孙 杰，吴 爽，马 稳，孙明星，冯 川，张 尧

(1.武汉科技大学 城市建设学院， 湖北 武汉 430065；2.湖北交投产城随州发展有限公司， 湖北 随州 441300)

我国北方不少地域均存在硫酸盐和氯盐等侵蚀混凝土结构的介质[1-2]，然而，高寒地区的水位变动，混凝土会同时受到干湿循环和冻融双重因素影响，在该条件下的混凝土结构损伤劣化速度更快。相关研究表明，硫酸盐前期虽能降低冻融循环对混凝土的劣化，但后期膨胀力、结晶压力和冻胀力共同作用使混凝土加速劣化[3]。相对于连续浸泡作用，干湿循环作用下混凝土受硫酸盐侵蚀程度更严重[4-6]。有学者采用浸泡-室温干燥的方法来创造干湿循环条件从而避免烘干过程中温度对混凝土裂缝的影响[7-8]。

玄武岩纤维在高温状态和恶劣环境中能够保持优良形态和性能，是一种极具有应用前景的天然无机非金属材料[9-11]。研究表明：向基体混凝土中加入玄武岩纤维，会阻碍混凝土裂缝扩展、孔隙增加，可以有效缓和混凝土质量损失以及相对动弹性模量的降低速度，削弱外界的侵蚀作用，从而使混凝土的抗冻性能得到提升[12-16]。聚丙烯纤维平均间距小，具有质量轻、强度高和耐腐蚀等优点，向混凝土中掺入聚丙烯纤维可以提高混凝土的韧性和抗开裂性能[17-19]。研究表明：混掺纤维混凝土的应力和应变均有显著提升，而且聚丙烯纤维对初裂应变的影响比较显著[20-21]。水泥基复合材料受到外力时，不同力学性能或尺寸的混掺纤维能够在不同层面和阶段发挥各自的作用，会形成正效应，所以适当掺量的混掺纤维多尺度复合材料混凝土性能更好[22-24]。

目前国内外大量研究成果主要体现在双重因素如干湿循环与盐溶液耦合、冻融循环与盐溶液耦合、荷载与盐溶液耦合几种情况作用下混凝土的力学性能与耐久性研究。然而在实际服役环境中，混凝土所遭受到的环境影响远远比这些更复杂，而且不同试验制度的差异会影响试验结果的准确性，目前关于干湿循环方法还没有建立一个特别规范的试验方法体系，所以需要更加积极地开展干湿循环相关研究。因此，开展复杂环境下干湿循环作用的混凝土损伤劣化研究非常迫切。本文研究硫酸盐侵蚀干湿循环作用下对混掺纤维橡胶混凝土抗冻性能影响，为我国北方盐碱地区混凝土耐久性提供理论支撑，具有长远意义。

1 试验部分

1.1 主要原料

采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥；砂采用优质河砂，中砂，细度模数为2.7；橡胶粉为都江堰市华益橡胶有限公司生产40目规格的橡胶粉；粗骨料采用5 mm～20 mm的连续级配碎石；外加剂为聚羧酸型高效减水剂；选用湖南长沙汇祥纤维直销厂生产的短切玄武岩纤维和聚丙烯纤维，各项性能指标见表1。

表1 纤维的技术性能指标

1.2 配合比设计及试验方法

采用5%质量浓度NaOH溶液对40目橡胶粉改性，且橡胶粉掺量均为细骨料体积的10%。选用玄武岩和聚丙烯两种纤维，以混掺方式添加到C40改性橡胶混凝土中，其中玄武岩纤维体积掺量为0.1%、0.2%、0.3%及聚丙烯纤维体积掺量为0.1%、0.2%，共计6组试验，参照《普通混凝土配合比设计规程》[25](JGJ/55—2011)的要求设计并配制C40混凝土，见表2。

表2 配合比设计方案

1.2.1 硫酸钠干湿循环试验

为了研究硫酸钠溶液侵蚀作用，将混凝土试件先在5%Na2SO4溶液中浸泡16 h，然后保持良好的通风环境，放置室外自然干燥8 h,以24 h作为一个干湿循环周期，分别在干湿循环周期为0次、20次、40次、60次时进行相关力学性能试验测定。在侵蚀过程中，需要定期测定溶液浓度，并根据实际情况更换溶液，保持溶液浓度的恒定。

1.2.2 冻融循环试验

冻融循环试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[26](GB/T 50082—2009)进行，混凝土试件在完成硫酸钠干湿循环后，在水中浸泡4 d使达到充分饱水状态，然后放入冻融循环试验机分别进行0次、25次、50次、75次、100次、125次、150次、175次和200次的冻融试验。

2 结果与讨论

2.1 外观形貌变化

图1为干湿循环20次后冻融循环200次下混凝土试件的外观形貌。图2为干湿循环60次后冻融循环200次下混凝土试件的外观形貌。从图1与图2可以看出，干湿循环20次的试件经过200次冻融作用后，试件表面凹凸不平且出现细小的裂缝，表面出现坑洞但无明显裂纹，外形较为完整。随着干湿循环周期增加，达到60次后，混凝土试件损伤程度加剧，表面坑洞增多，部分试件表面水泥浆解体，粗骨料外露，棱角处开始出现裂纹，且有剥落的趋势。产生此现象是因为硫酸盐的侵蚀作用，且SO42-在试件棱角处建立三维传输区域，所以侵蚀最为严重。此外，棱角处的裂纹会加速硫酸盐的侵蚀破坏。

图1 冻融循环200次试件外观(20次)

图2 冻融循环200次试件外观(60次)

混凝土在硫酸盐侵蚀作用下，受到物理和化学结晶作用，来自物理结晶产生的膨胀压力会导致混凝土表面出现疏松和剥落等破坏，并且破坏逐步向内部扩展。化学结晶作用即SO42-进入混凝土内部，发生水化反应生成膨胀性的产物石膏和钙矾石，从而在试件内部产生内应力。混凝土抗拉强度一旦低于盐结晶压力、冻融产生的静水压力和侵蚀产物的膨胀压力之和时，便会出现裂缝并进一步劣化。

2.2 抗压强度变化

图3为不同干湿循环次数下混凝土的立方体抗压强度。从图中可以看出，随着干湿循环次数的增加，混凝土试件的立方体抗压强度一直在增加，达到60次时，强度开始出现下降，说明干湿循环作用是一个漫长的破坏过程，只有干湿循环达到一定次数，混凝土劣化才会有明显的变化。误差棒可以反映数据的变异情况，图中误差棒离散程度比较小，表示试验数据变化比较均匀，变异性不是特别大。

图3 干湿循环作用对混凝土立方体抗压强度的影响

以未进行干湿循环时的混凝土试件的立方体抗压强度为基准强度，绘制强度变化图，如图4所示。抗压强度经历了增长阶段和下降阶段，分析原因是在硫酸盐侵蚀前期，SO42-进入混凝土内部会发生水化反应，膨胀性产物的产生填充了混凝土孔隙和骨料浆体界面区，从而提高了混凝土密实度，对混凝土试件的抗压强度起到增强作用。循环周期延长，产生的膨胀性产物不断增多，混凝土内部的孔隙无法容纳更多的膨胀性产物，且膨胀性内应力逐渐比混凝土的抗拉强度高，从而产生新的裂缝，裂缝不断扩张，使溶液中的SO42-沿着裂缝进去混凝土内部，加快了硫酸盐的侵蚀，导致混凝土的抗压强度不断下降。另外，图中不同纤维掺量的混凝土试件，立方体抗压强度存在差异。当干湿循环次数为40次时，BF10PP10、BF20PP10、BF30PP10、BF20PP10、BF20PP20的立方体抗压强度分别为47.05、50.29、44.46、50.29、51.96，表明适宜掺量的混掺纤维可以提高混凝土的力学性能，当玄武岩和聚丙烯纤维掺量分别为0.2%时，试件的立方体抗压强度最大，此时力学性能最优。

图4 混凝土立方体抗压强度变化图

2.3 质量损失变化

图5—图8为各组混凝土在硫酸盐环境下干湿循环冻融后的质量损失。

图5 质量损失率变化图(0次)

图6 质量损失率变化图(20次)

图7 质量损失率变化图(40次)

图8 质量损失率变化图(60次)

可以看出，随着冻融循环周期的延长，混凝土的质量损失率明显增大，损失速率加快。图5为没有进行干湿循环的试件经过冻融循环后的质量损失，当达到200次冻融循环后，各组试件的质量损失达到最大，最大为1.55%。BF10PP10、BF20PP10、BF30PP10质量损失分别为1.54%、1.52%、1.53%，BF10PP20、BF20PP20、BF30PP20质量损失分别为1.53%、1.50%、1.55%，可以看出随着玄武岩纤维掺量增多，质量损失出现先减小后增加的变化规律，说明适当体积掺量的玄武岩纤维使混凝土在硫酸盐干湿循环冻融环境中的抗侵蚀能力增强，当纤维掺量较大时，可能纤维发生重叠，使混凝土更容易被冻融破坏，会起到“负效应”。

当冻融循环次数达到150次后，混凝土试件的质量损失呈现快速增长。150次以前，试件在硫酸钠溶液中浸泡达到饱和状态，过饱和会出现盐结晶，盐结晶带来的膨胀作用会使混凝土表层出现开裂、剥落。再次进行冻融作用时，试件内部的孔隙水结冰和融化导致体积膨胀和收缩，这种内应力使得混凝土出现裂缝。同时，纤维和橡胶粉的加入提高了混凝土密实性，减少了SO42-进入发生水化反应产生膨胀性产物，从某种程度上来说减轻了混凝土的破坏程度，导致初期质量变化不大。当冻融循环次数达到150次后，混凝土试件裂纹逐步扩展，开裂和剥落程度加剧，使得质量损失快速增长。

比较各图发现在不同干湿循环周期下，各组混凝土试件质量损失差异很小，干湿循环的实质是膨胀性盐结晶破坏，这是一个缓慢的侵蚀过程，时间有限的情况下，破坏不明显。

2.4 相对动弹性模量变化

图9—图12为各组混凝土试件冻融干湿循环作用后相对动弹性模量变化，相对动弹性模量变化呈现逐渐递减的趋势，存在快速下降、缓慢下降和快速下降三个阶段。

图9 相对动弹性模量变化图(0次)

图10 相对动弹性模量变化图(20次)

图11 相对动弹性模量变化图(40次)

图12 相对动弹性模量变化图(60次)

图9为没有进行干湿循环的试件经过冻融循环后的相对动弹性模量，当达到200次冻融，各组试件的相对动弹性模量达到最小，最小为70.2%。BF10PP10、BF20PP10、BF30PP10质量损失分别为72.1%、80.2%、71.2%，可以看出随着玄武岩纤维掺量增多，相对动弹性模量出现先增加后减小的变化规律，说明适当体积掺量的玄武岩纤维使混凝土在硫酸盐干湿循环冻融环境中的抗侵蚀能力增强，当纤维掺量较大时，可能纤维发生重叠，使混凝土更容易被冻融破坏，会起到“负效应”。

冻融循环前期，干湿循环起主要作用，相对动弹性模量呈现快速下降趋势。在干湿循环作用的浸泡阶段，进入混凝土内部的SO42-会与水泥发生水化反应，产生石膏、钙矾石等膨胀性产物，在初期这些侵蚀产物的形成会提高混凝土密实性，从而提高混凝土的相对动弹性模量，但是由于试验中纤维和橡胶粉的加入，使得混凝土的密实性更好，所以减少了进入混凝土内部的SO42-，即从某种程度上来说在干湿循环作用的初期，橡胶粉减少了侵蚀产物的产生。在干湿循环作用的干燥状态下，混凝土中的水分不断散发出去，混凝土内部孔隙中的盐溶液逐渐饱和，盐溶液结晶会产生压力导致试件的表层开始剥落，从而动弹性模量下降。冻融循环作用加速了混凝土的损伤剥落，所以整个过程中混凝土的动弹性模量不断降低。中期裂缝扩展，硫酸盐进入混凝土内部不断发生化学反应，生成钙矾石和石膏等产物，膨胀作用暂时起到了密实作用，从而相对动弹性模量下降速率减缓；随着冻融破坏继续进行，混凝土内部产生更多裂缝，加剧了冻融与侵蚀破坏，相对动弹性模量下降迅速。

2.5 混凝土损伤度

现以相对动弹性模量定义混凝土试件损伤度D，使试件内部的损伤衰变更好得到体现。

D=1-En/E0

(1)

式中：E0为初始动弹模量；En为经n次冻融循环后的动弹模量。

图13为混凝土损伤度随冻融循环次数的变化曲线，图14为干湿循环周期60次下，混凝土损伤度随冻融循环次数的变化曲线。对曲线进行分析得到：当冻融循环次数为200次，单一冻融循环作用下混凝土损伤度可达29.8%，冻融-干湿循环作用下混凝土损伤度可达31.9%。混凝土损伤度随着冻融循环次数的增加逐步增加，在硫酸盐侵蚀干湿循环作用下，加速了混凝土损伤进程。当损伤度相同均为16%时，单一冻融循环需要175次，冻融-干湿循环需要150次，因此，冻融-干湿循环损伤效应是冻融循环的1.17倍。同时说明，混凝土内部反应中不同损伤因素的存在会互相加速损伤效应。

图13 损伤程度与冻融循环次数关系曲线(0次)

图14 损伤程度与冻融循环次数关系曲线(60次)

现以干湿循环周期60次为例，以混凝土试件的相对动弹性模量变化作为考虑因素，构建试件的二次函数衰减模型[27]：

Y=aN2+bN+c

(2)

式中：a、b、c为系数；N为冻融循环次数。

将相对动弹性模量代入式(2)进行拟合，得到衰减模型如表3所示。

表3 相对动弹性模量冻融循环损伤程度二次函数衰减系数

从表3中可以看出，拟合系数均在0.97以上，表明建立的二次函数衰减模型具有较高的精确度，与试验结果有较好的拟合程度，对混掺纤维改性橡胶混凝土的冻融损伤程度能够起到一定的预测效果。影响二次函数衰减模型的关键系数为a和b，试验中各组试件衰减系数b差异不是特别大，所以主要考虑衰减系数a的影响。BF10PP20、BF20PP20、BF30PP20组混凝土试件拟合系数a绝对值分别为3.366 2、3.283 1、5.170 6，可以看出在相同冻融循环次数下，不同纤维掺量对基于相对动弹性模量定义的损伤度的敏感程度不一样。所以开展在复杂环境下不同掺量混掺纤维混凝土的抗冻性研究十分必要。

赵小明[27]研究中冻融循环损伤度二次衰减系数见表4，不同类型试件的二次函数衰减系数相差很小，而且数值都非常小。表3与表4相比，本实验拟合的各项系数的绝对值更大，拟合曲线的变化趋势更明显，从某种程度来讲，研究硫酸盐侵蚀干湿循环作用下玄武岩-聚丙烯混掺纤维橡胶混凝土的冻融损伤模型更具有现实意义。

表4 相对动弹性模量冻融循环损伤程度二次函数衰减系数

一般二次多项式拟合度比较高，但是二次项系数非常小且均为负值，所以存在一定局限性。考虑到二次函数衰减模型的局限性，现以干湿循环周期60次为例，下面将Logistic函数引入到混凝土的冻融损伤研究中，构建试件的衰减模型：

Y=a/(1+be-kx)

(3)

式中：a、b、k为系数；x为冻融循环次数。

将相对动弹性模量代入式(3)进行拟合，得到衰减模型如表5所示。

从表5中可以看出，拟合系数均在0.95以上，表明建立的衰减模型具有较高的精确度，与试验结果的拟合程度较好，对混掺纤维改性橡胶混凝土的冻融损伤程度能够起到一定的预测效果。

表5 相对动弹性模量冻融循环损伤程度Logistic函数衰减系数

3 结 论

本文开展了硫酸盐干湿循环作用下玄武岩-聚丙烯纤维橡胶混凝土的抗冻性，主要从混凝土外观形貌变化、抗压强度变化、质量损失、相对动弹性模量和混凝土损伤度五个方面，分析了混凝土的抗冻性，主要结论如下：

(1) SO42-在试件棱角处会产生一个三维传输区域，试件极容易在棱角处出现裂纹破坏，且有剥落的趋势。随着干湿冻融循环周期延长，混凝土的质量损失逐渐增加，相对动弹性模量逐渐减小。纤维掺量过大时，纤维对混凝土的抗冻性起到“负效应”。加入纤维和橡胶粉，混凝土内部结构更密实，改善了混凝土的抗冻性能。

(2) 在硫酸盐环境干湿冻融循环作用下，混凝土耐久性破坏程度明显加大。干湿循环的作用是促进硫酸盐结晶，使混凝土内部裂纹扩展，冻融循环和干湿循环共同作用的效果远远大于单一因素对混凝土的破坏作用，二者相互影响、相互促进，共同导致混凝土破坏。当混凝土达到相同损伤度时，冻融-干湿循环损伤速率更快，是单一冻融循环的1.17倍。

(3) 在硫酸盐侵蚀干湿循环作用下，混凝土试件的抗压强度经历了增长阶段和下降阶段，当玄武岩和聚丙烯纤维掺量分别为0.2%时，试件的立方体抗压强度最大，力学性能最优。采用相对动弹性模量建立的二次函数和Logistic函数衰减模型具有较高的精确度，与试验结果有较好的拟合程度，对混掺纤维改性橡胶混凝土的冻融损伤程度能够起到一定的预测效果。