凝土的抗压强度损失率却要高于掺量少的。

图4 抗压强度损失率

相对抗折强度应按下式进行计算：

(3)

式中，Rf为n次冻融循环后的相对抗折强度；ffn为n次冻融循环后的抗折强度平均值；ff0为未冻融的抗折强度平均值。

图5反映出不同冻融循环次数与纤维掺量下混凝土相对抗折强度的变化规律。25次内的冻融循环，普通混凝土和两种不同掺量的纤维混凝土三者之间的相对抗折强度差别很小；当冻融循环次数经历25次、100次、甚至200次后，普通混凝土的相对抗折强度迅速减少，已下降为初始值的71%，不同掺量的纤维混凝土的相对抗折强度初期下降缓慢后期下降速度明显，纤维掺量少的混凝土的相对抗折强度要低于掺量多的。

图5 相对抗折强度

3 结 论

当冻融循环次数较低时，普通混凝土具有一定的抗冻性。虽然掺入一定量的聚丙烯纤维，可以改善混凝土的抗冻性，但从质量损失率角度考虑，想要获得更高的抗冻等级，仅从掺入纤维这一方面提升其耐久性具有一定困难。纤维掺量的改变对混凝土抗压强度有一定影响，虽然纤维的掺入可以约束混凝土受压过程中内部的横向膨胀，但随掺入量持续增多，同时增多了纤维-基体的界面薄弱层和影响界面过渡区，导致其度的损失也有所增大，后期试验可探寻纤维的最优掺量。纤维显著地提升了混凝土抗折强度，纤维的掺入就如同构造了无数钢筋混凝土结构微单元，由细小纤维承担骨料界面处的拉应力。冻融循环次数迅速增加，纤维混凝土相对抗折强度也明显降低，说明纤维与骨料间的粘结界面已部分损坏，纤维的增强功能被弱化，后期可探讨掺入何种类型外加剂可进一步提升界面粘结性能。

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