在寒冷地区, 冻融循环作用往往是导致混凝土劣化甚至破坏的最主要因素之一, 严重影响了混凝土结构的耐久性能, 使其正常使用周期大大缩短。

　　 普通混凝土凝结硬化后遗存的游离水和通过孔隙渗透进入的水, 都留存在混凝土内部的各种孔隙中。当周围气温低于0℃时, 孔隙中的水受冻结冰, 体积约增加9%;当温度升高后, 会使混凝土经历冻融循环。每次循环都向混凝土深层发展, 破坏材料的内部结构, 导致混凝土强度和耐久性能大大降低。同时, 普通混凝土构件的面层往往容易受外界环境的影响, 并且一旦开裂后使得周围腐蚀性因素进入构件内部, 影响结构的耐久性能^[1]。

　　 Chatter Ji S^[2]研究了普通混凝土在冻融破坏时溶液结冰的影响程度, 指出冻融循环对普通混凝土力学性能影响较大, 冻融后的普通混凝土抗压强度会下降, 并且随着冻融次数的增加, 其降幅也在增加。在国内, 徐世烺等^[3]通过对比试验系统地研究了超高韧性水泥基复合材料与同强度等级的普通混凝土、引气混凝土和钢纤维混凝土在相同冻融循环条件下的性能变化, 以及冻融后的弯曲抗拉强度。邓明科^[4]通过试验研究了聚乙烯醇纤维短柱的抗震性能和变形能力, 结果表明聚乙烯醇纤维可显著提高短柱的剪切变形能力, 提高短柱的抗震性能和耐损伤能力。叶英华等^[5]通过冻融循环试验表明:含水混凝土在冻融后的强度大于含盐溶液混凝土受冻后强度, 并且盐浓度越高其强度损失越快;随着冻融循环次数的不断增加, 混凝土含水量不断提高直至达到临界饱水度时, 使混凝土表面开始冻坏;并指出在水中融化比在空气中融化冻融损伤严重。刘卫东等^[6]研究了冻融循环作用下纤维混凝土的强度变化与纤维掺量有关, 试验表明聚丙烯纤维在混凝土中能够产生“引气”效应, 可有效地抑制冻融引气的混凝土损伤劣化, 在一定强度范围内, 纤维掺量为10%时混凝土抗冻性最佳。高丹盈等^[7]通过对混凝土试件快速冻融试验, 结果表明:适量的钢纤维掺量和较小的水灰比, 改善了混凝土微观结构, 抑制了混凝土的冻融速度, 提高了混凝土的抗裂性能。

　　 高延性纤维混凝土 (High ductile concrete, 简称HDC) ^[8]是以美国Li V C^[9]教授提出的Engineering Cementitious Composites (ECC) 理论为基础, 结合陕西地方材料, 配制出具有良好裂缝控制能力、高强度和韧性的高性能纤维混凝土。利用HDC材料的高延性和裂缝控制能力, 可以较好地控制裂缝开展, 保护构件内部, 避免外界不利因素进入结构内部, 从而延长混凝土结构使用寿命, 提高耐久性能。

　　 基于此, 本课题组通过快速冻融循环试验, 研究不同冻融循环次数作用下, HDC的表观特征及其基本力学性能, 为寒冷地区使用HDC提供工程设计经验和研究依据。

　　 试验包括HDC试件的制备、快速冻融试验、试件外观记录以及单轴受压破坏试验。

　　 冻融循环试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) ^[10]中抗冻性能试验的快冻法进行。试件在饱水状态下进行快速冻融试验 (冻结温度为-17℃, 融解温度为8℃) , 每隔25次冻融循环分别测定动弹性模量和重量一次, 并算出相对动弹性模量、耐久性指数以及质量损失率。同时进行必要的试件表面照相和评述, 以评价HDC在冻融循环作用下保持其应变硬化特性的能力。当试件相对动弹性模量系数低于60%时, 终止试验, 试件冻融循环次数原则上不低于300次, 另外测定相应冻融循环次数下试件的抗压强度。

　　 为满足较高的强度和韧性要求, 经本课题组大量试验, HDC配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶水=1∶1∶0.72∶0.58。其中, 砂为灞河中砂, 最大粒径为1.18mm, 水泥为P.O42.5R普通硅酸盐水泥, 粉煤灰为Ⅰ级, HDC纤维的体积掺量为2%。纤维各项力学性能指标如表1所示。

　　 本文只针对此配比下所制作的HDC试件进行力学性能试验, 目的在于研究此配比下聚乙烯醇纤维试件本身在未经历冻融循环与经历冻融循环后, 以及经历冻融循环次数的变化对其自身的力学性能影响。针对同尺寸有纤维与无纤维聚乙烯醇纤维试件, 以及同类型中聚乙烯醇纤维与普通纤维混凝土试件的力学性能试验, 将在后续试验中补充, 并与本次试验现象、试验结果进行相关对比。HDC材料溶解于水, 本次试验中, 通过将聚乙烯醇纤维试件以50次为一个递增, 进行0～300次的冻融循环, 针对其表面现象对其在水中冻融现象进行分析、总结, 针对其在长期荷载作用下的相关性能, 如疲劳性能, 将在后续阶段进行相关试验。

　　 试验制作7组, 共21个HDC试件。其中, 尺寸为100×100×400的棱柱体试件1组共3个, 试件可连续使用;尺寸为100×100×100的立方体试件6组共18个, 分别进行HDC试件快速冻融循环后单轴抗压强度试验。

　　 冻融循环试验采用NJM-HDK-9型试验机, 如图1所示。

　　 快速冻融试验中, 尺寸为100×100×400的棱柱体试件编号分别为:试件1、试件2、试件3。按照快冻法依次进行试验, 对此组试件分别进行N=0, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300次冻融循环, 每隔25次循环对试件进行一次横向基频测定, 由此计算得到相应的动弹性模量, 并检查试件外部损伤, 记录试件的重量损失。另外18个 (6组) 试件同样根据上述规范进行冻融试验, 对6组试件分别进行N=50, 100, 150, 200, 250, 300次冻融循环, 取出试件对其进行单轴受压破坏试验。

　　 HDC试件未冻融状态下的外观以及冻融N=25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300次后的试件外观如图2, 3所示。从图3中试件的外观状态可发现, 冻融循环使得试件表面出现了剥落现象, 并且, 剥落程度随着冻融循环次数的增加逐渐加重。但总体来说, 试件的剥落现象并不严重, 冻融循环的前175次, 试件只有很轻微的剥落, 表面纤维明没有显露;在175次冻融循环之后, 试件表层剥落程度加深, 纤维逐渐显露出来, 但纤维并没有剥落。HDC试件在冻融循环300次前, 试件仍然保持良好的外观状态。冻融循环后测得的各组试件的质量损失以及动弹性模量损失也随着冻融试验的进行而逐渐增加。这是由于HDC试件中纤维的作用, 使得试件中材料之间的相互粘结作用更为紧密, 同时也减少了试件表层的剥落。

　　 用于测定不同冻融循环次数的抗压强度试件破坏状态照片见图4。从图4中可看到, HDC试件的破坏现象主要呈现的是与受力方向相同的竖向裂缝, 裂缝宽度并不明显, 且外层混凝土剥离。此外, 由于试件中间部位约束较弱, 竖向压应力作用下, 试件中间边缘部位出现沿压应力方向的裂缝, 但HDC试件的裂缝外侧并没有剥落, 这同样是因为纤维的存在使得立方体试件具有良好的整体性, 在其受压破坏时没有散落, 而是四周边缘整体出现了整体裂缝, 说明HDC试件在受压破坏时具有良好的整体性。

　　 尺寸为100×100×100的立方体试件单轴抗压强度试验结果见表2和图5。立方体试件的受压应力-应变曲线见图6, 7。

　　 试验加载过程中, HDC立方体试件经历了表面无明显变化、表面出现裂缝、裂缝稳态扩展、裂缝失稳扩展以及试件破坏等过程。从表2和图7可知:应变方面, 经过冻融循环后的6组立方体试件, 其绝大部分试件在峰值应力时的应变在4%左右;应力方面, 随着冻融循环次数的逐渐增加, 其峰值应力在逐渐降低, 由最初的未冻融循环时峰值应力46.6MPa左右, 降到冻融循环300次后峰值应力32.7MPa左右。冻融循环前与冻融循环300次后的立方体抗压强度相对下降率在30.2%左右。本次试验试件受压截面为100×100, 故力-位移曲线与应力-应变曲线趋势相同, 文中以应力-应变曲线表明HDC立方体试件在经受冻融循环后, 仍表现出良好的抗压性能, 并且随着冻融循环次数的增加, HDC立方体试件在极限承载力时的压应变均在3%～4%, 相对稳定。另外, 从6组试件的应力-应变曲线观察, 6组试件受压初期随着应力的增加, 应变在缓慢增大, 曲线较平缓, 在应变达到1.5%以后, 随着应力的继续增加, 应变增加变快。6组试件的应力-应变曲线在抗压强度达到峰值以后, 应力开始下降, 应变开始增大, 在应变达到大约5%～6%时, 应力-应变曲线趋于平缓。

　　 根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) 动弹性模量测定方法, 动弹性模量按下式计算:

　　 $E{}_{\text{d}}=13.244\times 10{}^{-4}\times WL{}^{3}f{}^2/a{}^4(1)$

　　 式中:E_d为纤维混凝土动弹性模量, MPa;a为立方体试件的边长, mm;L为立方体试件的长度, mm;f为立方体试件横向振动时的基频振动频率, Hz;W为立方体试件的质量, kg。

　　 按照上述试验方法及动弹性模量测定方法, 得出相应的动弹性模量, 见表3。冻融循环次数与动弹性模量曲线见图8。冻融循环次数和质量损失曲线见图9。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加, HDC立方体试件的冻融性能参数 (质量损失率和相对动弹性模量损失率) 均增大, 表明随着冻融次数增加, HDC混凝土内部结构损伤劣化有一个逐渐发展过程。

　　 由表3中数据可得:在动弹性模量方面, 随着冻融循环次数的增加, HDC立方体试件的动弹性模量有所下降, 分别由最初0次冻融循环下的动弹性模量为54.19, 57.04, 55.15MPa, 下降到冻融循环300次后的38.31, 37.33, 37.01MPa。动弹性模量下降率分别为29.30%, 34.56%, 32.89%, 均在《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) 所规定的40%以内。

　　 在质量损失方面, 3块用于测定动弹性模量的棱柱体试件由最初0次冻融循环下的质量分别为8 090, 8 126, 8 307g, 下降到冻融循环300次后的8 036, 8 042, 8 216g, 质量下降率仅为0.67%, 1.04%, 1.12%, 同样在《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) 所规定质量损失率5%的范围内。

　　 冻融循环使得HDC试件表面出现了剥落现象, 并且, 剥落程度随着冻融循环次数的增加也在逐渐加重。从图2, 3的HDC试件外观状态来看, 冻融循环作用使得HDC试件表面出现剥落现象, 但剥落较轻微, 冻融前175次, HDC试件外观基本保持不变, 冻融175次后, HDC试件表面的剥落程度有所加深, 但仍不严重, 纤维始终没有剥落。从图2, 3中可观测出, HDC试件的破坏是竖向裂缝, 且外层HDC局部翘起。

　　 从用于测定不同冻融循环次数的抗压强度试件破环状态照片 (图4) 看到, HDC试件在破坏时, 整体性能良好, 破坏状态是竖向裂缝、斜裂缝和外层纤维混凝土翘起现象。

　　 由图7看到, HDC试件的应力-应变曲线较平滑、平缓, 随着应力的增加, 应变在缓慢地增加。说明HDC具有类似普通混凝土在受压时的力学现象, 但同时又有所不同, 这是由于纤维的存在, 使得HDC试件具有高延性和裂缝控制能力, 保护构件内部, 使其更加稳定, 调节了在受压时HDC试件内部的受力情况。

　　 由图10可知, 本次试验测得的HDC试件冻融前后的单轴受压应力-应变曲线大致特点如下:在曲线上升段, 在刚开始的很小一段保持缓慢上升, 之后曲线斜率突然增加, 并保持在一个较高的斜率值, 应力-应变保持线性关系, 然后下降, 当应力增至峰值点处时曲线斜率为0, 曲线在上升段趋势基本一致;在曲线下降段, 当应力下降到某一特定点时, 曲线出现拐点, 接着曲率逐渐变大, 出现曲率最大点, 之后曲线趋于平缓, 曲线在下降段的总体趋势一致, 但斜率有所不同, 出现拐点的位置也不同。

　　 针对图10的试验曲线, 根据相关学者^[11,12]提出的应力-应变本构曲线, 依据最小二乘法, 对其进行线性回归。在刚开始应变很小的一段范围 (x<0.4) 内, 曲线的斜率较小, 此时曲线在此段采用y=x²公式表示;在0.4<x<0.9时, 曲线呈线性增长, 此时采用y=1.63x-0.24公式表示;在此之后 (x≥0.9) , 曲线采用Sargin^[13]公式$y=\frac{c{}_{1}x+(c{}_2-1)x{}^2}{1+(c{}_1-2)x+c{}_{2}x{}^2}$表示。

　　 因此, 本次曲线为分段函数曲线, 综合以上分段函数, 得曲线公式如下:

　　 $y=\{\begin{array}{c}x{}^2(x<0.4)\hfill \\ 1.63x-0.24(0.4\le x<0.9)\hfill \\ \frac{c{}_{1}x+(c{}_2-1)x{}^2}{1+(c{}_1-2)x+c{}_{2}x{}^2}(x\ge 0.9)\hfill \end{array}(2)$

　　 其中, 在x≥0.9的曲线段内, 公式中系数取值:0.9≤x≤2时, 取c₁=0.3, c₂=1.13;x>2时, 取c₁=0.01, c₂=1.3。c₁, c₂为拟合曲线中常数系数。

　　 (1) HDC具有良好的拉伸应变-硬化特性和裂缝控制能力, 受拉状态下产生多条细密裂纹, 这使得HDC极有可能具有良好的抗冻性能。基于此, 通过对21个HDC试件进行了冻融循环试验, 研究HDC的抗冻性能, 测定不同冻融循环次数作用后HDC的表观特征以及各项基本力学性能, 包括极限承载力、动弹性模量、峰值应变和裂缝状态。试验结果表明, 经过300次冻融循环后HDC具有良好的裂缝控制能力, 试件出现较少的细密裂纹, 表现出良好的抗冻性能。

　　 (2) HDC试件经过300次冻融循环后质量损失仅为1%左右, 动弹性模量损失不超过35%, 表现出良好的抗冻性能。

　　 (3) HDC试件经过300次冻融循环后其表层有剥落现象, 但由于纤维的存在, 使得试件的整体连接能力增强, 因此表层剥落现象并不明显。

　　 (4) HDC试件经过300次冻融循环后, 其抗压强度有所降低, 但降低率在30%, 满足抗冻性能要求。同时, 抗压强度应力-应变曲线较平滑, 表明其延性以及能量吸收能力较好。

　　 (5) 从HDC试件抗压强度试验中试件的破坏状态可以看出, HDC试件在破坏时, 出现与受力方向相同的纵向裂缝, 裂缝宽度并不明显, 另外, 与压应力方向垂直界面, HDC试件四周边缘处会因为受压而出现沿压应力方向的裂缝, 但裂缝外侧纤维混凝土并没有剥落。这表明, 纤维的存在, 使得HDC试件在受压破坏时, 其破坏形式与一般混凝土有所不同。其在破坏时裂缝外侧的纤维混凝土仍然整体连接, 并没有被压碎散落, 这表明HDC试件在整体性方面的良好性能。

　　 (6) 通过分析HDC冻融试验应力-应变曲线, 得到HDC试件的冻融本构关系曲线。