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 黃  靜，王建民，劉安慶

 （寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江  寧波  315211）

[摘要]使用淤泥陶粒為粗骨料分別配制無纖維、塑鋼纖維( HPPF)和聚丙烯腈纖維(PANF)陶粒混凝土，經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后，研究其表面破壞特征、質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)的變化。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入纖維能夠有效抑制陶�；炷�土中裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，改善陶�；炷�土的抗凍性能。凍融損傷使陶粒混凝土表面的水泥漿層變脆剝落，但質(zhì)量損失不明顯；凍融循環(huán)后陶�；炷�土抗壓強(qiáng)度下降，彈性模量變小，變形增大，劈裂抗拉強(qiáng)度變小。

[關(guān)鍵詞]混凝土；纖維陶�；炷�土；凍融循環(huán)；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)

[中圖分類號(hào)]TU528.2  [文章編號(hào)]1002-8498(2016)09-0053-04

 目前國內(nèi)外對(duì)陶�；炷�土的凍融研究主要集中于鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能、質(zhì)量增加問題以及抗鹽凍等方面，對(duì)于纖維陶�；炷�土的研究主要集中于鋼纖維、聚丙烯纖維的摻入對(duì)陶�；炷�土的阻裂效應(yīng)，相關(guān)力學(xué)性能及耐高溫性能等方面的研究，對(duì)于添加塑鋼纖維( HPPF)、聚丙烯腈纖維( PANF)的陶�；炷�土在凍融循環(huán)作用影響下的相關(guān)力學(xué)性能的研究還相對(duì)較少。

 本研究通過試驗(yàn)試配LC30陶�；炷�土，分別摻入HPPF和PANF，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，然后觀察分析纖維陶粒混凝土的表面破壞特征，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能以及微觀結(jié)構(gòu)經(jīng)凍融循環(huán)后的變化規(guī)律試驗(yàn)分析，并與未摻人纖維的陶�；炷�土進(jìn)行對(duì)比，以期得出HPPF和PANF的摻入對(duì)經(jīng)凍融循環(huán)的陶�；炷�土相關(guān)力學(xué)性能的影響及原因總結(jié)。

1試驗(yàn)概況

1.1  試驗(yàn)材料

 細(xì)骨料選用堆積密度為1450kg/m3的普通中砂；粗骨料采用橢球形淤泥質(zhì)高強(qiáng)陶粒，堆積密度為850kg/m3，筒壓強(qiáng)度為6. 39MPa;水泥采用P．O42.5普通硅酸鹽水泥；采用I級(jí)粉煤灰；選用塑鋼纖維和聚丙烯腈纖維，具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

 試驗(yàn)所用凍融裝置為CABR-HDK9型混凝土快速凍融機(jī)，采用WAW-600C型60t液壓伺服控制壓力機(jī)進(jìn)行試塊力學(xué)性能測(cè)試。

1.3試塊制作

 試塊制備后在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d，取出后在自然室溫條件下氣干1個(gè)月，以備后續(xù)凍融試驗(yàn)使用�？紤]制得的立方體( 100mm×100mm×100mm)、棱柱體(100mm×100mm×300mm)試塊后續(xù)需進(jìn)行立方體抗壓、劈裂抗拉試驗(yàn)，棱柱體抗壓、彈性模量測(cè)定等試驗(yàn)，并與無纖維試塊作對(duì)比，所需制備的試塊個(gè)數(shù)為(3 +3 +5 x3) x5 x3 x2 =630個(gè)，根據(jù)摻入纖維以及凍融與否將所有試塊分為6組。試件采用的配合比中，陶粒均為780kg/m3，砂為550kg/m3，水泥為460kg/m3，粉煤灰為80kg/m3，拌合水為210kg/m3。添加纖維HPPFl. 8kg/m3的試塊分組命名為L(zhǎng)CH，添加纖維PANFO. 4kg/m3的試塊分組命名為L(zhǎng)CA，而作為對(duì)比無添加纖維的試件分組命名為L(zhǎng)C。

1.4試驗(yàn)方案

 凍融試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009的快凍法，利用全自動(dòng)凍融儀進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)前4d，將試件放入15~20℃的水中浸泡，以使混凝土試塊內(nèi)部達(dá)到飽水狀態(tài)，然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。放人凍融機(jī)試驗(yàn)前先將試塊表面水分擦干，測(cè)定質(zhì)量，然后調(diào)整凍融機(jī)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，保證機(jī)內(nèi)環(huán)境達(dá)到試驗(yàn)要求。每次凍融循環(huán)的時(shí)間控制在3~4h，融化時(shí)間須控制在整個(gè)凍融時(shí)間的1/3。在凍結(jié)和融化終了時(shí)，試件中心溫度分別控制在- 17.5℃和7.5℃。所有試塊均經(jīng)凍融循環(huán)25次（無纖維和HPPF混凝土試塊還經(jīng)歷了50次和75次的凍融循環(huán)，本試驗(yàn)以25次凍融循環(huán)研究為主）。凍融結(jié)束后，再取出試件氣干后拍照稱重。然后，對(duì)試塊進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)性能試驗(yàn)（抗壓、劈裂、彈性模量測(cè)定），最后留取合適碎屑樣品打磨噴金處理進(jìn)行電鏡掃描觀測(cè)試驗(yàn)，選取相應(yīng)電鏡照片留用。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1  25次凍融循環(huán)后表面特征變化分析

 圖1為凍融循環(huán)前后LC，LCH和LCA棱柱體試塊表面特征變化。由圖1看出經(jīng)凍融循環(huán)后，無纖維陶粒混凝土( LC)試塊表面出現(xiàn)較為明顯的麻面現(xiàn)象，而塑鋼纖維陶粒混凝土( LCH)和聚丙烯腈纖維陶�；炷�土( LCA)試塊表面剝落不明顯。

 試塊表層是由水泥砂漿構(gòu)成的，凍融前，表層光滑平整；而在凍融循環(huán)的環(huán)境下，由凍融循環(huán)形成的溫差使輕骨料混凝土內(nèi)部的自由水反復(fù)發(fā)生結(jié)晶膨脹和融化收縮，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，破壞砂漿基體，致使試塊表層砂漿剝落，形成麻面甚至露出內(nèi)部陶粒和纖維。摻入纖維的陶�；炷�土，由于纖維與水泥漿體的黏結(jié)作用，減小了應(yīng)力帶來的負(fù)面影響，相對(duì)于直徑較粗、彈性模量較大以及相對(duì)變形較小的HPPF，PANF由于其較小的單絲直徑、良好的延性以及與水泥砂漿更優(yōu)的黏結(jié)能力，使得試件表面沒有出現(xiàn)明顯的麻面和剝落。

2.2不同次數(shù)凍融循環(huán)后陶粒混凝土表面及質(zhì)量變化情況

 圖2為分別經(jīng)25，50，75次凍融循環(huán)后LC和LCH表面變化情況。由圖2可知，隨著凍融次數(shù)的增加，陶粒混凝土試塊表面出現(xiàn)了較為明顯的變化。無論是LC，抑或是LCH和LCA試塊表面，都出現(xiàn)了明顯的剝落。LCH試塊表層的纖維由于失去水泥砂漿的有效包裹而開始外露。

 試塊進(jìn)行凍融試驗(yàn)前后的質(zhì)量m1（均值）和質(zhì)量的變化值m2（均值）如表2所示。凍融試驗(yàn)前后無論是LC試塊，還是LCH和LCA試塊，其質(zhì)量變化均不明顯，除了25次凍融循環(huán)試驗(yàn)中，經(jīng)凍融后試件的質(zhì)量稍有增加，經(jīng)50次和75次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，試塊質(zhì)量均有較明顯的損失。

對(duì)于25次的凍融結(jié)果，可能是由于水分的不斷滲入促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)。不太明顯的質(zhì)量損失，是因?yàn)閮鋈谘�環(huán)雖然破壞了砂漿基體，但由于凍融前后的試塊均在水中浸泡飽和，且試塊內(nèi)部存在物理約束作用，只有表層的砂漿剝落，其余部位物理位置不會(huì)發(fā)生變化。部分水泥砂漿由于和纖維表面的有效黏結(jié)，依舊懸掛于已經(jīng)外露的纖維表面上，形成了一層絨狀物，從而減少了試件表面水泥砂漿脫落的質(zhì)量，降低了質(zhì)量損失。然而，由于只有試件表面少量纖維延緩其附近砂�；驖{體顆粒的脫落過程，試件內(nèi)部亂向分布的纖維并不能起到更多作用，所以纖維對(duì)質(zhì)量損失改善作用有限。

2.3立方體抗壓強(qiáng)度

 LC，LCH，LCA凍融前后的立方體抗壓強(qiáng)度變化值如表3所示，凍融循環(huán)對(duì)輕骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有削弱作用。從表中數(shù)據(jù)還可以看出，LC與LCH和LCA相比，經(jīng)凍融損傷后，其強(qiáng)度下降的幅度要小，且試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，LC比LCH和LCA達(dá)到破壞強(qiáng)度的時(shí)間要晚。

 分析原因主要是因?yàn)槔w維能承擔(dān)凍融循環(huán)時(shí)混凝土內(nèi)部所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，與LC相比，抗裂性大大提高，在受壓力作用時(shí)，由于纖維對(duì)混凝土的橫向約束力，混凝土的抗壓承載力得以提高；凍融循環(huán)后，纖維在承受多次加卸載與低溫作用后，承受拉力的能力大大下降，反而會(huì)使陶�；炷�土提前發(fā)生破壞。

2.4  立方體劈裂抗拉強(qiáng)度

 LC，LCH和LCA經(jīng)25次凍融前后的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度變化值如表4所示。凍融循環(huán)試驗(yàn)前，摻入纖維后，陶粒混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有較為明顯的提高，相對(duì)于HPPF，PANF的增強(qiáng)作用更明顯。凍融試驗(yàn)后，LCA劈裂抗拉強(qiáng)度依舊較其他高。分析原因，PANF具有較高的延伸率、易分散、抗酸堿和耐低溫性強(qiáng)，其在混凝土中亂向分布，微細(xì)纖維相互搭接，阻礙了混凝土攪拌和成型過程中內(nèi)部空氣的逸出，使混凝土的含氣量增大，緩解了低溫循環(huán)過程中的靜水壓力和滲透壓力，從而對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度有較為明顯的增強(qiáng)作用。其次，由于聚丙烯腈纖維直徑小，單位體積數(shù)量多、纖維間距較小，因此其阻裂效應(yīng)好，增加了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，有效抑制了混凝土的凍脹開裂，有益于混凝土低溫環(huán)境下的強(qiáng)度增長(zhǎng)和抗凍融耐久性的提高。因此，它對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的改善較為明顯。

2.5棱柱體抗壓強(qiáng)度

 LC，LCH和LCA凍融前后的棱柱體抗壓強(qiáng)度變化值如表5所示，凍融循環(huán)對(duì)輕骨料混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度有明顯削弱作用，摻入纖維后，棱柱體抗壓強(qiáng)度較立方體抗壓強(qiáng)度有所下降，這主要是因?yàn)楸M管纖維在混凝土內(nèi)部承擔(dān)由于混凝土收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，抑制混凝土內(nèi)部應(yīng)力，延緩開裂，提高陶�；炷�土的抗壓強(qiáng)度，但由于棱柱體的高寬比較立方體要大，對(duì)混凝土橫向變形的約束不足，使得棱柱體試塊中高部分混凝土處于橫向自由變形狀態(tài)，此時(shí)纖維的加入破壞了混凝土內(nèi)部的整體性，反而使得強(qiáng)度降低，在凍融循環(huán)作用下，此種效應(yīng)更為明顯。LC，LCH與LCA凍融前后的棱柱體抗壓荷載，位移曲線如圖3所示。圖中，LCH和LCA凍融后的荷載一位移曲線下降與LC相比更為平緩，可見纖維能提高陶粒混凝土的抗凍性。

2.6彈性模量

 參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081-2002中無纖維混凝土彈性模量試驗(yàn)方法對(duì)陶粒混凝土進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)，以0.5 M Pa/s的速度進(jìn)行3次加卸載，得出LC，LCH與LCA經(jīng)25次凍融循環(huán)前后的彈性模量值如表6所示。凍融前LC的彈性模量與LCH和LCA無明顯差異；LCH和LCA的彈性模量?jī)鋈谇昂蟮淖兓�大于LC；凍融后陶�；炷�土的彈性模量小于未凍融陶�；炷�土。分析原因主要是：無纖維陶�；炷�土屬于脆性材料，變形小，加入纖維提高了陶粒混凝土的塑性，對(duì)混凝土變形有約束作用；凍融循環(huán)后加入纖維的陶�；炷�土彈性模量明顯低于無纖維陶�；炷�土，間接證明了纖維的加入使得陶�；炷�土的抗凍性得以發(fā)揮。

2.7  微觀結(jié)構(gòu)特征變化分析

 通過對(duì)凍融前后LC，LCH和LCA的樣品在電鏡下進(jìn)行觀察（見圖4），對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)凍融后的混凝土在水泥基質(zhì)與陶粒的交界區(qū)域處，有較為明顯的微裂縫產(chǎn)生，水泥基質(zhì)部分有明顯的片狀鈣礬石碎裂物和剝落現(xiàn)象，而在陶粒部分，可以觀察到孔洞有較為明顯的擴(kuò)大趨勢(shì)；相對(duì)于LC，LCH和LCA表面，在凍融前基質(zhì)更為均勻，凍融后對(duì)裂縫的繼續(xù)開展有較為明顯的抑制作用。分析其原因，可能是因?yàn)槔w維的摻入，使得水泥水化產(chǎn)物由一個(gè)微觀密實(shí)體逐步成為一個(gè)微觀疏松體，混凝土微孔結(jié)構(gòu)不斷增加造成的。

3  結(jié)語

 1)輕骨料混凝土在凍融循環(huán)作用下，各項(xiàng)性能出現(xiàn)劣化，試件表面的砂漿顆粒和細(xì)骨料顆粒隨著凍融循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，逐漸開始剝落。纖維的摻入對(duì)輕骨料混凝土的凍融破壞形式產(chǎn)生了一定的影響，部分小顆粒和纖維表面的有效黏結(jié)所形成的絨狀物降低了混凝土的質(zhì)量損失。 

2)由于纖維表面凹凸不平（類似鋼筋表面的肋），其與硬化水泥漿體界面形成較強(qiáng)的機(jī)械嚙合作用，提高了纖維與硬化水泥漿體界面的黏結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)了混凝土的塑性，從而明顯提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也抑制了混凝土的凍脹開裂，進(jìn)而使輕骨料混凝土的耐久性能得以提高，延長(zhǎng)了混凝土的使用壽命。

 3)經(jīng)SEM試驗(yàn)對(duì)凍融前后3組試塊的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描觀測(cè)，對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：纖維的摻入使得水泥水化產(chǎn)物由一個(gè)微觀密實(shí)體逐步成為一個(gè)微觀疏松體，混凝土微孔結(jié)構(gòu)不斷增加。