高强轻骨料混凝土是指强度等级为LC30以上的轻骨料混凝土^[1], 其在工业与民用建筑工程中得到了广泛的应用, 然而应用于结构构件中的高强轻骨料混凝土随着强度的增加其脆性大、韧性小的缺点显得更为突出^[2], 因此如何在提高轻骨料混凝土强度的同时增加其韧性已成为该研究领域的热点之一。

　　 相关研究表明^[3,4], 纤维掺入混凝土中能显著改善混凝土的韧性, 纤维的这一特性正是高强轻骨料混凝土所欠缺的。目前对于纤维轻骨料混凝土韧性性能的研究主要集中于普通环境, 且试验纤维主要是钢纤维。然而, 对于严寒与寒冷地区, 混凝土构件的强度和韧性会受到不同程度的冻融损伤, 抗冻性是该地区混凝土耐久性设计的重要指标。同时塑钢纤维作为一种表面粗糙的单丝粗纤维, 它既能改善细合成纤维对硬化混凝土韧性提高有限的不足, 又能克服钢纤维易锈蚀、密度大、成本高等弱点^[5,6], 因此有必要研究冻融环境下塑钢纤维对轻骨料混凝土韧性的影响。

　　 本试验研究冻融循环次数变化和塑钢纤维掺量变化对粉煤灰陶粒混凝土弯曲韧性、冲击韧性的影响规律, 以期望为北方寒冷地区塑钢纤维轻骨料混凝土的应用提供一些理论依据。

　　 水泥:采用P·O42.5普通硅酸盐水泥;细骨料:河砂, 粒径≤5mm, 细度模数2.94, 堆积密1 575kg/m³, 含泥量2.1%;粗骨料:包头市某企业生产的圆球形粉煤灰陶粒, 主要性能指标见表1;外加剂:B2高效减水剂, 减水率20%, AH-1型引气剂, 实测混凝土含气量2.2%;塑钢纤维:沿纤维长度方向有波浪形压纹的异型塑钢纤维, 主要性能指标见表2。混凝土配合比按照《轻骨料混凝土技术规程》 (JGJ 51—2002) 中的松散体积法进行设计, 设计强度等级为LC40, 试验配合比见表3。

　　 试块的冻融采用快冻法。试件标准养护24d后水养4d, 然后进行冻融, 试件中心温度分别控制在 (-17±2) ℃, (8±2) ℃, 冻融次数分别为0, 50, 100, 150次, 冻融结束后对各组试件的弯曲韧性、抗冲击性能进行测定。试件尺寸取100×100×400, 每组3个试块, 弯曲韧性试验参考《纤维混凝土试验方法标准》 (CECS 13∶2009) 中的三分点加载方法, 试验装置见图1。抗冲击试验采用落锤式冲击试验机, 落锤质量3kg, 冲击高度300mm, 试验装置见图2。

　　 弯曲韧性表征混凝土在荷载作用下产生弯曲变形所吸收能量的能力。数据采集仪测得的试验数据经处理后绘制塑钢纤维轻骨料混凝土在150次冻融作用下的荷载-挠度曲线如图3所示。由图3可知, CA0试件几乎无法测得曲线下降段, 出现“一裂即断”的破坏现象, 具有极大的脆性, 试件CA3达到极限荷载后, 荷载急剧下降, 发生脆性断裂;试件CA6, CA9首先出现应变硬化, 达到峰值后荷载随着挠度的增大而减小, 然后又出现上升段, 即二次强化阶段, 最后平稳下降并趋于稳定, 呈现出良好的延性破坏。相比试件CA0, 试件CA6, CA9均具有较好的延性, 可见冻融环境下, 掺入适量塑钢纤维可大幅提高轻骨料混凝土的弯曲韧性。

　　 二次强化与塑钢纤维掺量有关。受力初期, 构件截面上的荷载-挠度关系呈线性增加趋势, 随着荷载的增加, 压应变与拉应变都相应地增加, 当拉应力值达到水泥基体的抗拉强度时, 受拉区基体开裂, 导致构件承载有效面积降低, 承载力下降, 从而曲线出现下降段。由于横跨裂缝之间的纤维具有拉结的作用, 因此试件开裂后仍具有一定的承载与变形能力, 随着裂缝进一步开展, 部分纤维从水泥基体中逐渐拔出甚至被拉断, 受拉区应变继续增加, 并且拉应变的增加速率大于压应变, 中和轴的位置向受压面上移, 参与工作的纤维随着中和轴的上移而增多, 纤维阻裂作用更加显著, 构件承载力逐渐提高, 导致曲线又出现上升段。

　　 韧性指标是衡量纤维混凝土工作性能的重要指标, 对于纤维混凝土弯曲韧性的评价指标还没有统一的方法, 目前比较流行的评价方法主要有美国ASTM-C1018法和ASTM-C1399法、日本JSCE-SF4法以及国内的剩余强度法^[7]。文献[8]综合对比了国内外各种韧性指标评价方法, 得出剩余强度法能够较好地评价钢纤维轻骨料混凝土韧性, 因此, 本文选取剩余强度法来评定塑钢纤维轻骨料混凝土弯曲韧性, 混凝土剩余弯曲强度σ_r的计算公式如下:

　　 $\sigma {}_{\text{r}}=\frac{a{}_1{\rm P}{}_1+a{}_2{\rm P}{}_2+a{}_3{\rm P}{}_3+a{}_4{\rm P}{}_4+a{}_5{\rm P}{}_5}{a{}_1+a{}_2+a{}_3+a{}_4+a{}_5}\times \frac{L}{bh{}^2}(1)$

　　 式中:a₁, a₂, a₃, a₄, a₅为加权系数, 可分别取0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.0;P₁, P₂, P₃, P₄, P₅分别为荷载-挠度曲线上峰值抗弯荷载所对应挠度δ值的1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍。

　　 按式 (1) 计算塑钢纤维轻骨料混凝土剩余弯曲强度值, 计算结果见表4。由表4知, 随塑钢纤维掺量的增加轻骨料混凝土剩余弯曲强度呈先增后降的趋势, 试件CA6的剩余弯曲强度高于试件CA3, CA9, 分别提高了25%, 13%, 这表明CA6试件弯曲开裂后具有相对较高的弯曲韧性。

　　 抗冲击性能表示混凝土材料在动力荷载作用下吸收能量的能力。塑钢纤维轻骨料混凝土的抗冲击性能用初裂耗能W₁及破坏耗能W₂表示, 分别采用下式计算:

　　 $\begin{array}{l}W{}_1={\rm N}{}_{1}mgh(2)\\ W{}_2={\rm N}{}_{2}mgh(3)\end{array}$

　　 式中:N₁为初裂次数;N₂为破坏次数;m为落锤质量;g为重力加速度;h为冲击高度。

　　 不同冻融循环次数下塑钢纤维轻骨料混凝土初裂耗能和破坏耗能见表5, 根据表5破坏耗能数据绘制的图见图4。

　　 由表5可知, 未冻融时, 轻骨料混凝土初裂耗能随纤维掺量的增加而增加, 由于混凝土初裂耗能与底面受拉区水平方向分布的纤维数量有关, 初裂时, 裂缝较小, 裂缝处的纤维较少, 即能够充分抵消冲击耗能的纤维较少, 因此塑钢纤维对轻骨料混凝土初裂耗能的影响并不明显, 相比试件CA0, 试件CA9的初裂耗能仅提高95%。各试件初裂耗能随冻融次数的增加逐渐降低, 其中试件CA9受冻融影响最大, 150次冻融后, 其初裂耗能稍弱于试件CA6。其原因是:虽然塑钢纤维具有较好的增韧作用, 但掺入轻骨料混凝土的同时也引入了纤维-浆体薄弱界面, 冻融作用会使得纤维与基体的粘结强度降低, 导致纤维-基体薄弱界面进一步恶化, 因此并不是纤维掺量越多, 初裂性能越好。试验结果表明, 冻融环境下, 试件CA6的初裂耗能优于其他试件。

　　 结合表5及图4 (a) , 试件CA0主要依靠骨料与基体和基体之间的物理作用来抵消冲击耗能, 因此破坏耗能较低;发生初裂后, 裂缝迅速扩展至上表面, 发生脆性断裂。各试件破坏耗能随着纤维掺量的增加而大幅提高。在破坏阶段, 纤维充分发挥了增韧、阻裂的特性, 大掺量的试件CA6, CA9, 裂缝开展状态大致分为两个阶段:第一阶段为裂缝开展阶段, 即初裂缝发展到中和轴的过程, 随裂缝逐渐上移至中和轴, 抵消冲击耗能的纤维数量逐渐增多;第二阶段为破坏阶段, 即裂缝从中和轴位置逐渐延伸至上表面的过程, 这一阶段非常缓慢, 大部分冲击耗能都发生在这一阶段。其中试件CA9的累积耗能是试件CA0的57倍, 可见塑钢纤维能极大地提高轻骨料混凝土的破坏耗能。

　　 结合表5及图4 (b) , 各试件随冻融次数的增加, 破坏耗能逐渐降低且降低幅度有明显差异, 以未冻融为基准, 冻融150次后, 试件CA0, CA3, CA6, CA9的累积破坏耗能分别降低了66.4%, 23.1%, 45.7%, 32.0%, 因此掺有塑钢纤维的轻骨料混凝土具有一定的抗冻性能。与初裂耗能不同的是, 冻融后各试件破坏耗能与塑钢纤维的掺量成正比, 且随塑钢纤维掺量的增加大幅增加。这表明随裂缝的进一步扩展, 纤维掺量增加带来的增韧作用大于纤维-基体薄弱面带来的缺陷。冻融150次后, 试件CA9的累积破坏耗能是试件CA0的115倍, 可见轻骨料混凝土中掺入塑钢纤维能极大地提高冻融环境下的冲击韧性。

　　 轻骨料混凝土的冻融破坏是由其内部微小损伤逐步累积所致, 随着冻融过程持续, 混凝土中骨料与浆体粘结的嵌固结构由于冻胀作用界面过渡区裂缝变宽, 整体空间网架结构被破坏, 导致骨料-浆体之间的粘结力降低。根据混凝土抗冻性经典理论中Powers提出的静水压力假说, 由于骨料大孔中的孔溶液结冰迫使孔溶液向外迁移, 孔溶液在可渗透的界面过渡区中移动的同时必须克服黏滞阻力, 从而产生静水压力, 形成破坏应力, 引起水泥浆体开裂及骨料-浆体界面分离, 最终表现为强度及韧性的降低^[9]。在轻骨料混凝土中掺入塑钢纤维后, 塑钢纤维在轻骨料混凝土中呈现不规则的分布状态, 同时塑钢纤维之间相互搭接, 在整个混凝土空间结构中形成复杂的网状结构, 这不仅抑制轻骨料混凝土的早期开裂, 内部微裂缝的扩展, 还可以限制轻骨料混凝土基体破坏的速度及轻骨料混凝土因冻胀而形成的裂缝, 同时塑钢纤维的掺入会使轻骨料混凝土的含气量增加, 起到“引气”的效果^[10], 在混凝土中形成均匀分布不相连的微孔, 增加了轻骨料混凝土中的有利孔数量, 延缓了毛细孔渗透压力和水结冰时的冻胀压力。最终表现为掺有塑钢纤维的轻骨料混凝土具有良好的抗冻性能。

　　 (1) 冻融循环后, 大掺量的塑钢纤维能使得轻骨料混凝土荷载-挠度曲线出现二次强化, 试件CA6, CA9都具有良好的弯曲韧性, 其中试件CA6弯曲韧性最佳。

　　 (2) 塑钢纤维对轻骨料混凝土的初裂耗能影响不明显, 但能显著提高其破坏耗能, 且提高的程度与塑钢纤维的掺量成正比, 试件CA9的破坏耗能是试件CA0的57倍。

　　 (3) 冻融环境下, 掺入塑钢纤维能减缓轻骨料混凝土破坏耗能的冻融损伤, 提高轻骨料混凝土抗冻性能。冻融150次后, 试件CA9的破坏耗能是试件CA0的115倍。

　　 (4) 综合轻骨料混凝土弯曲韧性、冲击韧性性能指标, 塑钢纤维掺量为9kg/m³的轻骨料混凝土在冻融环境下具有良好的韧性。