冻融循环后纤维陶粒混凝土力学性能试验研究

 黄  静，王建民，刘安庆

 （宁波大学建筑工程与环境学院，浙江  宁波  315211）

[摘要]使用淤泥陶粒为粗骨料分别配制无纤维、塑钢纤维( HPPF)和聚丙烯腈纤维(PANF)陶粒混凝土，经冻融循环试验后，研究其表面破坏特征、质量、抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度与微观结构的变化。相关试验结果表明，掺入纤维能够有效抑制陶粒混凝土中裂缝的产生和发展，改善陶粒混凝土的抗冻性能。冻融损伤使陶粒混凝土表面的水泥浆层变脆剥落，但质量损失不明显；冻融循环后陶粒混凝土抗压强度下降，弹性模量变小，变形增大，劈裂抗拉强度变小。

[关键词]混凝土；纤维陶粒混凝土；冻融循环；力学性能；微观结构

[中图分类号]TU528.2  [文章编号]1002-8498(2016)09-0053-04

 目前国内外对陶粒混凝土的冻融研究主要集中于钢筋与混凝土的黏结性能、质量增加问题以及抗盐冻等方面，对于纤维陶粒混凝土的研究主要集中于钢纤维、聚丙烯纤维的掺入对陶粒混凝土的阻裂效应，相关力学性能及耐高温性能等方面的研究，对于添加塑钢纤维( HPPF)、聚丙烯腈纤维( PANF)的陶粒混凝土在冻融循环作用影响下的相关力学性能的研究还相对较少。

 本研究通过试验试配LC30陶粒混凝土，分别掺入HPPF和PANF，进行冻融循环试验，然后观察分析纤维陶粒混凝土的表面破坏特征，再进行抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度等力学性能以及微观结构经冻融循环后的变化规律试验分析，并与未掺人纤维的陶粒混凝土进行对比，以期得出HPPF和PANF的掺入对经冻融循环的陶粒混凝土相关力学性能的影响及原因总结。

1试验概况

1.1  试验材料

 细骨料选用堆积密度为1450kg/m3的普通中砂；粗骨料采用椭球形淤泥质高强陶粒，堆积密度为850kg/m3，筒压强度为6. 39MPa;水泥采用P．O42.5普通硅酸盐水泥；采用I级粉煤灰；选用塑钢纤维和聚丙烯腈纤维，具体规格参数如表1所示。

1.2试验设备

 试验所用冻融装置为CABR-HDK9型混凝土快速冻融机，采用WAW-600C型60t液压伺服控制压力机进行试块力学性能测试。

1.3试块制作

 试块制备后在实验室标准养护条件下养护28d，取出后在自然室温条件下气干1个月，以备后续冻融试验使用。考虑制得的立方体( 100mm×100mm×100mm)、棱柱体(100mm×100mm×300mm)试块后续需进行立方体抗压、劈裂抗拉试验，棱柱体抗压、弹性模量测定等试验，并与无纤维试块作对比，所需制备的试块个数为(3 +3 +5 x3) x5 x3 x2 =630个，根据掺入纤维以及冻融与否将所有试块分为6组。试件采用的配合比中，陶粒均为780kg/m3，砂为550kg/m3，水泥为460kg/m3，粉煤灰为80kg/m3，拌合水为210kg/m3。添加纤维HPPFl. 8kg/m3的试块分组命名为LCH，添加纤维PANFO. 4kg/m3的试块分组命名为LCA，而作为对比无添加纤维的试件分组命名为LC。

1.4试验方案

 冻融试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009的快冻法，利用全自动冻融仪进行测试。试验前4d，将试件放入15~20℃的水中浸泡，以使混凝土试块内部达到饱水状态，然后进行冻融循环试验。放人冻融机试验前先将试块表面水分擦干，测定质量，然后调整冻融机相关试验参数，保证机内环境达到试验要求。每次冻融循环的时间控制在3~4h，融化时间须控制在整个冻融时间的1/3。在冻结和融化终了时，试件中心温度分别控制在- 17.5℃和7.5℃。所有试块均经冻融循环25次（无纤维和HPPF混凝土试块还经历了50次和75次的冻融循环，本试验以25次冻融循环研究为主）。冻融结束后，再取出试件气干后拍照称重。然后，对试块进行相应力学性能试验（抗压、劈裂、弹性模量测定），最后留取合适碎屑样品打磨喷金处理进行电镜扫描观测试验，选取相应电镜照片留用。

2试验结果分析

2.1  25次冻融循环后表面特征变化分析

 图1为冻融循环前后LC，LCH和LCA棱柱体试块表面特征变化。由图1看出经冻融循环后，无纤维陶粒混凝土( LC)试块表面出现较为明显的麻面现象，而塑钢纤维陶粒混凝土( LCH)和聚丙烯腈纤维陶粒混凝土( LCA)试块表面剥落不明显。

 试块表层是由水泥砂浆构成的，冻融前，表层光滑平整；而在冻融循环的环境下，由冻融循环形成的温差使轻骨料混凝土内部的自由水反复发生结晶膨胀和融化收缩，产生较大的温度应力，破坏砂浆基体，致使试块表层砂浆剥落，形成麻面甚至露出内部陶粒和纤维。掺入纤维的陶粒混凝土，由于纤维与水泥浆体的黏结作用，减小了应力带来的负面影响，相对于直径较粗、弹性模量较大以及相对变形较小的HPPF，PANF由于其较小的单丝直径、良好的延性以及与水泥砂浆更优的黏结能力，使得试件表面没有出现明显的麻面和剥落。

2.2不同次数冻融循环后陶粒混凝土表面及质量变化情况

 图2为分别经25，50，75次冻融循环后LC和LCH表面变化情况。由图2可知，随着冻融次数的增加，陶粒混凝土试块表面出现了较为明显的变化。无论是LC，抑或是LCH和LCA试块表面，都出现了明显的剥落。LCH试块表层的纤维由于失去水泥砂浆的有效包裹而开始外露。

 试块进行冻融试验前后的质量m1（均值）和质量的变化值m2（均值）如表2所示。冻融试验前后无论是LC试块，还是LCH和LCA试块，其质量变化均不明显，除了25次冻融循环试验中，经冻融后试件的质量稍有增加，经50次和75次冻融循环试验后，试块质量均有较明显的损失。

对于25次的冻融结果，可能是由于水分的不断渗入促进了水泥的水化反应。不太明显的质量损失，是因为冻融循环虽然破坏了砂浆基体，但由于冻融前后的试块均在水中浸泡饱和，且试块内部存在物理约束作用，只有表层的砂浆剥落，其余部位物理位置不会发生变化。部分水泥砂浆由于和纤维表面的有效黏结，依旧悬挂于已经外露的纤维表面上，形成了一层绒状物，从而减少了试件表面水泥砂浆脱落的质量，降低了质量损失。然而，由于只有试件表面少量纤维延缓其附近砂粒或浆体颗粒的脱落过程，试件内部乱向分布的纤维并不能起到更多作用，所以纤维对质量损失改善作用有限。

2.3立方体抗压强度

 LC，LCH，LCA冻融前后的立方体抗压强度变化值如表3所示，冻融循环对轻骨料混凝土的立方体抗压强度有削弱作用。从表中数据还可以看出，LC与LCH和LCA相比，经冻融损伤后，其强度下降的幅度要小，且试验过程中发现，LC比LCH和LCA达到破坏强度的时间要晚。

 分析原因主要是因为纤维能承担冻融循环时混凝土内部所产生的拉应力，与LC相比，抗裂性大大提高，在受压力作用时，由于纤维对混凝土的横向约束力，混凝土的抗压承载力得以提高；冻融循环后，纤维在承受多次加卸载与低温作用后，承受拉力的能力大大下降，反而会使陶粒混凝土提前发生破坏。

2.4  立方体劈裂抗拉强度

 LC，LCH和LCA经25次冻融前后的立方体劈裂抗拉强度变化值如表4所示。冻融循环试验前，掺入纤维后，陶粒混凝土的劈裂抗拉强度有较为明显的提高，相对于HPPF，PANF的增强作用更明显。冻融试验后，LCA劈裂抗拉强度依旧较其他高。分析原因，PANF具有较高的延伸率、易分散、抗酸碱和耐低温性强，其在混凝土中乱向分布，微细纤维相互搭接，阻碍了混凝土搅拌和成型过程中内部空气的逸出，使混凝土的含气量增大，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力，从而对劈裂抗拉强度有较为明显的增强作用。其次，由于聚丙烯腈纤维直径小，单位体积数量多、纤维间距较小，因此其阻裂效应好，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，有效抑制了混凝土的冻胀开裂，有益于混凝土低温环境下的强度增长和抗冻融耐久性的提高。因此，它对混凝土劈裂抗拉强度的改善较为明显。

2.5棱柱体抗压强度

 LC，LCH和LCA冻融前后的棱柱体抗压强度变化值如表5所示，冻融循环对轻骨料混凝土的棱柱体抗压强度有明显削弱作用，掺入纤维后，棱柱体抗压强度较立方体抗压强度有所下降，这主要是因为尽管纤维在混凝土内部承担由于混凝土收缩所产生的拉应力，抑制混凝土内部应力，延缓开裂，提高陶粒混凝土的抗压强度，但由于棱柱体的高宽比较立方体要大，对混凝土横向变形的约束不足，使得棱柱体试块中高部分混凝土处于横向自由变形状态，此时纤维的加入破坏了混凝土内部的整体性，反而使得强度降低，在冻融循环作用下，此种效应更为明显。LC，LCH与LCA冻融前后的棱柱体抗压荷载，位移曲线如图3所示。图中，LCH和LCA冻融后的荷载一位移曲线下降与LC相比更为平缓，可见纤维能提高陶粒混凝土的抗冻性。

2.6弹性模量

 参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002中无纤维混凝土弹性模量试验方法对陶粒混凝土进行弹性模量试验，以0.5 M Pa/s的速度进行3次加卸载，得出LC，LCH与LCA经25次冻融循环前后的弹性模量值如表6所示。冻融前LC的弹性模量与LCH和LCA无明显差异；LCH和LCA的弹性模量冻融前后的变化大于LC；冻融后陶粒混凝土的弹性模量小于未冻融陶粒混凝土。分析原因主要是：无纤维陶粒混凝土属于脆性材料，变形小，加入纤维提高了陶粒混凝土的塑性，对混凝土变形有约束作用；冻融循环后加入纤维的陶粒混凝土弹性模量明显低于无纤维陶粒混凝土，间接证明了纤维的加入使得陶粒混凝土的抗冻性得以发挥。

2.7  微观结构特征变化分析

 通过对冻融前后LC，LCH和LCA的样品在电镜下进行观察（见图4），对比分析后发现：经冻融后的混凝土在水泥基质与陶粒的交界区域处，有较为明显的微裂缝产生，水泥基质部分有明显的片状钙矾石碎裂物和剥落现象，而在陶粒部分，可以观察到孔洞有较为明显的扩大趋势；相对于LC，LCH和LCA表面，在冻融前基质更为均匀，冻融后对裂缝的继续开展有较为明显的抑制作用。分析其原因，可能是因为纤维的掺入，使得水泥水化产物由一个微观密实体逐步成为一个微观疏松体，混凝土微孔结构不断增加造成的。

3  结语

 1)轻骨料混凝土在冻融循环作用下，各项性能出现劣化，试件表面的砂浆颗粒和细骨料颗粒随着冻融循环试验的进行，逐渐开始剥落。纤维的掺入对轻骨料混凝土的冻融破坏形式产生了一定的影响，部分小颗粒和纤维表面的有效黏结所形成的绒状物降低了混凝土的质量损失。 

2)由于纤维表面凹凸不平（类似钢筋表面的肋），其与硬化水泥浆体界面形成较强的机械啮合作用，提高了纤维与硬化水泥浆体界面的黏结强度，增强了混凝土的塑性，从而明显提高了混凝土的抗拉强度，同时也抑制了混凝土的冻胀开裂，进而使轻骨料混凝土的耐久性能得以提高，延长了混凝土的使用寿命。

 3)经SEM试验对冻融前后3组试块的微观结构进行扫描观测，对比分析后发现：纤维的掺入使得水泥水化产物由一个微观密实体逐步成为一个微观疏松体，混凝土微孔结构不断增加。