恒低温养护对全轻聚丙烯纤维混凝土力学性能的影响

陈停伟，秦文博，王伟

(1.河南省建筑设计研究院有限公司，河南 郑州，450000；2.郑州航空港区盛世宏图置业有限公司，河南 郑州 450000；3.中建中原建筑设计院有限公司，河南 郑州，450000)

受全球极端气候影响以及随着高寒铁路、液化石油气、液化天然气储蓄塔等低温工程的陆续建设，混凝土在低温及超低温环境下的性能变化逐渐受到重视[1]。目前对轻骨料混凝土恒低温后力学性能的研究有所报道。譬如，杨健辉等[2]证明了全轻混凝土只要保证前3d不受冻，低温不仅不会对结构造成损伤，反而会提高结构刚度。而未见针对恒低温养护下轻骨料混凝土的报道，对其性能研究的缺失，可能造成混凝土结构的设计不安全。轻骨料混凝土具有自保温性能，其抗冻性优于普通混凝土。因此，对恒低温养护环境下轻骨料混凝土力学性能的研究是非常有必要的。

全轻混凝土指采用页岩陶粒、页岩陶砂全部替代普通混凝土中的轻、粗骨料配置而成的混凝土[3]，相同强度等级的普通混凝土具有质轻高强[4-5]、隔声、保温隔热、耐久性能好、抗震性能好、抗裂性好、无碱集料效应等一系列优良性能[6-8]。纤维的掺入能提高全轻混凝土的强度、延展性能，改善其脆性破坏过程[9-10]，尤其对全轻混凝土的抗裂缝能力和抗冲击性能效果提升显著[11-13]。恒低温下养护到一定龄期后，其力学性能、热工性能、耐久性能等与常温时有很大差异[14]，所以全轻聚丙烯纤维混凝土恒低温养护的力学性能研究对其在极端环境下的工程应用具有重要意义。

根据本课题组多年的研究成果和工程实践，以LC30级全轻聚丙烯纤维混凝土为例，分析养护温度和龄期对全轻聚丙烯纤维混凝土力学性能的影响，以期为相关研究和工程实践提供参考。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥为焦作坚固牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为焦作电厂产Ⅱ级粉煤灰；页岩陶粒(以下简称陶粒)和页岩陶砂(以下简称陶砂)均为洛阳正全实业有限公司生产，其中，陶粒粒径5～15mm，筒压强度为4.5MPa，堆积密度为567～765kg/m3；陶砂粒径小于5mm，堆积密度为602～774kg/m3，细度模数为2.33～3.37，连续级配；减水剂为萘系高效减水剂，减水率约为17%，掺量为胶凝材料的1.8%；水为自来水；纤维为聚丙烯纤维(以下简称PPF)，其物理力学性能指标见表1。

表1 聚丙烯纤维的物理力学性能指标
Table 1 Physical and mechanical properties of PPF

密度ρ/(×103kg/m3)长度l/mm直径d/mm弹性模量E/GPa抗拉强度ft/MPa0.91190.048>3.5287

1.2 最优配合比

根据本课题组前期试验结果，结合《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T221-2010)，以质量掺量0.9kg/m3的聚丙烯纤维，获得全轻聚丙烯纤维混凝土，详细配合比见表2。

表2 全轻聚丙烯纤维混凝土最优配合比

1.3 试验方法

1)陶粒提前24h预湿，采用二次投料和强制式搅拌机搅拌，搅拌方法按《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)规定。力学性能测试方法按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)规定，使用SYE-2000型压力试验机进行力学性能试验。

2)常温养护条件：温度为(20±2)℃；恒低温养护条件：调节低温箱温度为(-5±2)℃、(-10±2)℃、(-15±2)℃、(-20±2)℃、(-25±2)℃、(-30±2)℃。

3)目标温度T(20℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃)、龄期t(3d、7d、14d、28d)，混凝土浇筑完成后立即放入低温箱养护至目标龄期，取出后立即进行力学性能试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及结果

全轻聚丙烯纤维混凝土试块恒低温养护一定龄期后表面会有一层薄霜，但颜色与常温养护下无差别。-5℃、-10℃、-15℃养护的试件基本没有掉角和剥落现象，也未发现新增裂缝。但低于-20℃养护的混凝土试块，不仅会出现掉角和剥落现象，而且有明显可见的新增裂缝。力学性能试验时的破坏现象和破坏形式与常温养护也有差异。常温下试块达到承受的极限荷载时，其中间位置会出现一条或若干条裂纹，随荷载的增加裂纹会向上、下承压面的角部迅速发展、贯通，形成主裂缝，竖向自由面会逐渐外鼓，最终形成正倒相连的四角锥形破坏。而随着养护温度T的降低，受压加载过程中会伴有轻微碎裂声，试件受压上下断面和边角损坏越来越严重，两端锥状体也更加明显，此时骨料会有破碎迹象，试件的完整性变得越来越差，破碎程度趋于严重。

根据表2中的全轻聚丙烯纤维混凝土配合比和试验方法，特征强度试验结果如表3所示。

表3 全轻聚丙烯纤维混凝土特征强度

注：fcu3d、fc3d、fts3d分别为3d(以下不再标注)立方体抗压强度(简称抗压强度)、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度(简称劈拉强度)/MPa，以下三者统称特征强度。

2.2 恒低温对抗压强度的影响

根据表3中数据，立体抗压强度与龄期、养护温度之间的关系如图1所示。

(a)抗压强度与龄期的关系

(b)抗压强度与养护温度的关系

采用最小二乘法对低温养护条件下混凝土抗压强度试验数据进行拟合，得到混凝土抗压强度与温度、龄期之间的部分表达式分别如式(1)、(2)所示。

fcutd=-0.001t2+0.074 1t+8.42，3d≤t≤28d，T=-30℃，R2=0.981 6

(1)

fcu28d=-0.011T2+0.406T+29.94，-30℃≤T≤20℃，R2=0.944 6

(2)

由图1和式(1)、(2)知，恒低温下抗压强度变化规律与常温养护一致，fcutd随t的增加而增大，但增长速度缓慢；fcu随T的降低而降低，降低速度较快,但均表现出良好的相关性。-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的fcu28d较20℃养护下分别下降了10%、22%、42%、53%、64%、71%，小于-20℃抗压强度已不足常温养护时的50%，混凝土损伤严重。

全轻聚丙烯纤维混凝土试块浇筑后直接放入恒低温环境养护，其完全处于恒低温环境中，混凝土内部部分水分会以固态冰的形式存在，只有小部分水以液态存在微孔中，水泥水化反应受到影响，水泥水化产物生成较少且骨料的粘结性差。温度的持续降低混凝土中水分会全部变成冰，会导致混凝土试块冻胀，破坏胶凝材料水化物结构及水泥石[15-17]，抗压强度降低。PPF纤维的掺入能吸收部分能量，阻止因冻胀产生的微裂缝发展，使得全轻聚丙烯纤维混凝土的抗裂、抗冻能力有一定的增强[18-19]，大于文献[20]的全轻混凝土抗压强度值，也证明了以上结论。

2.3 恒低温对轴心抗压强度的影响

根据表3中数据，轴心抗压强度与和龄期、养护温度之间的关系如图2所示，轴心抗压强度与立方体抗压强度(即fc28d/fcu28d)关系如图3所示。

(a)轴心抗压强度与龄期的关系

(b)轴心抗压强度与养护温度的关系

图3 轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系Fig.3 The ralationships between axial and cubic compressive strength

采用最小二乘法对恒低温养护条件下混凝土轴心抗压强度试验数据进行拟合，得到混凝土轴心抗压强度与温度、龄期之间的部分表达式分别如式(3)、(4)所示。

fctd=-0.001t2+0.073 9t+7.14，3d≤t≤28d，T=-30℃，R2=0.992 9

(3)

fc28d=-0.009T2+0.3863T+26.93，-30℃≤T≤20℃，R2=0.980 9

(4)

由图2知，全轻聚丙烯纤维混凝土fctd变化规律和fcutd基本一致，并且与T、t也表现出良好的相关性。-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的fc28d较20℃养护下分别下降了16%、26%、40%、54%、65%、74%，损失率依次增大，较抗压强度值有所降低，但均大于文献[20]的全轻混凝土轴心抗压强度值，证明了聚丙烯纤维能够提高全轻混凝土的抗冻性和强度。

由图3可知，fc28d/fcu28d随温度降低先减小后增大再减小，其范围在0.84～0.96之间，比(JGJ51-2002)规定的轻骨料混凝土LC30级对应的fc=(0.66～0.67)fcu要高很多，比普通混凝土的fc28d/fcu28d(0.76)也要高一些。主要是由于全轻聚丙烯纤维混凝土中的陶粒、陶砂材质疏脆、孔隙率较大，轴向荷载作用下，试块受压的尺寸效应较普通混凝土弱[21]，使其轴心抗压和立方体抗压强度相差不大，所以fc28d/fcu28d较普通混凝土略大。

2.4 恒低温对劈拉强度的影响

根据表3中数据，劈拉强度与龄期、养护温度之间的关系如图4所示。

(b)劈拉强度与养护温度的关系

采用最小二乘法对恒低温养护条件下混凝土劈拉强度试验数据进行拟合，得到混凝土劈拉强度与温度、龄期之间的部分表达式分别如式(5)、(6)所示。

ftstd=-0.001t2+0.009t+1.45，3d≤t≤28d，T=-30℃，R2=0.989 3

(5)

fts28d=-0.001T2+0.036 8T+3.56，-30℃≤T≤20℃，R2=0.956 0

(6)

综合表3、图4可知，混凝土ftstd的变化规律也与fcutd和fctd相似，与T、t同样有良好的相关性。其中，20℃的fts7d为fts28d的76%；-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的fts28d较20℃养护下分别下降了7%、19%、31%、43%、48%、58%，强度损失依次增大。但其-25℃时劈拉强度还有常温养护时的52%，聚丙烯纤维对劈拉强度的增强作用较抗压强度、轴心抗压强度大，并且均大于文献[20]全轻混凝土劈拉强度值，同样证明聚丙烯纤维能够提高全轻混凝土的韧性和抗冻性。

由图4可知，混凝土经历不同的低温养护后，其劈拉强度呈非线性变化，分为3个阶段：①-5℃≤T≤20℃时，强度缓慢变化阶段，此时混凝土的劈拉强度会随着养护温度降低而缓慢减小，且减小幅度不大；②-25℃≤T≤-5℃时，强度快速损伤阶段，劈拉强度随温度的降低基本呈线性下降，且随龄期增大斜率越大；③-30℃≤T≤-25℃时，强度缓慢衰退阶段，此时劈拉强度随温度的降低呈缓慢降低的趋势，劈拉强度损失严重，达到了劈拉强度最小值[22-24]。

2.5 低温对弹性模量的影响

全轻聚丙烯纤维混凝土弹性模量与龄期、养护温度之间的关系如图5所示。

由图5可知，混凝土处于恒低温养护条件下的弹性模量变化规律与特征强度的变化规律相似，随T的降低而降低，随t的增加而增加。龄期养护相同时，温度高于-5℃后折线变化趋于平缓，龄期3d混凝土在20℃与-5℃养护时的弹性模量基本一致，但大于其它恒低温养护温度的弹性模量，同样大于文献[20]中全轻混凝土的弹性模量。

由于混凝土处于恒低温环境下养护时，内部游离水部分凝结成冰造成混凝土体积膨胀，产生微裂缝，剩余水分被挤压进入裂缝继续结冰，是裂缝继续发展，使混凝土内部损伤越来越严重[25-26]，并且早期养护时的温度越低，损伤越严重，抗变形能力越差，弹性模量越小。

2.6 应力-应变曲线

应力-应变曲线与养护龄期和养护温度的关系图如图6所示。

(a)不同龄期的应力-应变曲线，T=20℃

(b)不同养护温度的应力-应变曲线，t=28d

由图6(a)可知，常温养护条件下，全轻聚丙烯纤维混凝土的峰值应力σc随着t增加而增大，σ-ε曲线变得高而陡，但峰值应变εc的增加幅度较小。图6(b)则随着T升高，σ-ε曲线同样变得高而陡，σc增加幅度相同时，εc增加越来越少，恒低温养护下全轻聚丙烯纤维混凝土在较小应力下就已经发生破坏。常温养护下，混凝土的压应变小于2000×10-6时，σ-ε关系基本保持线性；恒低温养护下情况则较为复杂，随温度降低，曲线斜率一直减小，试块破坏有突发性，-25℃、-30℃的σ-ε曲线没有测出下降段试块就已经发生破坏。由此可见，不论是同龄期时随着T升高，还是同温度时随着t增加，应力变化幅度相同时，变形减小，这与前述特征强度的变化特征相一致。

3 结论

通过对LC30级全轻聚丙烯纤维混凝土进行不同恒低温和龄期的养护，分析温度、龄期分别对全轻聚丙烯纤维混凝土的立方体抗压、轴心抗压、劈拉强度、弹性模量和应力-应变曲线的影响，得到如下结论：

1)全轻聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、轴心抗压强度、劈拉强度随温度降低有不同程度降低，强度损失率依次增大，低于-20℃时抗压强度已不足常温的50%，混凝土损伤严重；强度随龄期增长而提高，但增长速度较慢。弹性模量和峰值应力随温度升高和龄期增长而增大，而峰值应变增加幅度减小。这些特征的变化规律表明，恒低温养护后其强度特征指标均较大降低。

2)分别给出了全轻聚丙烯纤维混凝土各力学性能指标随养护温度、龄期变化的部分拟合公式，可为相关试验与结构设计提供参考依据。

3)恒低温作用是混凝土损伤的一个重要因素，对恒低温工作的混凝土结构不注意保护，可能导致结构损伤甚至冻坏，温度越低混凝土的水化速率越慢，其承载力就越低。对于低温下特殊施工及正常条件下的负温施工，必须进行抗冻设计并且做好结构的保温措施，否则可能会导致结构的严重损伤。