凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土的影響

凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土的影響

冷融破壞是混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)行中的主要疾病之一。在中國北方寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)、水庫和港口碼頭通常受到不同程度的破壞。冷融和環(huán)氧化對主要影響，目前，我國對混凝土固產(chǎn)破壞的機(jī)理和工程固產(chǎn)浪費(fèi)的評價取得了一定的科研成果，但大部分研究主要集中在普通混凝土上。纖維混凝土具有增強(qiáng)、抗裂隙和良好的耐寒性。本文的重點(diǎn)是冷融損傷的性能。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)配合比和材料聚丙烯纖維混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C30,采用32.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.48.細(xì)骨料為中粗河砂,細(xì)度模數(shù)2.9,含泥量不大于2%.粗骨料為粒徑5～20mm的碎石.纖維采用美國兄弟公司生產(chǎn)的杜拉纖維,纖維摻量為試驗(yàn)參數(shù)之一.試驗(yàn)配合比見表1.1.2凍融循環(huán)試驗(yàn)凍融試驗(yàn)按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150—2001)規(guī)定的方法,在國產(chǎn)TDRI型混凝土自動快速凍融試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行.試件尺寸為100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm,前者用于測試試件凍融循環(huán)后的強(qiáng)度,后者用于測試相對動彈性模量和質(zhì)量損失.試件中心的凍融溫度為(-18±2)℃～(7±2)℃,一個凍融循環(huán)歷時3.0h左右.凍融試驗(yàn)過程中,試件始終處于全浸泡水狀態(tài)(飽水狀態(tài)).凍融循環(huán)次數(shù)為0,25,50,75次.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1混凝土表面沖突變化凍融循環(huán)作用下,混凝土表面形態(tài)有所變化.隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土表面漿皮出現(xiàn)脫落,凍融次數(shù)較多時,表面疏松多孔.聚丙烯纖維摻量不同時,其表面破壞形態(tài)稍有差別.纖維摻量較高時,表面細(xì)小纖維清晰可見,且有粘附的水泥漿體.2.2混凝土質(zhì)量比較圖1、圖2反映了凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土質(zhì)量損失率和相對動彈模的影響.從圖中可以看出,凍融循環(huán)次數(shù)較少時,混凝土質(zhì)量不但不損失,反而略有增加;凍融循環(huán)至一定次數(shù)時,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土質(zhì)量損失逐漸增加,凍融循環(huán)75次時,質(zhì)量損失率不超過5%.隨循環(huán)次數(shù)的增加,相對動彈性模量逐漸下降,聚丙烯纖維的加入,對相對動彈模的變化有一定影響,但不很明顯,凍融循環(huán)至75次結(jié)束時,相對動彈模高于60%.2.3凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)中測有凍融循環(huán)一定次數(shù)后的100mm×100mm×100mm立方體試件的劈拉強(qiáng)度.試驗(yàn)結(jié)果表明,凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度有較大影響.隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,劈拉強(qiáng)度不斷下降.聚丙烯纖維的加入,改善了混凝土的抗凍性能.2.3.1聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能為考察凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土劈拉強(qiáng)度的影響,定義強(qiáng)度損傷變量為D=(1-fnpftf0pft)×100％(1)D=(1?fnpftf0pft)×100％(1)式中,fnptfnptf為聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)n次后的劈拉強(qiáng)度;f0ptf0ptf為聚丙烯纖維混凝土未經(jīng)凍融循環(huán)的劈拉強(qiáng)度.圖3反映了凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土強(qiáng)度的影響.從圖中可以看出,凍融循環(huán)對混凝土劈拉強(qiáng)度有較大影響.隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度損傷不斷累積.凍融循環(huán)75次時,P0混凝土的強(qiáng)度損傷變量D達(dá)到77.7%,雖然此時混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈模均滿足規(guī)程規(guī)定要求,但混凝土劈拉強(qiáng)度損傷過大,已不滿足使用要求.如何尋求質(zhì)量損失率、相對動彈模與強(qiáng)度損傷變量之間的統(tǒng)一關(guān)系,尚需進(jìn)一步探索.2.3.2聚丙烯纖維摻量對凍融循環(huán)作用下混凝土第三通道增加量的影響為反映聚丙烯纖維對混凝土強(qiáng)度的影響,引入強(qiáng)度增益比βnpfnpf:βnpf=fnpftfnmt×100％(2)式中,fnmt為對比普通混凝土在凍融循環(huán)n次后的劈拉強(qiáng)度.圖4為聚丙烯纖維摻量對凍融循環(huán)作用下混凝土劈拉強(qiáng)度增益比的影響.從圖中可以看出,隨聚丙烯纖維摻量Vf的增加,強(qiáng)度增益比不斷提高;凍融循環(huán)作用下,聚丙烯纖維的影響更加明顯.凍融循環(huán)75次時,βnpf最大可達(dá)240.5%,有效提高了凍融循環(huán)作用下混凝土的劈拉強(qiáng)度.2.4混凝土受凍融循環(huán)作用機(jī)理混凝土在水飽和狀態(tài)下,在某一凍結(jié)溫度時,毛細(xì)孔中水結(jié)冰,膠凝孔中水處于過冷狀態(tài).水結(jié)成冰,使混凝土發(fā)生膨脹;另外,由于膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分子向壓力毛細(xì)孔中冰的界面處滲透,于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力.由此可見,處于飽和狀態(tài)的混凝土受凍時,其毛細(xì)孔壁同時承受膨脹和滲透2種壓力,當(dāng)這2種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時混凝土就會開裂,反復(fù)凍融循環(huán)后,混凝土中的裂縫會相互貫通,其強(qiáng)度也會逐漸降低,最后甚至?xí)耆珕适?使混凝土由表及里遭受破壞.混凝土中加入一定量均勻分布的聚丙烯纖維,纖維的存在能推遲凍融循環(huán)作用下裂縫應(yīng)力集中區(qū)向混凝土基體內(nèi)部擴(kuò)展,抑制混凝土早期塑性開裂及凍脹壓力引起的裂紋,進(jìn)而延緩凍融作用對混凝土性能的劣化.3凍融循環(huán)作用下聚丙烯纖維混凝土第三通道損傷模式分析試驗(yàn)結(jié)果表明,凍融循環(huán)條件下,聚丙烯纖維混凝土劈拉強(qiáng)度影響因素主要有凍融循環(huán)次數(shù)、聚丙烯纖維摻量等,參考已有文獻(xiàn)對普通混凝土凍融損傷模式的研究,根據(jù)對本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,得到凍融循環(huán)作用下聚丙烯纖維混凝土劈拉強(qiáng)度損傷模式如下:fnpft=e-n/50.4fmt(1+0.16Vfen/35)(3)式中,fnpft為凍融循環(huán)n次后聚丙稀纖維混凝土劈拉強(qiáng)度,MPa;n為凍融循環(huán)次數(shù);fmt為對比普通混凝土未經(jīng)凍融循環(huán)的劈拉強(qiáng)度,MPa;Vf為聚丙烯纖維摻量,kg/m3.fnpft實(shí)測值與式(3)計算值之比的平均值為1.157,均方差為0.14,變異系數(shù)為0.119.4聚丙烯纖維對模板性能的影響1)凍融循環(huán)作用下,聚丙烯纖維混凝土損傷不斷累積,主要表現(xiàn)為隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,相對動彈模逐漸下降、質(zhì)量損失率增大和劈