纤维亲水性能对改善混凝土抗冻能力的影响.pdf

第 4 O卷第 1期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 2 45 纤维亲水性能对改善混凝土抗冻能力的影响 何 柏 ， 张 生 ， 陈 昕 ， 刘 刚 ， 刘 成 ， 羊 鹏 ， 赵元兵 ( 1 ． 四川大学建筑与环境学院， 四川 成都6 1 0 0 6 5 ； 2 ． 四川省交通运输厅交通勘察设计研究院， 四川 成都6 1 0 0 1 7 ； 3 ． 四川兴蜀公路建设发展有限责任公司， 四川 成都6 1 0 0 4 1 ) 摘要 ： 纤维的亲水性能对改善混凝土抗冻性能的作用有着重要影响， 本文通过快冻法研究了纤维素纤维 、 聚丙烯 纤维混凝土的抗冻性能， 探讨了纤维对混凝土抗冻性能的影响。实验结果表明： 掺加聚丙烯( 憎水性) 纤维削弱了 混凝土的抗冻性能； 而掺加纤维素( 亲水性) 纤维可以明显改善混凝土的抗冻性能 ， 且随着冻融循环次数的增加， 纤 维素纤维的作用愈加明显； 3 0 0次冻融循环后， 纤维素纤维} 昆 凝土的相对动弹性模量是素混凝土的 1 ． 3 8倍， 而质量 损失率只有素混凝土的5 8 ％。 关键词： 亲水性； 聚丙烯纤维； 纤维素纤维； 冻融 ； 相对动弹性模量 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 —2 4 5— 0 4 Th e i n flu e n c e o f fib e r h y d r o p h i l i c t o i mp r o v e t h e 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 HE Bo ， ZHANG S h e n g ， CHEN Xi n。 ，LI U Ga n g ， LI U Ch e n g ， YANG Pe n g ． ZHAO Yu a n b i n g ( 1 ． C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d E n v i r o n m e n t， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． S i c h u a n C o mmu n i c a t i o n S u r v e y i n g& De s i g n I n s t i t u t e ， Ch e n g d u 6 1 0 0 1 7， Ch i n a ； 3 ． S i c h u a n X i n g S h u R o a d C o n s t r u c t i o n D e v e l o p m e n t C o ． ， L t d ． ， C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F i b e r h y d r o p h i l i c c a n h a v e a i mp o r t a n t i mp a c t o n i mp r o v e me n t o f t h e e f f e c t o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e， i n t h i s p a p e r ， b y q u i c k f r e e z i n g me t h o d t o r e s e a r c h t h e a n t i f r e e z e p e rf o r ma n c e o f c e l l u l o s e f i b e r ／ p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o n c r e t e ， p r o b e s i n t o t h e i n f l u e n c e o f fi b e r o n c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e ． T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t a d d i n g p o l y p r o p y l e n e fi b e r( h y d r o p h o b i c )w e a k e n t h e a n t i f r e e z e o f c o n c r e t e p e rf o r m a n c e ， a n d a d d i n g c e l l u l o s e ( h y d r o p h i l i c ) fi b e r c a n o b v i o u s l y i m p r o v e t h e a n t i f r e e z e o f c o n c r e t e p e rfo rm a n c e， a n d w i t h t h e i n c r e a s e o f f r e e z e — t h a w c y c l e s ， t h e r o l e o f c e l l u l o s e fi b e r a r e b e c o mi n g e v e r mo r e o b v i o u s ； Af t e r 3 0 0 c y c l e s o f f r e e z e - t h a w， r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f c e l l u l o s e fi b e r c o n c r e t e i s 1 ． 3 8 t i me s o f p l a i n c o n c r e t e ， a n d t h e ma s s l o s s r a t e i s o n l y 5 8 ％o f t h e p l a i n c o n c r e t e ． Ke y wo r d s ： h y d r o p h i l i a ； p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； c e l l u l o s e fi b e r ； ~e e z i n g — t h a w； r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s O 引 言 我国幅员辽阔 ， 且随着近年来经济的迅速发展 ， 越来越多的基础工程建设深入到高寒 、 高海拔地区。 由于冻融环境的存在 ， 这些地 区许多混凝土工程或 多或少遭受了冻融破坏 引 抗冻性作为混凝土耐久性重要的一项指标， 近 年来越来越受到人们的关注。许多学者从不同角度 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 - l 1 - 0 5 作者简介： 何柏( 1 9 8 8～) ， 男， 硕士研究生， 主要从事高寒隧道纤 维混凝土抗冻防裂技术的研究。 E —m a i l ： 3 3 7 2 4 9 2 9 3 2 @ q q ． c o n 展开了提高混凝土抗冻性能的研究， 如李双等人研 究 了不同性能聚丙烯纤维 对混凝 土抗冻性 能的影 响， 并指出某些性能 的聚丙烯纤维的掺人不但不能 提高混凝土的抗冻性能， 反而会使其有所降低 ； 邓宗才等研究了纤维素纤维不 同掺量对混凝土抗冻 性能的影 响 ； 姚武研究 了聚丙烯腈纤维尺寸对混 凝土抵抗冻融破坏的影响 ， 并建立了相关 的冻融损 伤演变方程 j 。许多学者还研究了矿物掺和料对 混凝土抗冻性能的影响 驯。 纤维的亲水性能对纤维混凝土的抗冻性能有着 很大的影 响， 本文在总结前人的基础上 ， 以聚丙烯与 纤维素两种憎、 亲水性纤维为例， 在室内快速冻融循 四川建筑科学研究 第4 0卷 环实验 中， 初步探讨 了两种不同类 型的纤维对混凝 土抗冻性能的影响 ， 并与素混凝 土的抗冻性能进行 了对 比。 1 实验方法 1 ． 1 实验原材料及试件设计 选用 P ． O． 4 2 ． 5 R型号水泥 ， 细河砂 ( 细度模数 1 ． 7 ) ， 最大粒径 为 1 6 mm的碎石 ， 引气型高效减水 剂 ， 普通 自来 水 ； 聚 丙烯 纤 维 、 纤 维 素 纤维 ( C T F 一 9 6 0) ， 其性能指标见表 1 。 表 1 纤维的性能指标 Ta b l e】Pe r f o r ma n c e o f t h e fi b e r 竺 竺 ／ ra m ／ p~ m ／ G 篓P a 兰 ／ M P a 纤维素纤维2 ． 1 ( 平均 ) 1 8 8 ． 5 9 6 0 聚丙 烯纤维 3～ 3 0 1 0～4 0 3 5 5 0 0— 7 0 0 文中采用 的混凝土基 准强度等级为 C 3 0， 其基 准配合 比为 ： 水泥 4 0 9 k g ／ m ， 水 1 8 4 k g ／ m ， 砂 7 7 8 k g ／ m ， 碎石 1 0 1 5 k g ／ m 。由前人研究 可知 ， 该两种 纤维的最优掺量均在 0 ． 9 k g ／ m 左 右H “ J 。因此 ， 本文的两种纤维掺量 均为 0 ． 9 k g ／ m 。 ， 试件设 计及 编号见表 2 。 表 2 试 件坍落度及抗压强度 Ta b l e 2 S p e c i me n s l u mp a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 1 ． 2实验方法 本文 实验 方 法 主要 按 照 G B—T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 《 普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》 中的快冻法进行 。抗冻试件的尺寸为 1 0 0 m m x 1 0 0 mE x 4 0 0 m m， 每种纤维掺量浇筑 3个试 件。试件 经过 2昼夜后脱模 ， 并立即进行外观检查 ， 符合要求 的放 人标 准养 护箱 ( 温度 2 02 ℃ ， 相 对 湿 度 ≥ 9 5 ％) 养护。待养护时间达到 2 4 d时 ， 从标养箱取 出试件并置于 2 0 4 - 2 ℃的水 中浸泡 4 d ， 达到 2 8 d养 护龄期后进行混凝土冻融循环实验。 本实验采用 K D R． V 9型混凝土快速冻融循环实 验机及 D T 一 1 5型混凝土动弹性模量测定仪。实验进 行过程中， 每冻融 2 5次对试件进行一次动弹性模量 及质量检测。 2 实验结果及分析 2 ． 1 实验现象 在冻融循环作用下 ， 混凝土表面均出现疏松孔 洞 、 浆皮脱 落的现象 ， 但 出现 的时间有着 明显 的区 别。聚丙烯纤维混凝土在冻融循环 2 5次后即出现 较明显的表皮剥落 、 粗骨料外露的现象 ； 而素混凝土 则是在冻融循环 7 5次后才逐渐开始 出现表皮剥落 的现象 ； 纤维素纤维混凝土则在经过 1 2 5次冻融循 环后才有轻微的表皮剥落 的现象 ， 在这之前 主要是 孔洞逐渐增多 、 扩大直至连通的过程 。在表皮剥落 后 聚丙烯纤维混凝土能够明显看见聚丙烯在混凝土 内部杂乱分布的现象 ， 而纤维素纤维 肉眼几乎无法 看见 。 2 ． 2 混凝土的抗冻性能 图 1 、 图 2分 别为三种混凝 土在冻融循环作用 下质量损失率与相对动弹性模量的变化情况。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数／ 次 图 1 不 同类型纤维混凝土质量损失率 随冻融循环次数 的变化 规律 F i g ． 1 Qu a l i t y l o s s r a t e c h a n g i n g w i t h t h e f r e e z e - t h a w c y c l e s o f d i ffe r e n t t y p e s o f fi b e r c o n c r e t e 0 50 1 0 0 1 5 0 2 00 2 50 3 0 0 冻融循环次数／ 次 图 2 不 同类 型纤维混凝土相对动弹性模量 随冻 融循环次数 的变化 规律 F i g ． 2 R e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s c h a n gin g wi t h t h e f r e e z e ． t h a w c y c l e s o f d i ffe r e n t t y p e s o f fib e r c o n c r e t e 1 ) 混凝土质量 损失率随着冻融循环 次数 的增 加而逐渐增大 ， 但不 同类型混凝土的质量损失率差 异较大。由图 1可知 ， 聚丙烯纤维混凝土在冻融的 初期即开始 出现质量损失 ， 冻融循环 1 0 0次以后 ， 质 量损失率增长速度 明显增大 ， 而且在整个冻融循环 ∞∞ ∞∞∞∞ ∞∞ 7 6 5 4 3 2 l 0 0 0 c： 粥 ∞ 加 ∞ 如 加 2 0 1 4 N o ． 1 何柏， 等： 纤维亲水性能对改善混凝土抗冻能力的影响 2 4 7 过程 中聚丙烯纤维混凝土的质量损失率均明显大于 素混凝土与纤维素纤维混凝土 ， 说 明聚丙烯纤维 的 掺人削弱了混凝土抵抗剥落的能力。而对于纤维素 纤维混凝土来说 ， 在冻融 的初期 ， 几乎没有 质量损 失， 冻融循环 1 5 0 次后才有较为明显的质量损失， 说 明纤维素纤维的加入对于? 昆 凝土在冻融循环初期混 凝土抗表面剥落能力有明显 的帮助。3 0 0次冻融循 环后， 聚丙烯纤维质量损失率已达 8 ． 7 8 ％， 而素混 凝土和纤 维 素纤 维 混凝 土 的质 量损 失 率 分 别 为 3 ． 0 6 ％ 、 1 ． 7 6 ％ 。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 ， 然而聚丙烯纤 维的掺人则 明显增强了混凝土在冻融过程中的质量 损失。说明纤维的亲水性与否对混凝土在冻融过程 中抵抗质量损失有着重要 的影响 ， 而且 亲水性纤维 混凝土抗损失能力明显优于憎水性纤维混凝土。 2 ) 相对动 弹性模量是利 用动弹性模量 测定仪 测量混凝 土 在冻 融前后 的 固有 频率 ， 而 后根 据式 ( 1 ) 计算得 出， 通过多次测量 、 计算从而得到混凝土 在冻融循环过程中内部损伤的演化规律 。 。 ㈩ 式 中 ——经 Ⅳ次冻融循环后第 i 个试件 的相对 动弹性模量 ， ％ ； i ——经 Ⅳ次冻融循环后第 i 个试件 的横 向 基频 ， H z ； i—— 冻融循环实验前第 i 个试件横向基频 初始值 ， Hz 。 随着冻融循环次数的增加 ， 三种混凝土的相对 动弹性模量均逐 渐降低 。在冻融循环 1 0 0次 以前 ， 三种混凝土的相对 动弹性模 量没有 明显 的区别 ， 素 混凝土 、 聚丙烯纤维混凝土 、 纤维素纤维混凝土的相 对动弹性模 量分 别为 9 3 ． 8 ％ 、 9 0 ． 7 ％ 、 9 4 ． 0 ％。可 见 ， 在冻融循环初期 ， 混凝土内部损伤受纤维影响较 小 。然而冻融循环 1 0 0次 以后 ， 聚丙烯纤维混凝 土 内部损伤速度 明显加快 ， 素混凝土与纤维素纤维混 凝土内部损伤也有加快 的趋 势， 但总体远低 于聚丙 烯纤维混凝 土。1 7 5次冻 融循环后 ， 聚丙烯纤维混 凝土的相对动弹性模量已降至5 3 ． 4 ％， 而素混凝土 与纤维素纤维混凝土仍分别有 8 2 ． 7 ％、 8 4 ． 9 ％。 1 7 5 次冻融循环过后， 纤维素纤维的掺入对改善混 凝土的抗 冻性能 作 用逐渐 体现 。3 0 0次 冻融循 环 后， 素} 昆 凝土与纤维素纤维混凝土的相对动弹性模 量分别 为 5 3 ． 4 ％ 、 7 3 ． 5 ％。可 见 ， 纤维 素纤维 的掺 人能够明显改善混凝 土的抗冻性能。 2 ． 3作用机理分析 一 般认 为， 混凝土的冻融是一个物理作用过程 ， 解释这一现象 的经典理论主要有静水压理论及渗透 压理论 。静水压认 为结冰过程 中， 混凝土空隙中 的部分孔溶液结冰膨胀， 使得未结冰孔溶液向外迁 移 ， 在迁移过程中， 孔溶液须 克服黏滞阻力 ， 从而形 成静水压力 ， 对水泥浆体结构造成破坏。渗透压认 为在结冰过程中， 由于冰水饱和蒸汽压的不 同， 导致 结冰体周围孔溶液 向结冰处渗透迁移 ， 从 而形成 了 渗透压 。 从 以上分析可以看 出， 无论是静水压理论还是 渗透压理论 ， 都存在这孔溶液在水泥浆体中迁移 的 过程， 在这一过程中水泥浆体内部产生拉应力， 当拉 应力超过水泥石的抗拉强度时即会使毛细孔遭到破 坏， 从而在混凝土内部形成微裂纹， 进而使混凝土发 生宏观破坏。 在混凝土 中掺加纤维 ， 由于纤维在水泥浆体中 杂乱无序分布 ， 纤维可有效的阻碍微裂纹尖端向远 端扩展， 在宏观上表现出混凝土的抗拉强度提高， 从 而有效提高混凝土的抗冻融能力。然而纤维的掺入 并不仅仅只是有利的作用 ， 由于纤维与混凝土材质 的不同， 使得在纤维周围会形成一个薄弱胶结层， 为 孔溶液在混凝土内部迁移提供了一个通道， 进而加 深混凝土在冻融作用过程中的破坏。纤维对混凝土 抗冻性能影响是上述 两方 面的综合体现 ， 当纤维阻 裂能力的影响大于对混凝土造成的削弱影响时， 能 够有效提高混凝土 的抗冻能力。反之 ， 将会对混凝 土的抗冻能力起到负面影响。 由于聚丙烯是一种憎水性纤维 ， 与水 泥浆体胶 结时， 在其周围形成明显的薄弱层 ， 在冻融循环过程 中， 溶液沿着这一薄弱层往复流动， 从而使混凝土沿 着纤维长度方 向发生破坏 ， 导致混凝土 内部结构逐 渐疏松 、 表面剥落 ， 弱化 了混凝土本身的抗冻性能。 另一方面， 由于纤维素纤维是一种亲水性纤维 ， 能够 与水泥浆体发生较好 的胶结 ， 不会像憎水性纤维那 样在纤维周边形成 明显 的薄弱地带 ， 加上纤维本身 的抗拉强度较高 ， 当混凝土内部发生冻融破坏时 ， 纤 维素可有效阻碍内部微裂纹的扩展 ， 并使表面剥落 现象明显降低， 大大提高了混凝土的抗冻性能。 3 结 论 1 ) 在混凝土中掺人纤维， 对其抗冻性能既有好 2 4 8 四川建筑科学研究 第 4 O卷 的影响 ， 也有坏的一面， 纤维对混凝土的抗冻性能的 影响是这两方面的综合影响结果 。 2 ) 纤维的亲水性对改善混凝土 的抗 冻能力有 重要的影响 ， 实验表 明： 聚丙烯纤维不仅不能提高混 凝土的抗冻性能， 反而弱化了混凝土的抗冻能力 ； 而 纤维素纤维则能有效提高混凝土的抗冻能力。 3 ) 在冻融初期， 纤维素纤维对改善混凝土的抗 冻能力并不明显 ； 随着冻融循环次数 的增加 ， 纤维素 纤维对混凝土的作用逐渐明显 ， 3 0 0次冻融循环后 ， 纤维素纤维混凝土的相对动弹性模量是素混凝土的 1 ． 3 8倍 。 4 ) 纤维 的亲水性能 对混凝 土的抗冻能力有 重 要影响， 单纯使用聚丙烯与纤维素纤维进行对比不 能完全说明问题 ， 今后可在这一方面进行更加深入 的研究 、 探讨 。 参 考 文 献： [ 1 ] 王海彦， 田岩平． 高寒地区特长公路隧道的抗防冻措施[ J ] ． 石 家庄铁路职业技术学院学报 ， 2 0 0 6， 5 ( 1 ) ． [ 2 ] 肖治微． 高寒地区混凝土抗冻性试验研究[ D ] ． 重庆 ： 重庆交 通大学 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 王飞， 伍毅敏． 寒区隧道冻害防治进展 [ J ] ． 桥隧工程， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 2 5 8 - 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