王先刚， 杨 柳
(四川炬原玄武岩纤维科技有限公司，四川达州 635000)
喷射混凝土材料因其内部结构，在冻融循环条件下，耐久性会受到破坏[1-3]，而合适掺量的玄武岩纤维加入喷射混凝土后，其性能会得到提高。
对于喷射混凝土的抗冻性能，已有许多学者开展了研究。许丽萍等[4]认为影响耐久性指数的主要要素为混凝土含气量和水灰比，通过大量的室内试验，建立了混凝土含气量、水灰比对混凝土耐久性影响的经验模型。李金玉等[5]学者开展了大量室内试验，根据试验数据，得到了一种可以预测混凝土冻融损伤的经验模型。王立久等[6]认为相对动弹性模量损伤加速度eg对于混凝土相对动弹性模量损伤的影响最大，并且会导致E/E0非线性减少。霍俊芳[7]、温家宝[8]等学者基于损伤力学基本理论，在大量试验研究的基础上，定义了混凝土损伤因子。牛荻涛[9]、刘亚平等[10]在已有试验的基础上，应用相关理论，开展了喷射混凝土抗冻性能的研究。通过试验数据的回归分析，拟合得到了一个一元三次函数，用于反应相对动弹性模量与冻融循环次数之间的关系。刘崇熙等[11]基于Isaac Newton的物质冷却定律，开展室内试验，得到了混凝土冻融损伤的指数模型。此外，宁作君[12]、郝伟[13]、周志云等[14]学者的研究也提出了类似的指数模型，其中宁作君同霍俊芳、温家宝等学者一样，同样基于动弹性模量定义了混凝土损伤因子。贺东青等[15]提出了损伤演变模型，在冻融试验数据的基础上，运用P值法确定混凝土的初劣点，以初劣点划分损伤初始阶段和扩展阶段，得到了混凝土在疲劳作用下的损伤演变规律。
目前，关于玄武岩纤维对于混凝土抗冻性能的研究还未成熟。本文通过设计包括不同掺量玄武岩纤维长度的5组混凝土工况的室内冻融循环试验，研究混凝土质量损失规律、相对动弹性模量并基于试验数据建立了损伤预测模型。
本次试验旨在测定在冻融循环下，混凝土试件能经受的循环次数，以及在冻融循环后其质量和相对动弹性模量的数值变化，并以此来反映混凝土抗冻性能。试件盒设计和混凝土快速冻融试验机如图1所示。
图1 试验设计
试验共设5组工况，包括钢纤维喷射混凝土、普通喷射混凝土以及掺入不同长度(6 mm、16 mm、50 mm)的玄武岩纤维喷射混凝土，其中，掺入的玄武岩纤维的材料特性如表1所示。每组工况各制作3块试件，尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，试件的配合比详见表2。同时，测温试件采用相同的尺寸，且在其中心埋设温度传感器，并采用防冻液作为冻融介质。
表1 玄武岩纤维性能指标
表2 各组试件配合比 单位：kg/m3
试验流程见图2，冻融循环过程中，每2～4 h完成一次冻融循环，并控制用于融化的时间在整个冻融循环时间的1/4左右。试验过程中，冻融转换的时间不超过10min，并且严格控制试件中心最低(-18±2)℃和最高温度(5±2)℃。在冻融循环次数达到200～300次，或试件的动弹性模量下降到60%时结束试验。
图2 试验流程
试验结果及处理：
(1)相对动弹性模量按式(1)计算。
(1)
式中：Pi为第i个试件的相对动弹性模量(%)在经过N次冻融循环后的数值，保留一位小数；
fni为第i个试件的横向基频(hz)在经过N次冻融循环后的数值；
f0i为第i个试件的横向基频冻融循环在试验前的初始值(Hz)。P为各组试件的相对动弹性模量(%)经N次冻融循环后的数值，保留一位小数按式(2)计算。
(2)
(2)单个试件的质量损失率为式(3)。
(3)
式中：ΔWni为第i个试件的质量损失率(%)经N次冻融循环后的数值，保留一位小数；
W0i为第i个试件的质量(g)在冻融循环试验前的初始值；
Wni为第i个试件的质量(g)经过N次冻融循环后的数值。
(3)一组试件的平均质量损失率按式(4)计算。
(4)
式中：ΔWn为各组试件的平均质量损失率(%)经N次冻融循环后的数值，保留一位小数。
试验结果理论上不会出现负值，若出现，则取0替换，再取3个试件的平均值。
(4)混凝土抗冻等级用符号F表示，评价标准是在试件满足相对动弹性模量下降值大于60%以及质量损失率小于5%的条件下，其能承受住的最大冻融循环次数。
3.1 冻融循环后喷射混凝土质量损失规律
当冻融循环100次后，取出试件，按照式(3)、式(4)计算质量损失率，并取算术平均值，由所得数据绘制成图，得到如图3、图4所示的混凝土质量损失规律曲线。
图3 冻融循环后喷射混凝土质量损失(含BF50)
图4 冻融循环后喷射混凝土质量损失(无BF50)
从图4可以看出，总体上质量损失率与冻融循环次数呈现正相关趋势。
横向对比各喷射混凝土工况来看，BF50纤维喷射混凝土质量损失率在同期都远大于普通喷射混凝土，其对抗冻性的增强为负作用。原因是50 mm玄武岩纤维长径比过大，与喷射混凝土接触面更多，薄弱面相对混凝土基体与纤维本身强度更低，在冻融循环过程中，更容易遭受破坏。
由于BF50纤维喷射混凝土与其他工况不具备可比性，在剔除其数据后，根据图4对其余工况进一步分析。
在冻融循环次数50次之前，各组喷射混凝土较为稳定，质量损失率较小，但在此阶段6 mm玄武岩纤维与钢纤维掺入，导致喷射混凝土质量损失率稍有增加，仅有16 mm玄武岩纤维，在一定幅度上降低了质量损失。在冻融循环次数超过50达到100次冻融循环结束，6 mm玄武岩纤维由于纤维长度过短无法有效粘结混凝土基体与表层混凝土浆体，因此相比于普通喷射混凝土的质量损失率反而稍大。钢纤维喷射混凝土冻融循环次数50次之后，质量损失得到控制，但当次数达到100次时质量损失率相比普通喷射混凝土降低12.94%。16 mm玄武岩纤维效果最佳，100次时质量损失率相比普通喷射混凝土降低37.6%。
综上所述，16 mm玄武岩纤维能有效控制质量损失，在冻融循环次数增大的全过程中，都有效降低了质量损失率，效果最佳。钢纤维效果次之，且在冻融循环次数50次之后才逐渐降低质量损失率。6 mm玄武岩纤维与普通喷射混凝土表现相差无几，略有增大。而50 mm玄武岩纤维效果不佳，加剧质量损失。
3.2 冻融循环后喷射混凝土相对动弹性模量降低规律
混凝土动弹性模量的大小取决于其内部组成，其大小与混凝土内部结构呈正相关；
混凝土内部结构的密实程度取决于微裂缝和微孔洞的大小和数量，并且呈负相关。在冻融循环中，混凝土内部微裂纹在冻胀力的作用下不断扩展，并且有害微孔洞含量也随之增加，进而导致混凝土动弹性模量减小。冻融循环100次后，按照式(1)、式(2)计算相对动弹性模量。并取算术平均值，由所得数据绘制成图5。
图5 冻融循环后喷射混凝土相对动弹性模量变化折线
从图5可以看到，喷射素混凝土在冻融循环过程中，相对动弹性模量的降低呈现初期快速，中期稳定，后期增大的趋势。喷射素混凝土内部存在初始缺陷，在冻胀力的作用下，前期发展迅速，导致试件相对动弹性模量在初期呈现快速下降的趋势。而随着冻融循环的进行，内部缺陷发展速度渐缓，相对动弹性模量下降幅度减小，趋于稳定。当冻融循环继续，内部损伤积累到一定值的时候，在膨胀压力和渗透压力的作用下，微裂纹和微孔洞不断发展，同时初始缺陷也开始继续发展，进而导致冻融循环后期试件的相对动弹性模型骤降。
当掺入钢纤维后，试件相对动弹性模量下降幅度相对喷射素混凝土有所改善，但变化趋势与喷射素混凝土相同。
掺入玄武岩纤维后，试件相对动弹性模量随冻融循环的下降值相比喷射素混凝土、钢纤维混凝土进一步改善。BF6表现与SF相差无几，两者对于相对动弹性模量的影响极为接近。BF16表现效果最佳，相比喷射素混凝土全面提升，最终循环次数100次时，相对动弹性模量下降至86.0，相比喷射素混凝土，提升幅度为31.99%。
3.3 玄武岩纤维喷射混凝土损伤预测模型
由于试验设置，只进行了100次冻融循环下混凝土试件的强度试验，因此其数据不足以支撑损伤模型的建立。最终参考宁作君[12]对于损伤因子的定义，采用动弹性模量为参考依据，确定损伤因子见式(5)。
(5)
式中：D(N)为第N次冻融后混凝土损伤度；
EN为第N次冻融后混凝土动弹性模量；
E0为冻融循环前混凝土的动弹性模量。
由于以动弹性模量作为损伤因子判定依据，根据规范[16]规定，动弹性模量公式见式(6)：
Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4
(6)
因此根据结合损伤因子定义可得式(7)：
(7)
式中：P为相对动弹性模量。
由于相对动弹性模量不允许低于60%，所以冻融损伤因子最大为0.4。
对于喷射混凝土在冻融过程中的损伤研究，作出几点假设：
(1)喷射混凝土的初始冻融损伤为0。
(2)损伤值是随着喷射混凝土冻融循环次数的增加而逐渐增加的。
(3)仅考虑冻融损伤是冻融循环次数的函数，不考虑冻融速率、孔隙率等其他因素对冻融损伤的影响。
通过对试验数据的整理，得到冻融损伤因子随冻融循环次数增加试验结果曲线，见图6。
图6 冻融损伤因子曲线
根据冻融损伤因子试验数据曲线，决定采用一元三次型冻融损伤模型见式(8)。
D(N)=A+BN+CN2+DN3
(8)
据此对试验数据进行拟合，拟合结果见表3。
表3 经验损伤拟合结果
由于相对动弹性模量不允许低于60%，根据前面公式推导，即冻融损伤因子最大不超过64%，据此得到冻融循环最大次数预测值，见表4。
表4 冻融损伤经验模型冻融损伤最大次数预测值
本文在喷射混凝土中掺入掺量相同(4 kg/m3)不同长度(6 mm，16 mm，50 mm)的玄武岩纤维(BF)，通过室内快速冻融循环试验，与钢纤维喷射混凝土(SF)以及普通喷射混凝土(PC)进行对比，得到结论：
BF50对喷射混凝土抗冻性能的提高不明显，在对混凝土的质量损失的贡献中，相较于PC和SF为负作用。
BF6能对喷射混凝土在冻融循环中的质量损失和抑制相对动弹性模量的下降中起到一定的作用，但改善效果与SF相近。
BF16在整个冻融循环中，相较于PC和SF，能有效地控制质量损失以及改善喷射混凝土相对动弹性的下降，并且根据建立的冻融损伤经验模型，其最大冻融循环次数预测值达到了149次，为5种工况中最高。说明16 mm长度玄武岩纤维对增强喷射混凝土的抗冻性能效果最佳。
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