聚丙烯纤维混凝土冻融损伤试验研究

第４０卷增刊（ＩＩ）　２０１０年ｌ１月　东南大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＰ，ＮＡＬ　ＯＦ　ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔ￣ｏｎ）　Ｖｏ１．４０　ＮＯＶ．　Ｓｕｐ（ＩＩ）　２０ｌ０　

聚丙烯纤维混凝土冻融损伤试验研究　

程红强　高丹盈　

（郑州大学新型建材与结构研究巾心，郑州４５０００２）　

摘要：通过快速冻融循环试验，研究聚丙烯纤维混凝土冻融损伤性能．结果表明：冻融循环对聚　丙烯纤维混凝土有较大影响，随冻融循环次数的增加，聚丙烯纤维混凝土损伤不断累积，相对动　弹模、劈拉强度不断下降；掺加一定量的聚丙烯纤维，能有效提高混凝土的抗冻性能；在一定范围　内，随聚丙烯纤维掺量的增加，强度损伤逐渐减小．冻融循环７５次时，聚丙烯纤维混凝土的强度　损伤变量最大达到７７．７％，掺量为１．５　ｋｇ／ｍ　的聚丙烯纤维对混凝土强度增益比达２４０．５％．在　试验基础上，分析了聚丙烯纤维混凝土冻融损伤机理，建立了冻融循环作用下聚丙烯纤维混凝土　强度损伤模型．　

关键词：聚丙烯纤维混凝　￡；冻融；损伤；劈拉强度　

中图分类号：ＴＵ５０２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０５０５（２０１０）增刊（Ⅱ）－０１９７—０４　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　

ｉｎ　ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ　

Ｃｈｅｎｇ　Ｈｏｎｇｑｉａｎｇ　Ｇａｏ　Ｄａｎｙｉｎｇ　

（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｎｅｗ　Ｓｔｙｌｅ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈ０ｕ　４５０￣２．Ｃｈｉｎａ１　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｎ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎ．　ｓｔ　ａｔｅ　ｔｈａｔ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ　ｈａｖｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎ　ｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｃｙｃｌｅｓ，ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｓ　ｃｕｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａＷ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ａｄｄｉｎｇ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｒａｎｇｅ．ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄａｍａｇｅ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ．Ａｆｔｅｒ　７５　ｃｙｃｌｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｅａｃｈｅｓ　７７％，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒｅａｃｈｅｓ　２４０．５％ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｓ　１．５　ｋｇ／ｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ｅｘ　ｐｅｎｍｅｎｔ，ｔｎｅ　ｆｒｅｅｚｅ　ｔｈａｗ　ｄａｍａｇｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄａｍａｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｐｏｌｖ　ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｎ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ；ｄａｍａｇｅ；ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　

冻融破坏是混凝土结构在运行过程中产生的主要病害之一．我国北方寒冷地区的混凝土结构物、水坝　以及港口码头等经常由于冻融循环作用而发生不同程度的破坏．目前，国内外在混凝土冻融损伤机理及工　程冻害分析方面已经取得了一定的科研成果，但大多数研究以普通混凝土为主　］．纤维混凝土具有增　强、阻裂以及韧性好等特点，其冻融损伤性能如何，是本文研究的重点．　１　试验概况　

１．１试验原材料　聚丙烯纤维混凝土设计强度等级Ｃ３０，采用３２．５普通硅酸盐水泥，水灰比０．４８．细骨料为中粗河砂，　

些尊日期：　。　。。ｏ　一　５－　作者简介：程红强（１９７５－），男，博士生；高丹盈（联系人），男，博士，教授，博士生导师，ｇｄｙ＠ｚｚｕ　ｅｄｕ．ｃｎ　基金项目：同家广１然科学基金资助项臼（５０６７８１５９）．

　ｌ９８　东南大学学报（自然科学版）　第４０卷　

细度模数２．９，含泥量不大于２％．粗骨料为粒径５～２０　ｍｍ的碎石．纤维采用美国兄弟公司生产的杜拉纤　

维，纤维掺量为试验参数之一．试验配合比见表１．　

表１混凝土配合比　

１．２冻融试验　冻融试验按《水工混凝土试验规程》（ＤＬ／Ｔ５１５０　００１）规定的方法，在国产ＴＤＲＩ型混凝土自动快　

速冻融试验设备上进行．试件尺寸为１００　ｍｍ×１００　ｍｍ×１００　ｍｍ和１００　ｍｍ×１００　ｍｍ×４００　ｍｎｌ，前者用　

于测试试件冻融循环后的强度，后者崩于测试相对动弹性模量和质量损失．试件中心的冻融温度为（一１８　±２）ｏＣ～（７±２）ｏＣ，一个冻融循环历时３．０　ｈ左右．冻融试验过程中，试件始终处于全浸泡水状态（饱水　

状态）．冻融循环次数为０，２５，５０，７５次．　

２试验结果及分析　

２．１试验现象　冻融循环作用下，混凝土表面形态有所变化．随冻融循环次数的增加，混凝土表面浆皮出现脱落，冻融　

次数较多时，表面疏松多孔．聚丙烯纤维掺量不同时，其表面破坏形态稍有差别．纤维掺量较高时，表面细　

小纤维清晰可见，且有粘附的水泥浆体．　２．２质量损失率和相对动弹模　

图１、图２反映了冻融循环对聚丙烯纤维混凝土质量损失率和相对动弹模的影响．从图中可以看出，　

冻融循环次数较少时，混凝土质量不但不损失，反而略有增加；冻融循环至一定次数时，随冻融循环次数的　

增加，混凝土质量损失逐渐增加，冻融循环７５次时，质量损失率不超过５％．随循环次数的增加，相对动弹　

性模量逐渐下降，聚丙烯纤维的加入，对相对动弹模的变化有一定影响，但不很明显，冻融循环至７５次结　

束时，相对动弹模高于６０％．　

＼　埒　

瞧　

２０　４０　６０　８０　冻融循环次数　＼　暮　需　韶　

图１　冻融循环对聚丙烯纤维混凝土质量损失率的影响　图２　冻融循环对聚丙烯纤维混凝土相对动弹模的影响　

２．３冻融循环劈拉强度　

试验中测有冻融循环一定次数后的１００　ｍｍ×１００　ｍｍ×１００　ｒｌｌｉｎ立方体试件的劈拉强度．试验结果表　

明，冻融循环对聚丙烯纤维混凝土的劈拉强度有较大影响．随冻融循环次数的增加，劈拉强度不断下降．聚　

丙烯纤维的加入，改善了混凝土的抗冻性能．　６　４　２　Ｏ●

　增刊（Ⅱ）　程红强，等：聚丙烯纤维混凝土冻融损伤试验研究　１９９　

２．３．１　冻融循环的影响　为考察冻融循环对聚丙烯纤维混凝土劈拉强度的影响，定义强度损伤变量为　

，　ｒｎ、　Ｄ：（１一Ｊ　ｐｆｔ　１×１００％　（１）　、　Ｊ　ｐｆｔ／　式中，　为聚丙烯纤维混凝土在冻融循环，ｚ次后的劈拉强度；＿厂：　为聚丙烯纤维混凝土未经冻融循环的劈　

拉强度．　

图３反映了冻融循环对聚丙烯纤维混凝土强度的影响．从图中可以看出，冻融循环对混凝土劈拉强度　

有较大影响．随冻融循环次数的增加，聚丙烯纤维混凝土的强度损伤不断累积．冻融循环７５次时，Ｐ０混凝　

土的强度损伤变量Ｄ达到７７．７％，虽然此时混凝土的质量损失率和相对动弹模均满足规程规定要求，但　

混凝土劈拉强度损伤过大，已不满足使　要求．如何寻求质量损失率、相对动弹模与强度损伤变量之间的　

统一关系，尚需进一步探索　．　

２．３．２　聚丙烯纤维掺量的影响　

为反映聚丙烯纤维对混凝土强度的影响，引入强度增益比卢：，：　

，　＝　×１００％　（２）　ｍ　式巾，　为对比普通混凝土在冻融循环　次后的劈拉强度．　

图４为聚丙烯纤维掺量对冻融循环作用下混凝土劈拉强度增益比的影响．从图中可以看出，随聚丙烯　

纤维掺量　的增加，强度增益比不断提高；冻融循环作用下，聚丙烯纤维的影响更加明显．冻融循环７５次　

时，卢　最大可达２４０．５％，有效提高了冻融循环作用下混凝土的劈拉强度．　

１００　

８（）　

霉６０　

嚣　ｏ　≤　２０　

０　Ｏ　２５　５０　冻融循环次数　

图３　冻融循环对聚丙烯纤维混凝土强度损失率的影响　＼　

君堡ｊ　骶　

聚丙烯纤维掺量／（　．ｆ１１　）　

图４聚丙烯纤维对强度增益比的影响　

２．４聚丙烯纤维混凝土冻融损伤机理　混凝土在水饱和状态下，在某一冻结温度时，毛细孑Ｌ中水结冰，胶凝孔中水处于过冷状态．水结成冰，　

使混凝土发生膨胀；另外，由于胶凝孑Ｌ中处于过冷状态的水分子向压力毛细孑Ｌ中冰的界面处渗透，于是在　

毛细孔中又产生一种渗透压力　．由此可见，处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孑Ｌ壁同时承受膨胀　

和渗透２种压力，当这２种压力）超过混凝土的抗拉强度时混凝土就会开裂，反复冻融循环后，混凝土中的　裂缝会相互贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至会完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏．混凝土中加入　

一定量均匀分布的聚丙烯纤维，纤维的存在能推迟冻融循环作用下裂缝应力集中区向混凝土基体内部扩　

展，抑制混凝土早期塑性开裂及冻胀压力引起的裂纹，进而延缓冻融作用对混凝土性能的劣化．　

３强度损伤模式　

试验结果表明，冻融循环条件下，聚丙烯纤维混凝土劈拉强度影响因素主要有冻融循环次数、聚丙烯　

纤维掺量等，参考已有文献对普通混凝土冻融损伤模式的研究　，根据对本文试验数据的统计分析，得　

到冻融循环作用下聚丙烯纤维混凝土劈拉强度损伤模式如下：