不同类型混凝土冻融损伤比较研究
时间：2020-10-13 04:01:57 来源：达达文档网 本文已影响 人 
田肖 陈升平
摘要：抗冻性差是混凝土在低温工程实践中破坏的主要原因，为研究混凝土冻融损伤特性，文章对素混凝土、钢纤维混凝土、钢-聚丙烯混杂纤维混凝土、矿渣粉煤灰混凝土以及矿渣粉煤灰钢纤维混凝土进行了快速冻融循环试验，并测量了冻融后混凝土的质量损失率、抗压强度和相对动弹性模量。并比较了基于以抗压强度和相当动弹模衰减作为损伤变量的冻融损伤模型，数据表明以相对动弹模为损伤变量建立的模型能更好的表征混凝土的冻融损伤程度。
Abstract：
Concrete will be damaged due to poor frost resistance in low temperature engineering practice. In order to research the damage characteristics of concrete during freeze-thaw and improve the frost resistance of concrete， the rapid freeze-thaw cycle test of plain concrete， steel fiber concrete， steel polypropylene hybrid fiber concrete， slag fly ash concrete and slag fly ash steel fiber concrete were conducted in this paper. The quality loss rate， compressive strength and dynamic modulus of elasticity were measured. Two different freeze-thaw damage model of concrete were ompared. One was based on the changes of dynamic elastic modulus， and the other was based on the changes of compressive strength. Rresults show that the quadratic polynomial damage model based on relative dynamic modulus of elasticity can better reflect the freeze-thaw damage degree of concrete.
关键词：混凝土;动弹性模量;冻融循环;冻融损伤模型
Key words：
concrete;dynamic elastic modulus;freeze-thaw cycle;freeze-thaw damage model
中图分类号：TU528 文獻标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）27-0154-03
0 引言
目前，国内外大量学者们都对不同类型的混凝土的抗冻性[1，2，3]都有所研究。付亚伟[4]等人对高性能碱矿渣混凝土（ASC）进行冻融循环试验，建立了以相对动弹模量为损伤变量的ASC冻融损伤模型，发现以相对动弹模衰减的幂指数模型能够良好地反映ASC的冻融损伤程度。Jiangchuan Li[5]基于Weibull概率法，以质量损失和相对动弹性模量为损伤变量建立了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土冻融损伤模型并分析其冻融耐久性，所建立的函数关系可以直接反映混凝土耐久性与冻融循环的关系。文章五组不同混凝土的冻融损伤规律进行了研究，并建立以动弹性模量和抗压强度为变量的冻融损伤模型。
1 试验设计
1.1 原材料及配合比
本次试验制作了5组混凝土试件，分别为：素混凝土（OC）、矿渣-粉煤灰混凝土（KC）、钢纤维混凝土（SC）、矿渣-粉煤灰钢纤维混凝土（KSC）和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土（PSC）。
本次试验采用的水泥：武汉三峡牌普通硅酸盐水泥（P.O.42.5）。粗骨料：级配良好的碎石（5-20mm）。细骨料：级配良好的中砂。纤维各项性能参数见表1。
1.2 试验方案
本次试验用到的混凝土试块均按照规范所要求的制作步骤制作完成，所有冻融试验均在试块养护28天后进行。冻融试验使用快冻法，所有试验在TDRF-1AF型快冻试验机内进行。试验试件共两大类，第一类试件为立方体（100mm×100mm×100mm）用于测定抗压强度;第二类试件为棱柱体试件（100mm×100mm×400mm）用于测量质量损失、相对动弹性模量。每冻融循环25次就记录一次，最高冻融次数为200次。
2 试验过程及结果分析
2.1 混凝土在冻融循环下的损伤机理
在冻融循环时，混凝土内部会产生膨胀和渗透两种压力而使混凝土破坏。混凝土在水饱和状态下，达到结冰温度时，毛细孔和胶凝孔中结成冰，使其发生膨胀;此外，由于胶凝孔中水分子向受压毛细孔中渗透，这样混凝土中的细小孔壁同时受到膨胀和渗透2种压力[6]，而混凝土试件在制作的过程中会产生一些小裂缝，随着冻融试验的进行，小裂缝在膨胀力与渗透力的反复作用下变成大裂缝，使混凝土的强度逐渐降低，最终使其破坏。
矿渣粉煤灰具有一定的密实效应。混凝土内一部分粉煤灰发生二次水化反应生成具有胶凝性质的物质并进一步填充、细化孔隙，提高混凝土的抗渗能力[7]。钢纤维的掺入，能与材料充分黏结，当试件受冻膨胀时，钢纤维能承担一部分拉应力作用，延缓裂缝的产生，聚丙烯纤维用来改善混凝土结构，延缓结冰时产生的膨胀应力，起到了引气剂的作用。
2.2 质量损失率和相对动弹性模量
对于冻融循环实验后混凝土外表层剥落的现象，最直观的方法是通过混凝土试件的质量损失来进行描述，一般用公式（1）计算：
（1）
每冻融循环25次时，用动弹性模量测量仪测量试件的横向基频，计算相对动弹性模量时，为简化计算过程，可用试件共振频率之比计算。计算公式如下：
（2）
具体实验结果如表2所示。
表2反映出了5组混凝土质量损失率和相对动弹性模量随着冻融循环次数的增加的变化。在冻融次数为25次时，部分组混凝土的质量损失率为负数，这是由于在试验初期，混凝土自身质量损失还很小，混凝土在制作中不可避免会存在一些裂缝和孔隙，而裂缝和孔隙在一定程度上的增长会吸收水，导致混凝土内部吸收的水的质量超过损失的质量，从而造成这种现象。可以看出矿渣钢纤维混凝土的质量损失率仅为0.9%，则从质量损失率这一项来看，矿渣粉煤灰钢纤维混凝土的抗冻性最好。各组的相对动弹性模量与冻融循环的次数呈反比例关系，当冻融次数相同时，从相对动弹性模量这一项来看，矿渣粉煤灰混凝土抗冻性最好。
2.3 抗压强度衰减
从表3可以看出从左至右200次冻融循环每一组的抗压强度降低率分别为51%、38%、14%、0.1%、34%。矿渣粉煤灰钢纤维混凝土在200次冻融循环后的抗压强度损失率仅为0.1%，抗冻性最好。
3 冻融损伤模型
在冻融循环次数为25时，部分组的质量损失率出现负增长現象，而且在200次冻融循环试验后矿渣粉煤灰钢纤维混凝土质量损失率不到1%，这种情况可能会对试验结果造成较大误差，故采用相对动弹性模量为损伤变量来评估混凝土耐久性。对于冻融循环对混凝土造成的损伤程度，一般是利用动弹性模量为变量的损伤值DE来定义，冻融损伤度计算公式如下：
（3）
按照试验数据计算，可绘制关系曲线如图1所示。
从图中可以看出钢-聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的冻融损伤度均小于素混凝土，钢纤维混凝土的与矿渣粉煤灰混凝土相差无几。矿渣粉煤灰钢纤维混凝土冻融损伤度最小，抗冻性能最优。
抗压强度是综合评价混凝土重要指标，为研究冻融循环对混凝土抗压强度的影响，可定义抗压强度损伤变量为下式：
（4）
式中fcn为混凝土在n次冻融循环后的抗压强度，fc0为混凝土在开始冻融循环前的抗压强度。经计算绘制Dc与冻融次数关系曲线如图2所示。
图2可以看出，随着冻融循环次数的增加，素混凝土的冻融损伤度最大，矿渣粉煤灰钢纤维混凝土的最小。图中可见线KC和线PSC出现了交点，所以以抗压强度来定义的冻融损伤度不能准确的反映5组试件损伤程度。
本文采用二次多项式冻融损伤度模型即：D=XN2+YN+Z，N为冻融循环次数，对分别以相对动弹性模量和抗压强度定义的损伤度进行拟合分析，得到模型如表4、表5所示。
从表中可以看出，相对动弹性模量为损伤变量所构建的五组混凝土冻融损伤模型相关系数均在0.99以上，可见基于相对动弹性模量拟合的二次多项式衰减模型对混凝土的冻融损伤规律的预测更加精准。
4 结论
随着冻融循环次数的增加，素混凝土的质量损失率大于其他四组，相对动弹性模量小于其他四组，从这两项指标可以得出，矿渣粉煤灰的掺入对混凝土抗冻性提高有促进作用;掺入钢和玄武岩混杂纤维效果优于单掺钢纤维;矿渣粉煤灰和钢纤维搭配的效果最优。
随着冻融次数的增加，钢纤维和矿渣粉煤灰的掺入对改善混凝土抗冻融能力的效果更好。
采用二次多项式模型构建混凝土冻融损伤度模型能较好的反映混凝土的冻融损伤程度，尤其是以动弹性模量为损伤变量的混凝土冻融损伤模型，各组相关系数达到了0.99以上，能对混凝土的冻融损伤规律起到较好的预测作用。
参考文献：
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[2]乔宏霞，李江川，朱飞飞，彭宽.纤维混凝土抗冻性能研究[J].功能材料，2019，50（01）：1114-1119.
[3]李趁趁，胡婧，元成方，于国卿.纤维/高强混凝土抗冻性能试验[J].复合材料学报，2019，36（08）：1977-1983.
[4]付亚伟，蔡良才，曹定国，吴永根.碱矿渣高性能混凝土冻融耐久性与损伤模型研究[J].工程力学，2012，29（03）：103-109.
[5]Jiangchuan Li. Reliability Analysis of Fiber Concrete Freeze-Thaw Damage Based on Weibull Method. 2019：1-9.
[6]程红强，高丹盈.聚丙烯纤维混凝土冻融损伤试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2010，40（S2）：197-200.
[7]王建东，吕萌，章玉容，吴嘉，张俊芝.粉煤灰混凝土渗透相关性的试验研究[J].浙江工业大学学报，2020，48（02）：217-221.
