陶友海

(中铁十八局集团第五工程有限公司， 天津 300450)

混凝土作为应用最为广泛的建筑材料，在不同的服役条件下会受到各种环境因素的影响产生损伤，缩短混凝土使用寿命进而威胁结构安全。冻融破坏是我国北方寒区最为常见的混凝土耐久性问题。一般认为，混凝土的冻融破坏是由于孔隙中的游离水在温度的作用下循环地冻结消融，使孔隙不断地受到冻胀压力及渗透压力的交替作用，导致孔隙结构发生破坏。这种破坏由表层开始，不断向内部发展，使混凝土产生剥蚀破坏，从而影响混凝土的力学性能[1-2]。

在实际工程中，纤维被越来越多地应用于混凝土中来改善混凝土的抗冻性能[3-6]。赵小明等[7]通过大量的试验研究表明，在混凝土中混合掺入钢纤维和聚乙烯醇纤维，可以有效提高混凝土的抗冻耐久性。梁宁慧等[8]研究了多种尺寸的聚丙烯纤维对混凝土抗冻性的影响，结果表明，聚丙烯纤维可以明显改善混凝土的微观孔结构和抗冻性，当混掺多尺寸聚丙烯纤维时，混凝土抗冻性提升最为明显。何柏等[9]对比研究了几种不同亲水性纤维在冻融环境下对混凝土性能的影响规律，结果表明亲水性更好的纤维素纤维对混凝土抗冻性的改善效果最佳。陈柳灼等[10]试验证明，聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗拉性能，对抗压强度影响不大，同时可以明显改善混凝土抗冻耐久性。程猛等[11]也通过实验证明，掺入适量纤维和粉煤灰能缓解混凝土内部压力引起的应力集中，从而增强混凝土抗冻破坏能力。

纤维素纤维是世界上含量最丰富的天然有机物，在自然界中分布广泛。目前，纤维素纤维作为一种低碳环保材料已经被广泛应用于混凝土生产中[12-15]。纤维素纤维作为混凝土基体中的桥梁传递应力，延缓裂纹的发展，同时也可以提升基体黏度，提高混凝土的强度[16-19]。但也有学者认为混凝土内部孔隙结构的变化和发展是引起混凝土损伤的根本原因，而纤维的引入会一定程度增大混凝土内部孔隙的尺寸，从而加快了孔隙破坏的速度。同时，纤维在混凝土的碱性环境中会出现老化的现象，在服役一段时间后失去传递应力的能力。

粉煤灰作为最常见的辅助胶凝材料，具有弱碱性的特点，同时由于其较好的火山灰活性，有助于提高混凝土内部致密性。但现有的研究成果大多从宏观力学角度分析粉煤灰对纤维素纤维混凝土力学性能的影响，从细观机理分析研究尚少。因此，现对不同掺量粉煤灰对纤维素纤维混凝土在冻融环境下的力学性能及微观孔隙信息参数进行分析研究，归纳粉煤灰对纤维素纤维混凝土抗冻性的影响规律，以期为粉煤灰及纤维素纤维的实际应用提供相应的理论性参考。

1 试验概况

1.1 原材料与配合比

当过多的纤维掺入混凝土中时，会导致纤维结团从而影响局部砂浆的孔隙结构，同时也会降低混凝土的和易性，增加施工难度。当纤维掺量为0.9 kg/m3时，纤维可以最优地发挥其特性，对混凝土的综合性能起到增强效果。本次试验中的纤维素纤维混凝土纤维掺量均为0.9 kg/m3，按照粉煤灰代替0、10%、20%、30%的水泥，将试样分别编号为CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20、CF0.9FA30，不添加纤维素纤维和粉煤灰的对照组混凝土编号为PC，具体的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

水泥采用陕西铜川声威产生的42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料采用渭河中砂，细度模数为2.7，表观密度为2.69 g/cm3，含泥量约为1.2%；粗骨料采用陕西镇安的砂卵石，粒径为5～20 mm，级配连续；粉煤灰是以灞桥电厂的高炉矿渣为原料，等级为Ⅱ级，减水剂使用萘系高效减水剂。

1.2 试样制备与试验方法

各组混凝土按照设计的配合比制作完成后，在100 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×400 mm钢模中浇筑，24 h后拆模，放入温度为(20±2)℃，相对湿度为95%的标准养护箱中养护。养护28 d后，测定各组混凝土的抗压强度。继续养护60 d后开始冻融循环试验。

按照GB /T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的快冻法进行冻融试验。在冻融过程中，样品的中心温度为-18～5 ℃。在冻融过程前测定混凝土的初始质量、抗压强度及初始动弹模量，并对初始采样样品进行核磁共振扫描，测量孔隙率及孔隙分布等参数。冻融过程中，每25个循环对尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的样品进行质量及横向基频测定，计算得出相应的质量损失率及相对动弹模量；每50个循环对尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试样进行单轴受压破坏试验；每100个冻融循环对采取样品进行核磁共振分析，计算求得相关孔隙信息参数。

1.3 分析方法

利用核磁共振准实时监测了混凝土在硫酸盐侵蚀过程中的孔结构。试验前，对再生混凝土试件进行真空和饱和处理。采用真空饱和装置抽气4 h，然后用水浸泡24 h。在将混凝土样品放入核磁共振仪之前，用一层塑料薄膜包裹圆柱体样品的表面，以防止试验过程中因失水而造成孔隙数据误差。核磁共振T2谱的分布与孔径有关，T2谱的分布反映了孔隙的分布。T2值越大，孔隙半径越大。峰的位置与孔径有关，峰面积与孔的数量有关[20]。T2值与孔隙半径的关系为

r=CT2

(1)

式(1)中：C为常数转换系数。本试验采用的数值为0.008 μm/ms。根据孔隙半径，混凝土中的孔隙可分为4种类型：微孔(r<0.01 μm)、中孔(0.01～0.05 μm)、大孔(0.05～1 μm)和裂缝(r>1 μm)[21-22]。

2 结果与分析

2.1 质量损失率

混凝土冻融循环破坏的过程是自表至里的剥蚀作用，水体在冻融交替中对混凝土中的孔隙产生冻胀力和渗透压力的综合破坏，整个破坏过程中混凝土表面的孔隙逐渐变大，水泥砂浆脱落。这一过程中会造成混凝土试件质量的变化，通过测量冻融循环过程中试件质量并加以分析，可以对判定混凝土抗冻融能力提供参考。

图1为各组混凝土在冻融循环下的质量损失率情况。可以明显看出，纤维素纤维混凝土试件在冻融循环下质量损失率呈现先降后升的趋势。整个过程基本分为3个阶段：质量增加期、质量缓降期和质量速降期。

在冻融循环早期，各组混凝土的质量都有一定程度的增加，其中普通混凝土质量增长程度最小，而4组纤维素纤维混凝土均在冻融50～75次时达到最大。这一阶段，冻融循环对混凝土的破坏程度相对较小，破坏导致剥落的砂浆质量小于进入混凝土内部的水的质量，所以质量有所增加。由于纤维素纤维较好的吸水性，使得4组纤维素纤维混凝土的质量增加更为明显。随着冻融循环的继续，试样表层砂浆持续掉落，破坏由此可以进一步深入。在冻融循环200次以后，各组混凝土均进入质量速降阶段，破坏产生的微裂隙持续发展，砂浆掉落明显，混凝土表层结构逐渐疏松。在冻融300次以后，PC的质量损失最大，为2.1%。CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的质量损失率分别为1.41%、1.23%、1.18%和1.87%。

图1 冻融循环下的混凝土质量损失率Fig.1 Mass loss rate of concrete under freeze-thaw cycle

2.2 相对动弹模量

相对动弹模量反映的是混凝土样品的内部密实程度，也从侧面反映出混凝土在不同环境下的受破坏程度。从图2中可以明显看出，在冻融循环75次时，PC的相对动弹模量已经明显低于几组纤维素纤维混凝土，这说明纤维素纤维的掺入对混凝土冻融前期的耐久性提升作用还是很明显的。随着冻融次数的增加，PC的相对动弹模量持续下降，且下降速率明显高于纤维素纤维混凝土。几组纤维素纤维混凝土在冻融循环150次前的相对动弹模量差异不大。150次后，CF0.9和CF0.9FA30的相对动弹模量下降速率比CF0.9FA10和CF0.9FA20更加明显。在300次冻融循环后，PC、CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的相对动弹模量分别为73.3%、84.9%、87.9%、89.5%和82.1%。纤维素纤维可以明显提升混凝土在冻融环境下的内部结构稳定性，粉煤灰对于纤维素纤维混凝土的抗冻性也有显著的改善作用，且在20%的取代率内，粉煤灰掺量越多对纤维素纤维抗冻性的提升越明显。30%掺量的粉煤灰并不能使混凝土抗冻性持续提升，且效果反而不如CF0.9。

图2 冻融循环下的混凝土相对动弹模量Fig.2 Relative dynamic elastic modulus of concrete under freeze-thaw cycles

2.3 立方体抗压强度

各组混凝土在标准氧化条件下养护28 d和60 d后的立方体抗压强度如图3所示。显然，纤维素纤维可以一定程度上提高混凝土的抗压强度。而粉煤灰对于混凝土的抗压强度有负面影响，且粉煤灰掺量越高，混凝土抗压强度越低。在28～60 d养护阶段，PC、CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的抗压强度增长率分别为9.3%、11.2%、15.8%、17.9%和13.1%。粉煤灰有利于混凝土强度的长期增长，这是由于粉煤灰与水泥水化产物发生二次反映，从而形成致密的C-S-H凝胶，增强了基体强度。

图3 养护期及冻融循环下的立方体抗压强度Fig.3 Cube compressive strength during curing period and freeze-thaw cycle

各组混凝土在冻融循环条件下的强度变化如图3所示。在冻融循环初期(0～50个循环)，各组混凝土的强度基本维持不变，只有小幅的下降。随着冻融循环次数的增加，各组混凝土强度开始出现明显的下降，PC组下降的速率最快，CF0.9的强度下降程度也明显高于掺入粉煤灰的几组纤维素纤维混凝土。在200次冻融循环后，各组混凝土的强度进入快速劣化阶段，300次冻融循环后，PC、CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的抗压强度分别为冻融前的64.7%、73%、81.9%、83%和75.6%。纤维素纤维和粉煤灰的掺入都可以一定程度提高混凝土的抗冻耐久性。

2.4 孔隙率及孔隙分布

本次试验借助核磁共振技术，获得了各组混凝土样品在冻融循环条件下的T2谱曲线，在曲线上，左边的峰代表小孔，第二个峰代表中孔，最右边的峰代表大孔和微裂隙。图4为CF0.9FA10在冻融过程中的T2曲线，冻融前，CF0.9FA10内部孔隙主要以小孔为主，占比为86.65%，而中孔和大孔占比分别为10.74%和3.61%。随着冻融过程的继续，中孔和大孔的发展更为明显，在300次冻融循环后，大孔占比明显增加，达到了21.87%。可见，冻融破坏是混凝土内部孔隙结构演变的结果，小孔隙逐渐在冻胀力和渗透压力的作用下发展为较大的孔隙，进而产生微裂隙，导致浆体结构发生破坏。

各组混凝土样品在冻融过程中的孔隙分布变化情况如表2所示，可见纤维素纤维的掺入对混凝土孔隙分布的影响不大，但粉煤灰对于纤维素纤维混凝土的孔隙分布有着明显的改善作用，且粉煤灰掺量越大，小孔和中孔的合计占比越高。另外，粉煤灰和纤维素纤维联合使用可以有效改善混凝土的孔隙结构，其中CF0.9FA20在300次冻融循环后的大孔占比为14.04，明显小于其他几组混凝土。

图4 冻融循环下CF0.9FA10的核磁共振T2曲线Fig.4 NMR T2 curve of CF0.9FA10 under freeze-thaw cycle

表2 冻融循环下混凝土孔隙分布变化Table 2 Change of pore distribution in concrete under freeze-thaw cycle

纤维素纤维具有很好的吸水性，且比表面积极高，水泥水化产物氢氧化钙(C-H)可以沉淀在纤维素上，从而促进水泥的水化程度[23]。再加上纤维素纤维嵌入基体，这样的综合作用可以显著提高基体的强度。粉煤灰的加入可以使活性组分与C-H发生火山灰反应，生成致密且稳定的C-S-H凝胶，使得混凝土孔隙均匀化，从而一定程度上改善孔隙结构[24]。粉煤灰掺量越高，孔隙结构越致密，但过多的粉煤灰又会降低水泥基体的强度，所以粉煤灰掺量为20%较为合适，同时粉煤灰是低碱材料，消耗碱性物质C-H，在基体内形成低碱环境，可以使纤维素纤维有着更好的耐久性。

3 结论

(1)纤维素纤维可以增强混凝土的内部结构，提高内部强度。同时也可以提升混凝土的抗冻耐久性；将粉煤灰掺入纤维素纤维混凝土时，可以提升纤维素纤维混凝土的基体强度，使混凝土在冻融循环条件下内部结构更加稳定，提高混凝土的抗冻耐久性。

(2)在冻融循环作用下，低掺量粉煤灰可以有效延缓纤维素纤维混凝土力学性能的劣化，而当粉煤灰掺量超过30%后，反而会削弱基体强度，对抗冻性产生不利影响。

(3)冻融循环下，纤维素纤维混凝土的力学性能差异是基体强度和孔隙分布差异的宏观表现，减少大孔隙，遏制其发展对于提高抗冻耐久性有重要意义。