混凝土抗冻性研究

冻融循环对钢纤维混凝土的影响研究
摘要：混凝土的抗冻性是寒冷地区混凝土工程设计的重要指标，特别是混凝土在含水量较高时的冻融环境作用下，其内部极
容易形成水、冰、骨料的多相损伤介质,不均匀冻胀力和冻胀变形所引起的巨大破坏作用，对混凝土强度和结构安全性将产
生显著的影响。

在混凝土中掺入钢纤维是提高混凝土阻裂能力的有效途径。

随着我国经济和技术发展，钢纤维混凝土应用得
到了逐步推广。

因此，开展对钢纤维混凝土抗冻融性能研究具有重要意义。

关键词：混凝土；冻融；钢纤维；机理；影响
1.混凝土的抗冻性研究
冻融破坏：混凝土在饱水状态下因冻融循环产生膨胀压和渗透压，两者共同反复作用，导致混凝土结构破坏。

即由于混凝土孔隙中的水由于冰冻膨胀引起结冰膨胀压和体积膨胀导致周围未结冰水向外迁移引起渗透压。

混凝土盐冻破坏：在冻融循环条件下，由于使用除冰盐引起混凝土路面的剥蚀开裂破坏现象[1]。

1.1混凝土的冻融破坏的机理
Selleck[2]等人认为，冻融循环产生的破坏作用在混凝土中形成均匀分布损伤，这种损伤一般是细小微裂缝，虽然微裂缝存在不致使混凝土立即破坏，但是微裂缝经过进一步损伤发展，在混凝土中形成宏观裂缝，导致混凝土破坏。

李金玉等[3]认为混凝土在冻融破坏过程中宏观特性主要表现在密实度和强度降低，其中最敏感的是抗拉强度和抗折强度。

混凝土冻融破坏力随着冻结温度降低和冻结速率加快而增强。

随着冻融次数增加，混凝土中伴随微裂缝出现和发展。

Mohamed0.A.[4]等人认为，水结冰膨胀挤压未冻结水导致孔内体积不足而产生压力。

如果这种水压不能释放，包含冰和未冻结水的毛细孔会扩张。

当水压超过基体抗拉强度时，就会产生破坏。

他认为引气剂可以释放这种压力从而提高混凝土抗冻融性。

Litvan[5]认为，当混凝土表面存在盐时将导致水分向其表面迁移，当这些水结冰时将起到冰塞作用，从而产生破坏压力。

曹建国[6]认为试件表面降温速度比内部快，因此在降温时造成混凝土内部出现拉应力，并且水冻结时体积膨胀造成混凝土内部出现应力。

1.2混凝土冻融破坏研究的意义
建国以后，我国兴建了大量的混凝土工程，随着运行时间的加长，混凝土结构的冻融破坏问题日益突出，这不仅影响正常的生产和工作，甚至危及到工程的安全运行。

经调查发现，混凝土冻融破坏不仅发生在“三北”等严寒地区，在长江以北黄河以南的中部地区也广泛存在。

在美国，据1980年报道，有56万座公路桥因使用除冰盐引起混凝土冻融剥蚀和钢筋锈蚀，其中有9万座需要大修或重建，仅1978年一年，经济损失己达63亿美元[7]。

混凝土冻融破坏是混凝土结构老化病害主要问题之一，严重影响混凝土建筑物长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用，每年都要消耗巨额维修费用。

在寒冷地区冻融循环导致混凝土耐久性降低而破坏，最终表现为裂缝的出现和发展。

因此，开展对混凝土冻融性能研究具有重要理论意义、实用价值和经济效益。

2.钢纤维混凝土
纤维混凝土是继钢筋混凝土、预应力混凝土之后的又一次重大突破。

由于纤维和混凝土共同作用，使混凝土具有一系列优越的性能，因而受到国内外工程界极大关注与青睐。

纤维混凝土已广泛应用于各工程领域，在建筑、交通、水利、矿山、冶金、军事、耐火材料工业等方面都在研究应用。

在工程实际中，常用的纤维有钢纤维、石棉纤维、植物纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、高密度聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、维尼纶纤维、丙纶纤维、晴纶纤维、碳纤维及开夫勒(Kevlar)纤维等。

由于钢纤维能成批生产，价格便宜，施工方便，故近年来钢纤维混凝土的研究和应用发展最快[8]。

2.1钢纤维混凝土的组成
钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。

钢纤维混凝土中乱向分布短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝扩展和阻滞宏观裂缝产生和发展，因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等有明显改善作用。

2.2钢纤维混凝土的应用
对混凝土自重大、抗拉强度低、抗裂性差、脆性大等弱点限制了它的扩大应用[9]。

现代的土木工程结构，新的结构形式及在特殊环境条件下的结构物的建造需要轻质、高强、耐久性良好的新型建筑材料，钢纤维混凝土作为新兴的建筑材料，由于其优异的性能，已在工程实践中广泛应用并取得了良好的技术经济效益[10]。

70年代，美国开发了熔抽技术，制造出廉价的钢纤维，为钢纤维混凝土的实际应用创造了有利条件。

此后20多年，钢纤维混凝土在世界各国的开发研究受到普遍重视，尤以美国、日本、英国进展最快。

我国研究和应用钢纤维混凝土开始于70年代，而近年来，发展异常迅速，已经得到广泛的应用和深入的研究，已连续召开了八届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议。

工程中应用较广的有隧洞衬砌、桥梁、铁路轨枕、大跨建筑物、管道工程、维修加固工程等。

3.冻融循环对钢纤维混凝土的影响
3.1钢纤维混凝土纤维增强机理
现有钢纤维混凝土基本理论，是在纤维增强塑料、纤维增强金属基础上运用和发展起来的。

由于钢纤维混凝土组成与结构多项、多组分和非均质性，加以钢纤维“乱向”与“短”特性，它比纤维增强塑料等要复杂得多，如何能充分体现其自身特性，仍在不断探讨、完善和发展之中。

对钢纤维混凝土增强机理现阶段研究，主要依据两种理论：[9]一种是运用复合材料力学理论；第二种是建立在断裂力学基础上纤维间距理论。

复合材料力学理论[11]把钢纤维混凝土简化为两相复合材料，钢纤维为一相，混凝土为一相。

应用混合原理来推求纤维混凝土应力、弹性模量和强度等，并考虑复合材料在拉伸方向上有效纤维体积率比例和非连续性短纤维长度和取向修正及混凝土得非均匀特性，其简化受力图形如图1所示。

图1 复合材料受力情况
纤维间距理论认[12]为要想增强类似混凝土这样本身带有内部缺陷脆性材料抗拉强度，必须尽可能地减小内部缺陷尺寸，提高韧性，降低裂缝尖端应力场强度因子。

纤维间距理论的力学模型如图2所示。

图2 纤维约束模型
Romualdi和Mandel将其用于均匀分布的乱向短纤维增强混凝土中，经过试验表明，纤维混凝土的初裂应力与纤维间距的平方根成反比。

3.2冻融循环对钢纤维混凝土的影响
Kosa和Namman[13]等人认为，锈蚀后对抗压强度影响不大，而抗折与抗拉强度则随锈蚀程度增大而有所下降，其中抗折韧性降低幅度更为明显，最大降低值为37%。

小林一辅[14]研究钢纤维混凝土抗冻性，发现掺入钢纤维后混凝土抗冻性能有显著提高，但是经过冻融循环后混凝土动弹性模量还是会降低。

孙伟[15]认为钢纤维也能够提高混凝土抗冻融性，他认为，高强混凝土基体微机构特别是孔尺寸和孔形态改善有助于抗冻融性。

引气剂增加了封闭孔，释放了冻融循环中的压力，纤维可以减少裂缝出现和发展。

姜磊[9]参照快冻法耐久性试验，进行了钢纤维混凝土在3.5%氯化钠溶液中快速冻融试验。

研究发现随着钢纤维体积率适当增大，混凝土抗盐冻剥落能力增强，重量损失得到抑制，但是钢纤维对遭受盐冻破坏混凝土表面剥蚀改善作用有限。

混凝土劈拉强度提高，盐冻损伤后混凝土劈拉强度降低速率减缓，混凝土抗盐冻融能力提高。

当体积率为1.5%时，钢纤维增强效果最好。

当体积率增大到2.0%时，重量损失增大，劈拉强度降低，混凝土抗盐冻性能降低。

这是由于过多钢纤维掺入，增大了混凝土内部孔隙数量和有害孔出现几率，破坏了混凝土致密的内部结构，容易在冻融循环过程更快出现微裂缝，加快结构破坏。

4.结论
适量的钢纤维的掺入，能够提高混凝土的抗冻性，在受冻后，质量损失率、抗折抗弯强度、劈裂抗拉强度均有明显地改善。

钢纤维体积率适当时对混凝土有明显的增强效应，但当钢纤维体积率超过一定值时混凝土抗冻增强能力不明显，和普通混凝土相差不大。

参考文献
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[4]Mohamed 0A,Rens K L,Stalnaker J J.Factors Affecting Resistance of concrete to Freezing and Thawing Damage [J ].Cement and Concrete Research,2001,（12）:489-495
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[8]张小辉钢纤维混凝土弯曲疲劳及其损伤特性和细观强度研究［D］：云南：昆明理工大学，2001．
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[15]小林一辅著，蒋之峰译.钢纤维混凝土.冶金部建筑研究总院情报室.1984。