牛建剛， 左付亮， 王佳雷， 謝承斌

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中，具有普通混凝土無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景.現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑對(duì)耐久性的要求越來(lái)越高，抗凍性是寒冷地區(qū)混凝土耐久性設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，研究輕骨料混凝土的抗凍耐久性、建立其凍融損傷模型、預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)服役壽命可為寒冷地區(qū)輕骨料混凝土耐久性指標(biāo)設(shè)計(jì)和工程結(jié)構(gòu)可靠性檢測(cè)鑒定提供參考，對(duì)推動(dòng)其在寒冷地區(qū)的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前，國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者把凍融循環(huán)次數(shù)作為主要變量來(lái)研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)混凝土性能的影響，另外相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率由于比較容易實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)也被廣泛采用.Sun等[3-6]建立的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量損傷模型具有較好的擬合精度.近年來(lái)，部分學(xué)者采用摻入纖維來(lái)提高混凝土的抗凍性能[7-9]，建立了適合纖維混凝土的凍融損傷模型.劉大鵬等[10]指出，相對(duì)動(dòng)彈性模量模型同樣能較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聚丙烯纖維、鋼纖維及混雜纖維輕骨料混凝土的凍融損傷程度和服役壽命.朱晨飛等[11]研究了鋼-玄武巖纖維混凝土，指出動(dòng)彈性模量衰減模型優(yōu)于凍融累積損傷衰減模型.劉衛(wèi)東等[12]以超聲波速作為損傷參量來(lái)描述纖維混凝土凍融損傷的變化規(guī)律.但是，纖維混凝土的凍融破壞過程不僅與所選用的原材料有關(guān)，也與其力學(xué)性能息息相關(guān).在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，多以混凝土的強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)定依據(jù)，因此有必要對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度凍融損傷失效模式進(jìn)行研究.本文以相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度為凍融損傷變量，建立了塑鋼纖維輕骨料混凝土凍融損傷模型，并分別對(duì)塑鋼纖維輕骨料混凝土服役壽命及其服役期終止時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

水泥：蒙西牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.細(xì)骨料：河砂，粒徑<5mm，級(jí)配合格，堆積密度1575kg/m3，表觀密度2460kg/m3，含泥量2.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).

粗骨料：包頭市精正陶粒廠生產(chǎn)的球形粉煤灰陶粒，粒徑5～20mm，堆積密度970kg/m3，表觀密度1760kg/m3， 筒壓強(qiáng)度8.3MPa，1h吸水率12.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).外加劑：B2高效減水劑(減水率20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，AH-1型引氣劑，摻量為水泥質(zhì)量的0.02%.塑鋼纖維：浙江寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)的高性能異型塑鋼纖維，長(zhǎng)度30.0mm， 直徑1.2mm，密度0.97g/cm3，彈性模量9884MPa，抗拉強(qiáng)度543MPa，伸長(zhǎng)率14.1%.

本試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C40，其配合比按照J(rèn)G J51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中的松散體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表1所示，其中CA后面的數(shù)字為輕骨料混凝土中塑鋼纖維的摻量(kg/m3).

表1 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照CECS13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試件為150mm×150mm×150mm立方體，每組3個(gè)試件，共16組，凍融循環(huán)次數(shù)為0，50，100，150次.質(zhì)量損失率、動(dòng)彈性模量試件為100mm×100mm×400mm棱柱體，每組3個(gè)試件，共4組，凍融循環(huán)次數(shù)為0，25，50，75，100，125，150，175，200，225，250，275，300次.試件先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24d，再水養(yǎng)4d后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每次凍融循環(huán)控制在4h內(nèi)，試件中心溫度分別控制在(-17±2)，(-8±2) ℃.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率

相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率是描述混凝土凍融優(yōu)劣的主要指標(biāo).試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%或質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)，混凝土即發(fā)生凍融破壞[13].

由表2可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CA0試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量迅速降低，凍融循環(huán)225次后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量小于60%，試件發(fā)生凍融破壞；摻塑鋼纖維的輕骨料混凝土受凍融循環(huán)的影響較小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其相對(duì)動(dòng)彈性模量緩慢降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，仍未發(fā)生凍融破壞，相對(duì)動(dòng)彈性模量為76.4%～81.8%.這是由于塑鋼纖維在混凝土中呈亂向分布，相互交錯(cuò)搭接，可有效限制裂縫的發(fā)展與貫通以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松化，從而提高了輕骨料混凝土的密實(shí)度，改善了抗凍性能.

在凍融循環(huán)25次時(shí)，各組試件的質(zhì)量均不同程度增加.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CA0試件的質(zhì)量損失率較大，塑鋼纖維輕骨料混凝土的質(zhì)量損失率較小，在凍融循環(huán)225次后，塑鋼纖維輕骨料混凝土的質(zhì)量損失率約為CA0試件的12%～28%.由于CA0試件凍融循環(huán)225次時(shí)已經(jīng)發(fā)生凍融破壞，故沒有計(jì)算其隨后的凍融質(zhì)量損失率.在凍融循環(huán)300次后，摻塑鋼纖維的輕骨料混凝土質(zhì)量損失率為0.55%～1.18%，質(zhì)量損失較小.

2.2 抗壓強(qiáng)度

由表2還可見，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨塑鋼纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢(shì).未凍融循環(huán)時(shí)，與CA0試件對(duì)比，CA3試件的抗壓強(qiáng)度降低了2.48%，而CA6，CA9試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了3.46%，2.27%.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CA0，CA3，CA9試件的抗壓強(qiáng)度迅速降低，而CA6試件的抗壓強(qiáng)度降低幅度較為平緩，說(shuō)明其受凍融循環(huán)影響較小.凍融循環(huán)150次后，CA0，CA3，CA9試件的抗壓強(qiáng)度損失率分別為20.68%，21.34%，24.46%，而CA6試件僅為7.02%.

小摻量的塑鋼纖維(CA3試件)不能有效分擔(dān)輕骨料混凝土受壓時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，導(dǎo)致其凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度降低.而大摻量的塑鋼纖維(CA9試件)相當(dāng)于引入了較多的塑鋼纖維-水泥漿體薄弱界面，且塑鋼纖維的比表面積較大，不能完全被水泥漿體包裹，缺陷增多，使塑鋼纖維與水泥漿體的黏結(jié)性能劣化，也會(huì)導(dǎo)致輕骨料混凝土凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度降低.合適的塑鋼纖維摻量(CA6試件)既可保證其在輕骨料混凝土中的均勻性，又可使其完全被水泥漿體包裹，因此這種試件能有效抑制凍脹開裂，使其抗壓強(qiáng)度的凍融損失率明顯減小.

2.3 塑鋼纖維輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

采用SEM對(duì)CA6試件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖1，2.

圖1 未凍融塑鋼纖維-水泥漿體界面的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM of plastic-steel fiber -cement paste surface without freeze -thaw cycle

圖2 凍融100次后塑鋼纖維-水泥漿體界面的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM of plastic-steel fiber -cement paste surface after 100 times of freeze -thaw cycles

由圖1可見：(1)塑鋼纖維表面被水泥水化產(chǎn)物覆蓋，這有利于其承受來(lái)自混凝土基體的荷載，當(dāng)其分布方向與試件的拉應(yīng)力方向一致時(shí)，就能起到增韌、阻裂作用，抑制凍融裂縫的擴(kuò)展，從而提高輕骨料混凝土的抗凍性能；(2)由于塑鋼纖維表面憎水，使水泥漿體的包裹不夠密實(shí)，導(dǎo)致沿其長(zhǎng)度方向的部分塑鋼纖維與水泥漿體之間存在細(xì)小的裂縫.由圖2可見：當(dāng)凍融循環(huán)增加到100次時(shí)，塑鋼纖維表面的水泥水化產(chǎn)物明顯減少，且塑鋼纖維與水泥漿體之間的縫隙變長(zhǎng)、變寬，孔隙增多，導(dǎo)致輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)更加疏松，層間連接進(jìn)一步惡化.

3 凍融損傷模型

混凝土的凍融破壞是由其內(nèi)部微小損傷逐步累積所致.隨著凍融循環(huán)的持續(xù)，混凝土的性能逐漸劣化直至破壞.依據(jù)損傷理論，塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融損傷過程可表述為：微裂縫產(chǎn)生→宏觀裂紋→基體破壞.在這個(gè)過程中，塑鋼纖維輕骨料混凝土不僅質(zhì)量損失率較小，還會(huì)出現(xiàn)因吸水而使其質(zhì)量增加的現(xiàn)象，因此用質(zhì)量衰減模型進(jìn)行凍融損傷評(píng)估誤差較大.本文分別以相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度為損傷變量來(lái)建立塑鋼纖維輕骨料混凝土凍融損傷模型.

3.1 基于相對(duì)動(dòng)彈性模量的凍融損傷模型和凍融壽命預(yù)測(cè)

設(shè)EN為塑鋼纖維輕骨料混凝土經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量，E0為其初始動(dòng)彈性模量，λ為其損傷系數(shù).根據(jù)文獻(xiàn)[14]，建立塑鋼纖維輕骨料混凝土凍融損傷模型為：

EN/E0=e-λN

(1)

塑鋼纖維的摻入會(huì)使輕骨料混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其摻量的不同對(duì)輕骨料混凝土動(dòng)彈性模量的影響也不同，從而導(dǎo)致抗凍性能存在差異.在式(1)中，引入塑鋼纖維摻量參數(shù)K，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到包含塑鋼纖維摻量參數(shù)的塑鋼纖維輕骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)鋈趽p傷模型，見式(2)，其擬合結(jié)果如圖3所示.

EN/E0=(1.0×10-4K2-2.2×10-3K+
1.0232)exp[-(4.14×10-5K2-
5.46×10-4K+0.002 3)N]

(2)

圖3 塑鋼纖維輕骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量擬合曲線Fig.3 Fitting curve of relative dynamic modulus of plastic-steel fiber reinforced LWAC

試驗(yàn)表明，塑鋼纖維輕骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)鋈趽p傷模型的相關(guān)系數(shù)為0.9852，擬合精度較高.利用該模型計(jì)算塑鋼纖維輕骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%時(shí)的抗凍融循環(huán)次數(shù)，結(jié)果見表3.根據(jù)文獻(xiàn)[15]，中國(guó)北方年平均凍融循環(huán)次數(shù)分別為：東北地區(qū)120次，華北地區(qū)84次，西北地區(qū)118次.室內(nèi)1次快速凍融循環(huán)相當(dāng)于自然條件下12次凍融循環(huán).結(jié)合表3，計(jì)算塑鋼纖維輕骨料混凝土在北方各地區(qū)的抗凍耐久性壽命，結(jié)果見表4.

表3 塑鋼纖維輕骨料混凝土抗凍融循環(huán)次數(shù)

表4 塑鋼纖維輕骨料混凝土抗凍耐久性壽命

由表4可知，相對(duì)于CA0試件，CA3，CA6，CA9試件的抗凍耐久性壽命大幅提高，這表明摻入塑鋼纖維是提高輕骨料混凝抗凍耐久性的有效方法.

3.2 基于抗壓強(qiáng)度的凍融損傷模型和凍融壽命預(yù)測(cè)

以抗壓強(qiáng)度為損傷變量，應(yīng)用最小二乘法對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到塑鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)相關(guān)的損傷模型.

混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷模型有3種，即單段式凍融損傷模型、雙段式凍融損傷模型和指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型[16].單段式凍融損傷模型采用一元二次多項(xiàng)式來(lái)描述混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu,r與凍融循環(huán)次數(shù)N相關(guān)的損傷演化，其表達(dá)式見式(3)；雙段式凍融損傷模型采用直線與拋物線相結(jié)合的復(fù)合模式，其表達(dá)式見式(4)；指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型的表達(dá)式見式(5).

(3)

(4)

fcu,r=eAN

(5)

式(3)～(5)中：b，c，a′，b′，c′，A均為擬合系數(shù).

將表2中的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)按照上述3種凍融損傷模型進(jìn)行擬合，結(jié)果見表5.

表5 3種凍融損傷模型的相關(guān)系數(shù)和A值

由表5可知：在單段式凍融損傷模型和雙段式凍融損傷模型中，CA6，CA9試件的相關(guān)系數(shù)均較低，因此其擬合系數(shù)未在表中列出；在指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型中，各試件的相關(guān)系數(shù)均在0.9641以上，具有較高的擬合精度，表明抗壓強(qiáng)度凍融損傷模型宜采用指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型.

結(jié)合表3，由指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型計(jì)算塑鋼纖維輕骨料混凝土達(dá)到服役壽命時(shí)的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表6.

表6 塑鋼纖維輕骨料混凝土達(dá)到服役壽命時(shí)的抗壓強(qiáng)度

由表6可知，塑鋼纖維摻量為6kg/m3的輕骨料混凝土達(dá)到服役壽命時(shí)仍具有較高的抗壓強(qiáng)度.雖然從動(dòng)彈性模量衰減的角度來(lái)看CA0試件的抗凍融性能較差，但由于發(fā)生凍融破壞時(shí)，其抗凍融循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)小于摻有塑鋼纖維的試件，這導(dǎo)致其發(fā)生凍融破壞后，抗壓強(qiáng)度的降低幅值并不大，仍然具有較高的抗壓強(qiáng)度.

綜上可見，相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)鋈趽p傷模型和抗壓強(qiáng)度指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型均能較好預(yù)測(cè)凍融環(huán)境下塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融耐久性.其中相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)鋈趽p傷模型是從塑鋼纖維輕骨料混凝土破壞的角度來(lái)描述其凍融損傷演變，且擬合精度更高；抗壓強(qiáng)度指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型是以直觀反映塑鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能為出發(fā)點(diǎn)來(lái)描述凍融損傷演變，且便于檢測(cè).

4 結(jié)論

(1)適量的塑鋼纖維能提高輕骨料混凝土抗凍性，凍融循環(huán)150次后，塑鋼纖維摻量6kg/m3的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度損失率為7.02%，凍融循環(huán)300次后，其質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為0.62%，85.3%.

(2)由相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)鋈趽p傷模型預(yù)測(cè)塑鋼纖維摻量為6kg/m3的輕骨料混凝土凍融壽命約為100a，塑鋼纖維摻量為3kg/m3的輕骨料混凝土凍融壽命可達(dá)50a以上，塑鋼纖維摻量為9kg/m3的輕骨料混凝土凍融壽命為50～100a.

(3)塑鋼纖維摻量6kg/m3的輕骨料混凝土達(dá)到服役壽命時(shí)的抗壓強(qiáng)度略低于未摻塑鋼纖維的輕骨料混凝土，但仍高于其他摻量塑鋼纖維輕骨料混凝土，表明其在服役期間具有較高的承載力.

(4)相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)鋈趽p傷模型能較好預(yù)測(cè)塑鋼纖維輕骨料混凝土的凍融耐久性，其相關(guān)系數(shù)為0.9852，精度較高；對(duì)于塑鋼纖維輕骨料混凝土，抗壓強(qiáng)度凍融損傷模型中的指數(shù)函數(shù)型凍融損傷模型優(yōu)于單段式凍融損傷模型和雙段式凍融損傷模型，其精度達(dá)到0.9641以上，且能直觀反映力學(xué)性能，便于檢測(cè).

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