许新勇，刘汉声，蒋莉

（华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046）

0 引言

为优化中国西部地区水土资源的空间配置，修建了大量的水工建筑物，但在高寒、高盐碱环境下混凝土易产生结构破坏。因此，对于现场环境进行模拟并预测混凝土力学性能衰减规律及损伤机理进行研究对实际工程意义重大。

玄武岩纤维抗腐蚀性能优异，常被使用在特殊工况中。孙斯慧等的研究得出玄武岩纤维不能有效增强混凝土的抗压性能但能够通过控制其掺量来实现改善抗折强度以及抗拉强度。Cory High等以玄武岩纤维棒代替抗弯钢筋，发现玄武岩纤维棒大大降低使用载荷水平下的挠度，显著提高混凝土构件弯曲模量。Mehran Khan等探究掺量对玄武岩纤维混凝土的影响，得出当掺量超过0.68%后，混凝土的力学性将不再有明显的提升。对于实际工程背景下的玄武岩纤维混凝土力学性能、破坏机理以及衰减规律研究较少。因此，以玄武岩纤维混凝土作为研究对象，以冻融循环数、冻融介质和玄武岩纤维组织掺量作为改变量，进行冻融循环试验，探究其抗冻、抗侵蚀性和相关力学性能损伤规律，为实际情况下的玄武岩纤维混凝土奠定一定的理论和试验基础。

1 试验概况

1.1 试验材料

采用PO42.5级水泥；细骨料为天然河砂，其细数模度为2.74；粗骨料粒径5～20 mm，为连续级配且无针片状颗粒；外加剂采用JDU-1的混凝土专用引气剂，含量为0.01%；试验用水选取普通自来水；采用天津致远制作的无水硫酸钠和无水氯化钠。其相关材料指标见表1。

表1 玄武岩纤维性能指标表

1.2 试验配合比设计

实验选用C30混凝土配比作为本次试验参照基准，不同百分比的纤维掺量为试验变量。实验步骤：首先向基础配比的5个实验对象中加入不同掺量的短切玄武岩纤维，掺量为0.05%～0.25%。以清水冻融、3%的氯化钠和5%的硫酸钠混合溶液为两组冻融工况。测试五种不同掺量玄武岩纤维混凝土在清水冻融和溶液冻融两种不同工况下的耐久性规律。以PC代表普通混凝土，BFRC代表玄武岩纤维混凝土。

1.3 室内快速冻融实验

试验以《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》为基准，试验过程为：制作好的试件标准养护24 d后，将试件分别浸泡在不同冻融介质中96 h，当试件达到28 d后开始冻融试验。首先将试件取出放入配置好相应盐溶液的试模中进行标号。实验中要保证液面高度稳定在试件上方0.50～1.00 cm；冻融液始终保持高于试模内液面的高度。一次循环4 h，试件融化的时间须大于整个冻融时长的25%。最后，实验环境以低温-20℃～-16℃和高温8℃～4℃为宜，温度变化的时间须超过单个过程时长的50%。为在同等条件下实现相同的冻融效果，从而获得更精准的数据，冻融机在试验全程必须满负荷运作。

2 试验结果分析

2.1 质量损失率分析

由PC和BFRC在两种冻融介质中的质量损失率可知（图1），两种介质的侵蚀机理不同所造成的质量损失也有所差异。测试部件的实际质量损失都会伴随着冻融数目的增长而逐步增多，这是因为冻融循环容易导致混凝土内部形成细小裂缝，并且随着次数的增加，内部损伤会逐渐外化为表层裂缝，甚至会导致水泥砂浆脱落、骨料掉落等现象的发生。PC与BFRC相比其质量损失总是较高，说明玄武岩纤维的掺入可以使其在时间内布纵横交错，增强了混凝土的联结能力并减少了表层材料的劣化与脱落，对适量损失起到了一定的抑制作用；而对于玄武岩纤维掺量而言，掺量过小则表达效果不明显，过大则会产生较多孔洞及微小裂缝，进而削弱纤维拉结能力。

图1 混凝土质量损失率变化曲线图

2.2 抗压强度分析

图2为PC和玄武岩纤维混凝土在两种冻融介质中抗压强度的变化曲线图，掺加玄武岩纤维对混凝土初始强度的影响不明显，在冻融后的提升较为显著。

图2 混凝土抗压强度变化曲线图

综上可知，抗压强度的降低可能是由于冻融循环对试件内部造成损伤所导致。两种介质中BFRC的抗压强度下降速率低于PC，并伴随冻融次数的增加，产物也随之递增并产生膨胀反应和冻胀反应，测试部件内部之间的纤维组织丝状结构抗压能力实现最高有效数值，对混凝土测试部件的损害逐步转为推动作用，说明玄武岩纤维的掺入在初始阶段对抗压强度的提升效果略小，单可以减缓和盐侵对混凝土所带来的影响。

2.3 抗折强度分析

图3为PC和玄武岩纤维混凝土在两种冻融介质中抗折强度的变化曲线图。混凝土试件在冻融侵蚀作用下，与PC相比较，掺加纤维的混凝土抗折性能较好，且盐溶液冻融的条件下的破坏程度较为严重。其作用原理在于随着冻融循环增加，试件内部逐渐产生损伤，许多微小裂纹随之出现，最终形成大量裂缝导致水泥和浆体流失。另外，盐溶液渗透入内部与之进行一系列水化反应后生成结晶或一些膨胀性物质，并伴随冻融次数增加，膨胀性产物相应增多，内部损伤逐渐变大。而掺入玄武岩纤维组织后，纤维组织在基体内部的乱向分散可以遏制由塑性收缩作用及干缩而形成的微小裂缝，并且在冻融作用下纤维连接于裂缝之间使裂纹路径的曲折性提升，阻碍裂缝的扩张，抑制水泥和砂浆的脱落，减缓混凝土动弹性模量的下降速率，使其抗折性能得到有效提升。

图3 混凝土抗折强度变化曲线图

3 灰色理论模型预测结果对比

在研究阶段会由于各种因素的影响，导致最终获得的结果比较片面，存在部分尚未清晰的信息，因此采用灰色模型客观地揭示所需要的内容。该模型属于模糊预测领域，依靠灰色理论，可以将系统中未知元素推导得出，依据不完全信息最后推出最终具有一定模糊性的完整信息。详细记录清水和盐溶液两种冻融条件下的预测模型与精度，同时依照预测出的混凝土抗压强度结果与实测时抗压强度数据相比对（见图4）。

图4 实际抗压强度与模拟抗压强度比值曲线图

结果可得：不同工况下的混凝土预测出的混凝土抗压强度结果与实测时抗压强度数据相比对，验证了模型满足检验要求，预测精度高。

4 结论

①相同冻融条件下，掺加纤维混凝土的耐久性能下降速率比PC低。与纤维混凝土相比，PC的脆性更高，但含纤维掺量的混凝土能够延缓发生脆性破坏的过程，较普通混凝土的实用性更高。对盐溶液冻融的工况下不同实验组内抗冻性能进行比较获取了最优纤维掺量。试验数据显示，加入掺量为0.15%的实验组混凝土抗冻效果最佳，0.20%次之，0.25%位于第三，并且PC的性能最低。②与清水冻融相比，混凝土在盐溶液中会受到更加剧烈的破坏。对此研究发现，在其中加入适量的玄武岩纤维能够起到有效的防护作用，该作用是通过降低盐冻状况中各项力学性能的下降速率得以实现。试验结果证明，将混合掺量控制在0.15%～0.20%时最为适当，此时其抗冻效果最优。掺量过小其效果不明显，过大反而会影响混凝土的力学性能。③灰色预测模型在混凝土各项耐久性预测方面具有良好的精度，因此在实际工程中，可针对不同混凝土结构所处的服役条件对其力学性能进行模拟预测。