冻融和化学侵蚀下钢纤维混凝土劣化性能研究

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摘要：摘 要：为提高纤维混凝土在复杂环境影响下的耐久性能，本文以C30强度混凝土为基准，选取不掺加纤维的素混凝土(0%)和不同钢纤维掺加率(1%和2%)的钢纤维混凝土，研究不同环境侵蚀条件下结构力学性能的损伤机理。选取6种代表性的环境侵蚀因素，分别为：水、冻融循环、氯化

　　摘 要：为提高纤维混凝土在复杂环境影响下的耐久性能，本文以C30强度混凝土为基准，选取不掺加纤维的素混凝土(0%)和不同钢纤维掺加率(1%和2%)的钢纤维混凝土，研究不同环境侵蚀条件下结构力学性能的损伤机理。选取6种代表性的环境侵蚀因素，分别为：水、冻融循环、氯化钠溶液、硫酸钠溶液、稀硫酸溶液和氢氧化钠溶液，对比分析不同侵蚀环境影响下微观结构和轴向承载力的退化规律。试验结果表明，钢纤维的掺入可以有效地提高混凝土的轴向承载力，但在不同侵蚀条件下的增长规律各不相同，在氯化钠和硫酸钠环境下钢纤维掺量为1%最佳，在冻融循环、稀硫酸和氢氧化钠环境下掺量为2%最佳。该研究成果将为预测不同侵蚀条件和周期下钢纤维混凝土的性能劣化规律提供理论依据。

　　关键词：钢纤维混凝土;环境侵蚀作用;冻融循环;微观结构;力学性能;劣化预测;耐久性

　　引言

　　研究鋼纤维混凝土在化学侵蚀和冻融循环条件下的力学性能与破坏机理非常重要。钢纤维混凝土的抗拉强度和由主应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度较普通混凝土有明显改善[1]。现阶段由于材料耐久性失效导致结构提前破坏的案例屡见不鲜，严寒地带冻融循环作用导致混凝土结构的耐久性降低，在桥梁结构中，这种温度荷载产生的应力，甚至会超过车辆荷载产生的应力，混凝土材料常遭受多种化学侵蚀作用，混凝土盐冻循环对结构保护层厚度损失量的影响呈指数增长，在一定年限达到损失极限，这些侵蚀对混凝土结构的耐久性产生很大影响[2-4]。

　　相关学者对钢纤维混凝土力学性能及环境侵蚀作用下的混凝土耐久性进行了研究。郭光玲[5]研究发现钢纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均有不同程度的提高;Fares等[6]研究发现，钢纤维混凝土的抗压强度在所有暴露期的酸性环境中均会降低，且所有掺量的钢纤维混凝土试件都会发生不同程度性能退化;辛明等[7]研究发现，纤维混凝土在耐久性能的各个方面(如抗碳化、抗冻融、抗硫酸盐腐蚀和抗渗性等)都要优于普通混凝土;何文昌等[8]研究发现钢纤维与水泥浆体有更好的界面黏结性能;Singh等[9]研究发现混凝土配合比中掺入钢纤维后显示出良好的抗冻融性;付建[10]研究发现掺入钢纤维有效延缓了高性能混凝土裂纹的扩展和阻滞宏观裂缝的发生。在环境侵蚀作用下结构耐久性研究方面，王永亮等[11]研究发现，通过增大水胶比和减少粉煤灰掺量可以有效提高混凝土的密实性来抵抗氯离子侵蚀;刘炳等[12]研究发现，当环境中硫酸盐质量浓度大于等于5 000 mg/L时，普通混凝土的物理化学参数的临界值将会受到很大程度的影响，耐久性会变差;方小婉等[13]利用试验数据计算混凝土寿命预测模型中的相关参数，评估混凝土在硫酸盐冻融耦合侵蚀情况下的使用寿命;吴松波等[14]研究发现，在硫酸钠和氯化钠混合溶液中的冻融循环环境下，十水硫酸钠( Na2SO4·10H2O)与硫酸钠晶体之间形态的转变产生的结晶压力是导致混凝土破坏的主要原因;柴光宇等[15]研究发现，冻融状态下玄武岩纤维和杜拉纤维的掺入，使混凝土试件内的含气量增大，纤维较长及掺量较大试块纤维的表面积较大，使抗压强度下降较多。

　　目前对不同掺量的钢纤维混凝土在冻融循环作用下以及多种化学侵蚀作用下的微观结构和轴向承载力的综合对比研究较少，为提高混凝土在复杂环境因素影响下的耐久性能，本文通过在混凝土配合比中掺入不同含量的钢纤维(0%，1%，2%)，研究多种不利环境因素影响下的力学性能退化规律，分析微观结构劣化过程，为钢纤维混凝土结构耐久性设计和评估提供理论依据，从而保障其结构工程安全服役。

　　1 材料与方法

　　1.1 钢纤维混凝土试件制备

　　试件原材料包括粗骨料、细骨料、水泥、水和钢纤维。以碎石为粗骨料，根据级配要求粒径大小可分为2种：4.75～9.5、9.5～19 mm，其掺配比例为3∶7。细骨料。选择天然河沙，为中砂，细度模数为2.3;选用P·O42.5水泥;钢纤维选用上海哈瑞克斯科技有限公司的钢锭铣削型钢纤维，技术参数如下：抗拉强度700 MPa，长度32 mm，宽度2.6 mm，长径比40，密度7 850 kg/m3，如图1所示。

　　试验配合比选用的混凝土强度等级为C30，其中水灰比为0.54，钢纤维的加入对混凝土搅拌过程中的用水量影响不大[16-17]，所以本次试验只考虑钢纤维掺量变化，不考虑用水量的变化。混凝土配合比设计用料具体见表1。

　　本试验混凝土配合比设计钢纤维体积掺量分别为0%、1%、2%(0%为不掺加钢纤维)。制作混凝土抗压强度试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体，每组试件为3个，3种不同的钢纤维掺量共9个;制作混凝土轴心抗压试件，尺寸为Ф100 mm×200 mm的圆柱体，每组试件为4个(其中3个用于力学试验，1个用于微观观测)，3种不同的钢纤维掺量，6种不同的腐蚀环境，共需试件72个。另外制作3种掺量的混凝土试件，每组3个，共9个，用于没有环境侵蚀的对照组试件。每一组配合比制作的3个力学试件，取试验结果的均值作为钢纤维混凝土力学性能的代表值[18-19]。

　　首先对粗骨料和细骨料进行筛选，称取后放入混凝土搅拌机干搅拌2 min，加入水泥继续干搅拌1～2 min，再加水搅拌3～5 min，最后均匀撒入指定用量的钢纤维搅拌2～5 min。将搅拌好的钢纤维混凝土放入模具中分2次振捣密实，脱模后放入养护室进行28 d养护，养护完成的圆柱试件如图2所示。

　　1.2 试验方法

　　本试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GB/T 50082—2009)中的规定，配置3.5%NaCl溶液、10%Na2SO4溶液、5%H2SO4溶液、2 mol/L的NaOH溶液，将配置好的30 L溶液倒入大型储物箱中，另外取30 L水放入同样的大型储物箱中作为对照组。液面高度高出试件顶面15 cm，保证试件完全浸泡在溶液中，如图3所示，将盖子盖好以免水分蒸发。

　　采用KDR-V5冻融试验机进行混凝土快速冻融法冻融试验，冻结临终时试件中心温度-18 ℃±2 ℃，融化临终时试件中心温度为+7 ℃±2 ℃，2～4 h完成一次冻融循环[20];将试件放入凍融试验机中，加入水，液面高于试件表面5 cm，设定大循环次数100次。

　　使用电子显微镜(图4)进行显微结构观测。对图5中的试件表面(位置1)以及横切面边缘(位置2)、横切面中心(位置3)进行观测。

　　根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行轴压承载力试验[21]，将冻融循环100次及6种溶液浸泡28 d的试件取出放到MTS压力机上，进行连续均匀加荷直至破坏，加荷速度为0.5 MPa/s。

　　2 结果与分析

　　2.1 显微镜微观分析

　　100次冻融循环后对3种掺量试件进行横向切割，对3种掺量的试件表面(位置1)和横截面(位置2、位置3)进行显微镜30倍放大微观观测。观测情况：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1显微观测如图6所示，0%素混凝土试件表面出现很多小裂缝，纤维混凝土出现少量裂缝;对试件横切面位置2微观观测如图7所示，素混凝土和掺量1%的试件有裂缝，掺量为2%的混凝土试件有微小裂缝，随着纤维掺量的增加裂缝减小，该现象说明掺入钢纤维可以抑制因冻融损伤造成的裂缝;对试件横切面位置3微观观测如图8所示，素混凝土试件出现少量裂缝，掺量1%纤维混凝土有微裂缝产生，2%掺量纤维混凝土没有裂缝，由此说明加入钢纤维可以抑制混凝土试件产生裂缝。

　　由图7—图8中位置2、位置3微观对比可知，位置2的裂缝宽度和长度均大于位置3。结果表明裂缝首先产生于试件表面，并逐渐向试件轴心位置发展，冻融循环对试件的破坏是由外及里的，掺入钢纤维可以减少冻融循环对试件的损伤。

　　28 d水浸泡后进行显微镜30倍放大观测。观测情况：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1显微观测如图9所示，不同掺量的试件在浸泡后表面无差异;对试件横切面位置2、位置3显微观察，3种掺量试件对比未见裂缝产生，由于篇幅限制，只展示位置2显微结果，如图10所示，由图10可知，钢纤维对水浸泡混凝土裂缝变化无影响。

　　28 d NaCl溶液浸泡后进行30倍放大显微观测：对钢纤维掺量为0%、1%、2%的试件位置1观测情况如图11所示，不同掺量的试件表面产生裂缝大小深度相似，由此可知侵蚀时间对试件表面裂缝的产生有影响，而与纤维掺量无关;对试件横切面位置2显微观察结果如图12所示，素混凝土试件出现裂缝，其他试件均无裂缝产生，由此可知加入钢纤维对NaCl溶液浸泡试件裂缝产生有抑制作用;对试件横切面位置3显微观察结果如图13所示，位置3处3种掺量的试件都未见裂缝产生。

　　由图12—13中位置2、位置3微观对比可知，裂缝先产生于试件表面，后逐渐向试件轴心位置发展，由此可知NaCl侵蚀试件是由外及里的，掺入钢纤维可以有效抑制NaCl溶液对试件的破坏。

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