纤维素纤维混凝土抗冻性试验研究.pdf

2 0 1 2年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NCR ET E AND C E MENT P RODUC 2 01 2 No 1 2 De c e mb e r 纤维素纤维混凝土抗冻性试验研究 邓宗才 ， 张永方 ( 北京工业大学城市与重大工程安全减灾省部共建重点实验室 ， 1 0 0 1 2 4 ) 摘 要 ： 采用快冻法对纤维素纤维 、 聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能进行 了试验研 究， 分析 了纤维掺量对混凝 土 抗 冻性能的影响规律 ， 探讨 了纤维素纤维改善 混凝土抗冻性能的机理 ， 并提 出了基于抗冻性能的最优 纤维掺量 。试 验结果表明 ， 纤 维素纤维的掺 入显著改善 了混凝 土的抗冻性能 ， 并且其作 用明显优于聚丙烯纤维。 关键词 ： 纤维素纤维 ； 聚 丙烯纤维 ； 抗 冻性 ； 冻融 A b s t r a c t ： Q u i c k f r e e z i n g me t h o d i s u s e d t o t e s t t h e f r o s t r e s i s t a n c e d u r a b i l i t y o f c e l l u l o s e fi b e r a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e T h e e ff e c t o f fi b e r c o n t e n t o n f r o s t r e s i s t a n c e of c o n c r e t e i s a n a l y z e d T h e me c h a n i s m o f c e l l u l o s e fi b e r i mp r o v i n g f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s d i s c u s s e d Mo r e o v e r ，t h e e c o n o mi c a l v o l u me o f fi b e r b a s e d o n f r e e z i n g - t h a w d u r a b i l i t y i s p u t f o r wa r d T h e t e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c e l l u l o s e f i b e r c a n s i g n i fi c a n t l y i mp r o v e t h e f r e e z i n g - t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e ， a n d t h e i mp r o v e me n t o f c e l l u l o s e fi b e r i s b e t t e r tha n t h e p o l y p r o p y l e n e fi b e r Ke y wo r d s ：C e l l u l o s e fi b e r ； P o l y p r o p y l e n e fib e r ； F r o s t r e s i s t a n c e ； F r e e z i n g - t h a w 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 1 2 4 4 0 4 0前 言 冻融破坏是指水工建筑物在浸水饱 和或潮湿 状况下 ， 由于温度正负交替变化 ， 使混凝土内部孔 隙水形成静水压 、渗透压及水 中盐类 的结晶压等 ， 产生疲劳应力 ， 造成混凝土 由表及里逐渐剥落的一 种破坏现象口 】 。渠道衬砌一般为素混凝土薄板结构， 在我国北方地 区极易产生裂缝 ，从 而引发冻胀破 坏。渠道混凝土_ 旦发生冻害， 表面将会产生大面 积剥落 ， 严重影响混凝土的耐久性能和正常使用性 能。有关报道表 明， 国内许多输水渠道 已经 明显出 现不 同程度的冻融破坏现象【 2 _ 3 。因此 ， 开展此类混 凝土抗冻性研究 ， 减少冻害 ， 提高使用寿命 ， 已成 为 迫切 需要解 决 的 问题 。 吴中伟认为 ， 复合化是水泥基材料高性能化的 主要 途径 ， 纤维 增强则 是核 心 。纤 维素 纤维是 新一 代高性能纤维 ， 它具有分散性好 、 弹性模量较高 、 施 工方便 、 成本低廉等优点。 目前 ， 关于合成纤维 、 钢 纤维混凝土抗冻性能的研究较多， 但关于纤维素纤 维混凝土抗冻 的研究较少 。因此 ， 研究如何提高纤 维素纤维混凝土的抗冻性 ， 对这种材料在寒冷地 区 的应用推广很有实用价值 。 本文采用快冻法对纤维素纤维 、 聚丙烯纤维混 凝土的抗冻性能进行研究 ， 分析 了纤维掺量对混凝 土抗冻性能的影响规律 ， 探讨 了纤维素纤维改善混 凝土抗冻性能的机理 ， 以便为纤维素纤维在工程 中 应用提供参考 。 1 试 验研 究 1 1 试 验 用原材 料 水泥为 P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥； 粉煤灰为 级 灰 ， 烧 失量 4 6 ， 需 水 量 比 9 9 ； 砂 为 中砂 ， 细 度模 数 2 3 ；石子 为粒径 5 - 2 5 mm连续 级 配碎石 ； 减 水剂为聚羧酸类高效减水剂 ；水为普通 自来水 ； 纤 维 素 纤维 采用 上 海某 公 司产 片状 纤 维 ， 纤 维 素纤 维 及聚丙烯纤维 的规格和性能见表 1 。 表 1 纤维 的各项性能指标 1 2 混凝土配合 比 混凝土配合比见表 2 。 1 3 试件制作与试验方法 本试验主要按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝 一 4 4一 土长期性能和耐久性试验方法中的快冻法进行 。 抗冻试验试件尺寸为 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx 4 0 0 m m， 每种 纤维掺量浇筑 3个试件。试件浇注 2 4 h后脱模 ， 在 ( 2 0 3 ) 的水 中养 护 ，水 面 高度 高 出试 件 表 面 邓宗才 ， 张永方 纤维素纤维混凝土抗冻性试验研究 1 0 c m， 2 8 d龄期时取出水 中浸泡 的试件直接用 于试 验 。试 验采 用 K D R V型 冻融 试 验机 和 D T W1 8型 动弹模 测定仪 。主要试验步骤为 ： 将 已浸水的试 件擦去表面水分后 ， 称初始质量 。测量试件的初 始 自振频率 ， 作为评定抗冻性 的起始值 ， 同时做必 要 的外观描述或照相。将试件装入试件盒 中， 按 冻融介质要求 ， 注入淡水 ， 水 面应浸没试件顶面 1 0 mm。每冻融循环 2 5次对试件检测一次 ， 测试时 ， 将试件从盒 中取出 ， 冲洗干净 ， 擦去表面水分 ， 测定 自振频率 和质量 ， 做必要 的外 观描述 或照相 ， 每次 测试完毕后将试 件掉头 ， 重新装入试 件盒 ， 注入淡 水 ， 继续试验。在测试过程 中， 为防止试件失水 ， 待 测试件用湿布覆盖。冻融至预定的循环次数 ， 停 止 试验 。 2试验 结 果及分 析 试验时混凝土拌和物满 足坍 落度和和易性要 求 ， 保水性 、 流动性和粘结力较好 ， 并且纤维素纤维 混凝土 的立 方体抗压强 度和劈裂抗拉强度与素混 凝 土相 比有 明显提 升 。 2 1 质量损失率 质量损失率可反映混凝 土冻融循环后抵抗剥 落 的能力 ，是评价混凝土抗冻性能 的一项重要指 标 。图 1 为不同纤维掺量混凝土试件质量损失率随 冻融循环次数变化的规律曲线 ， 由图 1可见 ： ( 1 ) 混凝土质量损失率随冻融循环次数 的增加 而增大 ， 1 7 5次循环前 ， 纤维混凝土和素混凝土的质 量损失率差别不 大 ， 即在冻 融循环初期 ， 纤维对 改 9 8 1 O 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 40 0 冻融循环次数 次 不 同纤维掺量 混凝 土的质量损失率 随冻 融循 环次数的变化规律 善混凝土抗冻性能 的作用不大 ， 这是因为早期混凝 土的初始缺陷对其抗冻性能的影响比纤维要明显。 ( 2 ) 1 7 5次循 环后 ， 素 混凝 土 和 聚丙烯 纤 维混 凝 土质量损失率 曲线 的斜率增大 ， 说 明素混凝土和聚 丙烯纤维混凝土的质量损失加速发展 ， 而纤维素纤 维混凝土的质量损失率 曲线 比较平稳 ， 甚至 比其前 期 的变化速度要小 ， 说 明 1 7 5次循环后纤维素纤维 对混凝土抗冻性能的正面作用开始显现。 ( 3 ) 素混凝土与纤维素纤维混凝土质量损失率 的差值随纤维素纤维掺量的增加而逐渐增大 ， 且冻 融次数越多差值越大 ，即随冻融循环次数 的增加 ， 纤维对混凝土质量损失率的改善作用越明显 ， 掺量 越大 ， 改善效果越好。并且纤维素纤维对混凝土质 量损失率的改善作用明显优于聚丙烯纤维混凝土。 3 0 0次循 环后 ，素混凝 土的质量损失率 为 5 1 2 ， U一 1 、 U一 2 、 U 一 3和 P P 一 2试 件 的质量损失率分别为 3 0 5 、 3 0 8 、 2 3 9 和 4 2 0 ，素混凝土 的质量损 失率是纤维素纤维混凝土的 1 6 6 - 2 1 4倍 ，是聚丙 烯纤维混凝 土的 1 2 2倍 。4 0 0次循环时 ， 素混凝土 的质量损失率 已达 8 8 7 ，聚丙烯纤维混凝土的质 量损失率为 7 0 0 ，而纤维素纤维混凝土质量损失 率均小于 4 。可见 ， 纤维素纤维 的掺人 ， 明显降低 了混凝土在冻融过程中的质量损失 。 2 2 相对动性弹模量 有些时候质量损失不能很好地反映混凝土 的 剥落情况 ， 因为 随着冻融循环次数 的增加 ， 试件 的 饱 和程度逐渐提高， 而且试件内部也不断出现微裂 缝 ， 这些裂缝 吸水饱 和 ， 抵消了一部分试件 表面剥 落引起 的质量 损失 ； 试件表面剥落较少时 ， 还有可 能使冻融循环后的质量增加 ， 导致测得 的质量损失 存在误差阁 。 相对动弹性模量是用动弹性模量测定仪根据 超声波检测原 理?贝 0 定共振频率 ， 再 由公式 ( 1 ) 计算 而得到的。该检测方法不损伤试件 ， 测试之后可 以 继续试验 ， 大大减少 了试件数量和试 验时间 ， 因此 被众多规范采用 ， 作为一种反映混凝土冻融破坏的 4 5 O 1 5 图 0 2 0 1 2年第 1 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 0期 指标 。相对动弹性模量降低 ， 表明混凝土中微裂基 体内储存的变形能释放 ， 裂缝尖端应力集中开始 向 附近的水泥基体伸展同 。混凝土的冻融劣化是一个 由致密到疏松的过程 ， 相对动弹模正好反映了该变 化过程。为研究纤维掺量对混凝土相对动弹模 的影 响规律 ， 绘制了不 同纤维掺量混凝土的相对动弹模 随冻融循环次数变化 的规律曲线 ， 见图 2 。 = f x Wo 1 。 。 式中， 为经 N次冻融循环后一组试件的平均相对 动弹性模量 ， i 为经 N次冻融循环后一组试件的 平均横向基频 ， H z ； f o 为冻融循环试验前一组试件 的平均横向基频初始值 ， H z ； W 为经 N次冻融循环 后一组试件的平均质量 ， g ； W。 为冻融循环试验前一 组试件的平均质量 ， g 。 l 0 o 9 0 面 础 8 O 7 0 被 6 0 竖5 0 量4 o 3 0 图 2 不 同纤维掺量混凝 土的相对 动弹性模量 随冻融循环次数的变化规律 分析图 2可知 ， 混凝土的相对动弹性模量随冻 融循环次数的增加而减小。1 7 5次冻融循环前 ， 五组 混凝土的相对动 弹性模量无明显差别 ， 且相对动弹 性模量 的下降速度相对缓慢 ， 可见 ， 纤维素纤维对 早期相对动弹性模量的影响不明显 。1 7 5次冻融循 环后， 素混凝土与聚丙烯纤维混凝土的相对动弹性 模量下降速度很 快， 而纤维 素纤维混凝土在 2 0 0次 循环之后下降速度才稍有增加 。随冻融次数 的增 加 ， 纤维素纤维混凝土与素混凝土相对动弹性模 量 的差值越来越大； 当达到 3 0 0次循环时 ， C 一 0试件的 相对动弹性模量 降为 5 8 3 5 ， P P 一 2降为 6 5 9 2 ， 而纤维 素纤维混凝 土的相对 动弹模均大 于 7 0 。 4 0 0次循环后 ，纤维素纤维 昆凝土的相对动弹性模 量均大于 6 0 ， 说明纤维素纤维混凝土具有较强的 抗冻性能。三组纤维素纤维混凝土试件的相对动弹 性模量基本保持一致 ， 说 明纤维素纤维掺量在 0 9 1 3 k g m 3 之间时 ，纤维掺量的变化对相对动弹模 的 影响不 明显 。 2 3 抗冻耐久性系数 耐久性系数 D F可反映肉眼无法鉴别的混凝土 46 冻融劣化程度。国内外通常用其评价混凝土的抗冻 性 ， 其计算方法见式 2 。 D ( 2 ) 式中 ， D F为经 N次冻融循环后一组试件 的抗冻耐 久性系数 ， ； 为冻融循环达到 以下 3种情况之一 时的试验次数 ： 达到规定 的冻融循环次数 ； 试 件的相对动弹性模量下降到 6 0 以下 ； 试件的质 量损 失率达 5 ； P为经 N次冻融循环后一组试件 的相对动弹性模量 ， 。 达到 4 0 0次冻融循环后混凝土 的抗冻耐久性 系数见图 3 。 分析可知 ， 素混凝土的抗冻耐久性系数 较低 ， 仅 5 8 1 0 ； 聚丙 烯纤维的耐 久性 系数 比素混 凝 土有所提高 ， 为素混凝土 的 1 1 1 倍 ； 纤维素纤维 混凝 土的耐久性能 明显改善 ，纤维素纤维掺 量为 0 9 k g m 、 1 1 k m。 、 1 3 k g m 的混 凝 土 抗 冻 耐久 性 系 数分别是素混凝土的 1 5 0 、 1 4 9和 1 5 3倍 ；当纤维 素纤维掺量在 0 9 1 3 k m 3 之间时 ，抗冻耐久性系 数的差别不大 ，说 明纤维掺量在 0 9 - 1 3 k g m 。 之间 时掺量的变化对混凝土耐久性能的影响不明显。 l O O O U O U一1 U一 2 U一3 PP 一 2 混凝土种类 图 3 不 同纤 维 掺 量 对 混 凝 土 抗 冻 耐 久性 系数 的影 响 2 4 抗冻等级 实际工程 中， 混凝土的抗冻性一般用抗冻等级 表示 ， 以相对动弹性模量下降至初始值的 6 0 或者 质量损失率达 5 时的最大冻融循环次数作为混凝 土抗冻等级 ， 用符号 F表示 。 抗冻等级F 5 0的混凝 土称为抗冻混凝土。试验测得素混凝土的抗冻等级 为 F 2 7 5 ， 聚丙烯纤维混凝土的抗冻等级为 F 3 2 5 ， 纤 维素纤维混凝土的抗冻等级均大于 F 4 0 0 。 3 作 用机理分 析 目前 ， 解释混凝土发生冻害的机理主要有 以下 两个 方面 ： 其一是静水压力 ， 由于结冰时的体积 膨 胀使得未结冰的孔 中溶液受压 ， 从而 向混凝土体 内 迁移 。孔中溶液在水泥浆体中移动时必须克服粘滞 阻力 ， 形成水的压力梯度 ， 因而产生静水压 ， 对混凝 土产生破坏 ； 其二是渗透压力 ， 在负温条件下 ， 大 孔及毛细孔中的溶液首先有部分冻结成冰 ， 溶液 中 邓宗才 ， 张永方 纤维素纤维混凝土抗冻性试验研究 的水从 中冻结 出来 ， 使溶 液的浓度变大 ， 毛细孔 与 凝 胶 孔 内溶 液 之 间存 在 着 浓度 差 ， 从 而引 起从 凝胶 孔向毛细孔的扩散作用 ， 形成渗透压l8 - 9 。 纤维素纤维可改善混凝 土的抗冻性能 ， 首先是 纤维素纤维即使在掺量很小 的情况下纤维数量 也 非常多 ( 1 5 9亿根 k g ) 圳， 数 目众多的纤维在水泥基 材内部乱向分布形成空 间三维网络结构 ， 桥连了混 凝 土基体 ， 优化 了孔结构 ， 改善 了水泥基材 的内在 品质 ，有效地抑制了混凝土早期微裂缝的产生 ， 并 能推迟混凝 土初始裂缝 的扩展 ， 从而提高 了混凝土 的抗 渗性能 ，使混凝土 内不会产生很大 的渗 透压 力 ； 其次 ， 纤维减小 了水 泥基材内部原有的孑 L 隙， 阻 断了连通 的孔道 ， 使 其失水 面积有所减小 ， 水 分迁 移困难 ，从 而有效降低 了低温过程 中的静水压力 ； 第 三 ， 纤维素纤维的弹性模量高于基体凝结初期的 弹性 模 量 ， 增 加 了 初 期 混凝 土 的 抗 拉 强 度 ， 使 其 内 部 自生微 裂缝 减少 ； 另外 ， 纤维 素纤维在混凝 土中 有较好的分散性及较小 的间距 ， 从 而增加 了混凝土 冻融损伤过程 中的能量损耗 ， 有效地抑制 了混凝土 的冻胀开裂。最后需要指 出的是 ， 纤维素纤维具有 天然 的亲水性和独特的空腔设计 ， 在混凝土受冻过 程中 ， 未结 冰的孔溶液和 自由水受压迁移时 ， 一部 分可以进入纤维 内， 从 而缩短了其流程长度 ， 减小 了静水压力 ， 减弱 了对混凝土的破坏【 “ 】 。 聚丙烯纤维混凝 土的抗 冻性能逊于纤维 素纤 维 混凝 土 的 主 要 原 因主 要 有 三 个 方 面 ： 首 先 ， 纤 维 素纤维在掺量为 1 0 k g m 。 时其纤维平均中心间距为 0 6 9 m m， 而相 同掺量的聚丙烯纤维为 2 0 8 mm， 由此 可知 ， 单位体积混凝土 内纤维素纤维的数量远大于 聚丙烯纤 维 ， 因此 ， 纤维 素纤维 可以形成更 为有效 的三维 网络结构 ，有效 阻止裂缝 的产生和发展 ； 其 次 ， 聚丙 烯 纤 维 的分 散 性 较差 ， 易结 团 ， 且 与 混 凝 土 之间的粘结作用较差 ， 混凝 土冻融损伤过程 中消耗 的能量小于纤维素纤维混凝土 ， 同时纤维分散不开 的部位会形成混凝土内部 的薄弱环节 ， 降低其抗冻 性能 ； 第 三 ， 纤维 素纤维独特 的空腔结构和巨大的 比表 面 积 及较 好 的亲水 性 ， 可减 小 混 凝 土 内部 的 静 水压力 ， 增加 了混凝土密实度 ， 使其与混凝 土之间 形成更有效的粘结 ， 从而提高混凝土的抗裂性。 4结 论 ( 1 )纤维素纤维可显著改善混凝 土的抗冻性 能 ， 且随着冻融次数的增加 ， 效果更明显 。当纤维掺 量在 0 9 - 1 3 k g m 之 间时 ， 相对动弹性模量 、 抗冻耐 久性系数的变化随纤维掺量的增加变化不 明显 ， 即 三种纤维掺量混凝 土的抗冻性能相差不大 ，因此 ， 建议经济掺量为 0 9 k g m 。 ( 2 ) 纤维素纤维对混凝土抗冻性能的作用主要 表现在后期 ， 1 7 5次循环后纤维素纤维的作用开始 明显 ， 且随着纤维掺量的增加 ， 作用愈加明显 。 ( 3 ) 纤维素纤维对混凝土抗冻性能的改善作用 优于 聚丙 烯纤 维 。 ( 4 ) 纤维素纤维混凝土的耐久性和长期使用性 能 明显优 于 素混 凝 土 。素 混凝 土 的抗冻 等 级 为 F 2 7 5 ， 而纤维素纤维混凝土所有试件的抗冻等级均 大于 F 4 0 0 ； 4 0 0次冻融循环后 ，纤维素纤维掺量 为 0 9 k g m 、 1 1 k g m 、 1 3 k g m 。 混凝土的抗 冻耐久性 系 数分 别是 素混 凝土 的 1 5 0 、 1 4 9 、 1 5 3倍 。 ( 5 ) 纤维素纤维的掺入改善 了混凝土的内在 品 质和孔结构 ， 进而改善 了混凝土 的抗裂性能 ， 从 而 降低 了渗透压力 ；纤维阻断了连通毛细管的孔道 ， 使水 分迁移困难 ， 因而降低 了静水压力 ； 纤维素纤 维的天然亲水性和独特的空腔结构 ， 缩短 了混凝 土 内部孔溶液和 自由水 的流程 ，减小 了静水压力 ， 因 此 ， 纤维素纤维可改善混凝土的抗冻性能。 参考文献 ： 1 】 邓 宗才， 张鹏飞， 刘爱 军， 等 高强度纤 维素纤 维混凝 土 抗冻融性能试验研究 J 公路， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 3 0 4 3 0 7 2 魏束强， 赵彦波 混凝土衬砌渠道冻 害原 因分 析及预防措 施 J 】 水科学与工程技术， 2 0 0 9 ( 5 ) ：7 9 - 8 0 3 】 建功 我 国渠道 防渗工 程的冻害及其 防治措施 J 防渗技 术， 2 0 0 2 ， 8 ( 2 ) ： 1 - 4 4 】 吴仲伟 纤维增强一 水泥基材料 的未来 J 混凝 土与水泥 制品， 1 9 9 9( 1 ) ： 5 6 5 杨成蛟 混杂 纤维混凝 土力学性 能及耐久 性能试验研 究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 7 6 孙伟 钢纤维对混 凝土冻融损伤抑制能力 的研究 J 】 东南 大学学报， 2 0 0 0 ， 1 2 ( 5 ) ： 3 5 3 7 7 P o w e r s T C F r e e z i n g E f f e c t s i n C o n c r e t e J 】 A m e ri c a n S o c i e t y O f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s 1 9 7 5 ( 1 ) ： 1 - 1 1 【 8 】C H A T Y E R J I S O n t h e A p p l i c a b i l i t y o f F i c k S S e c o n d L a w t o C h l o r i d e i o n Mi g r a t i o n t h r o u g h P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e 【 J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 9 9 - 3 0 3 【 9 】 杨绍 明， 周双喜 混凝土抗冻性试验方 法及 其评价参数的 探讨 J 混凝 土， 2 0 0 8( 4 ) ： 2 7 - 4 1 1 0 】 张鹏 飞 高强 度纤 维素纤 维混 凝 土耐久性 能试 验研 究 D 北京： 北京工业大学， 2 0 1 0 收 稿 日期 ： 2 01 2 1 0 2 2 作者简 介： 邓宗才( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 教授 、 博 士生导师 。 通讯地址 ： 北京市朝阳区平乐 园 1 0 0号 联 系 电话 ： 1 31 6 1 0 31 9 1 0 E - ma i l ： d e n g z c b j u t e d u c a 4 7