聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 1.7MB 70 页 15积分

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摘要

我国北方和沿海地区冬季混凝土工程因遭受低温和除冰盐侵蚀发生的严重破

坏，造成了巨大的损失。为了改善混凝土的耐久性不足问题，工程中经常添加外

加剂等方式来提高混凝土的强度。其中纤维混凝土的广泛应用给土木工程届带来

了新的革命，国内外众多学者也开始了对纤维混凝土的力学性能的研究。本文通

过对聚丙烯纤维混凝土水冻和盐冻循环试验来研究其耐久性能，并建立了冻融循

环的损伤模型，主要开展的工作如下：

（1）介绍了纤维混凝土的研究背景、纤维增强机理以及盐冻机理，对试验的

大致方向有了全局性的掌握。

（2）结合第二章的作用机理，聚丙烯单丝纤维在混凝土基体中有增强混凝土

强度以及阻裂效应等，本文通过研究不同水灰比的聚丙烯纤维混凝土和普通在不

同冻融方式即水冻和盐冻循环后的力学性能，得出了水灰比、冻融方式以及聚丙

烯纤维和引气剂共同作用分别对混凝土的力学性能的影响。

（3）利用冻融次数对混凝土进行了可靠性分析，建立了损伤变量，推导出了

冻融损伤模型，并通过试验得出的数据拟合出了损伤模型的参数。

（4）将拟合出的损伤曲线与试验得出的弹性模量值对比，弹性模量均落在曲

线内，与理论相符，证明了其正确性和适用性。

本文分别进行了聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土的水冻和盐冻试验，对比分

析试验数据解释了纤维增强作用和纤维混凝土的抗盐冻性机理，推导出的损伤模

型对比试验数据有其合理性并有实用意义，对纤维混凝土的耐久性预测和鉴定有

重要的意义。

关键词：聚丙烯纤维水灰比水冻盐冻冻融损伤模型



ABSTRACT

In the north of China and coastal areas in winter, due to the low temperature and

the deicing salt damage, the concrete construction was serious damaged, and caused

huge losses which can not be ignored. In order to improve the durability of concrete

people often adding additives and some other ways to improve the strength of concrete.

The widely application of fiber concrete brings new revolution to the civil engineering

session, A lot of home and overseas scholars began to study mechanical properties of

fiber reinforced concrete. Based on the test of polypropylene fiber concrete of the cycle

of freezing and thawing test in the water or salt solution to study the durability of the

concrete, the main work is as follows:

(1) Introduced the fiber concrete research background, the mechanism of fiber

reinforced and deicer frost, the direction of test with overall grasp.

(2) Combining with the mechanism in the second chapter, monofilament

polypropylene reinforced concrete strength and crack resistance effect in concrete,

polypropylene fiber concrete through the study of different water-cement ratio in this

paper and the common in different freeze-thaw way that freeze and after cyclic

mechanical properties, the water cement ratio, effects of freezing and thawing and

polypropylene fiber and air entraining agent interaction respectively on the mechanical

properties of concrete.

(3) The number of freeze-thaw cycles on the concrete were analyzed; the damage

variable, derived the freeze-thaw damage model and damage model, parameters of the

obtained by data fitting test.

(4) Compared with elastic modulus will damage curves with the experimental

values obtained by the fitting out, elastic modulus on the curve, consistent with the

theory, prove its correctness and applicability.

In this paper the polypropylene fiber concrete and ordinary concrete freeze and test,

comparative analysis of test data to explain the fiber reinforced effect and fiber concrete

frost and salt resistance mechanism, test data comparison damage derived model has its

rationality and practical significance, has the important significance of durability

prediction and evaluation of the fiber reinforced concrete.

Key word: polypropylene fiber, water cement ratio, water freezing,

salt freezing, damage model of the freezing-thawing



中文摘要

ABSTRCT

摘要 ................................................................ 1

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 研究背景 ..................................................... 1

1.2 纤维混凝土及其研究现状 ....................................... 4

1.2.2 聚丙烯纤维混凝土的国内外研究现状 ......................... 6

1.2.3 聚丙烯纤维混凝土 ......................................... 7

1.3 本文主要工作 ................................................. 8

第二章纤维混凝土抗冻耐久性机理 ..................................... 9

2.1 经典理论 ..................................................... 9

2.2 混凝土盐冻破坏机理 .......................................... 11

2.3 纤维增强机理 .............................................. 12

2.3.1 复合材料理论 ............................................ 13

2.3.2 纤维间距理论 ............................................ 14

第三章纤维混凝土的水冻循环实验 .................................... 17

3.1 混凝土抗冻试验方法 .......................................... 17

3.1.1 各国的抗冻试验方法标准 .................................. 17

3.2 实验设计 .................................................... 18

3.2.1 实验方案 ................................................ 18

3.2.2 试验步骤 ................................................ 20

3.3 冻融前后外观的比较及质量损失 ................................ 21

3.3.1 冻融前后混凝土的外观比较 ................................ 21

3.3.2 冻融前后混凝土的质量损失 ................................ 23

3.3.3 结论 .................................................... 24

3.4 冻融前后的相对动弹模量的比较 ................................ 25

3.4.1 原始数据处理 ............................................ 25

3.4.2 混凝土相对动弹模量与水灰比及掺加聚丙烯纤维与否的关系 .... 25

3.4.3 结论 .................................................... 27

3.5 冻融前后抗压强度的比较 ...................................... 27

3.5.1 原始数据处理 ............................................ 27

3.5.2 混凝土的抗压强度与水灰比及聚丙烯纤维掺加与否的关系 ...... 28



3.6 弹性模量与冻融次数及水灰比的关系 ............................ 31

3.6.1 原始数据处理 ............................................ 31

3.6.2 混凝土的弹性模量随冻融次数的变化 ........................ 31

3.6.3 结论 .................................................... 32

3.7 本章小结 .................................................... 33

第四章纤维混凝土的盐冻循环实验 .................................... 34

4.1 试验设计 .................................................... 34

4.1.1 试验方案 ................................................ 34

4.2 盐冻后各性能的对比情况 ...................................... 34

4.2.1 盐冻后外观比较及质量损失 ................................ 34

4.2.2 盐冻后相对动弹模量的比较 ................................ 36

4.2.3 抗压强度 ................................................ 37

4.2.4 弹性模量 ................................................ 38

4.2.5 结论 .................................................... 40

4.3 盐冻循环与水冻循环后力学性能的对比 .......................... 40

4.3.1 盐冻循环与水冻循环后力学性能的曲线对比及分析 ............ 40

4.3.2 结论 .................................................... 43

4.4 本章小结 .................................................... 44

第五章纤维混凝土的冻融可靠性分析及冻融损伤模型 .................... 45

5.1 纤维混凝土的冻融可靠性分析 .................................. 45

5.1.1 冻融可靠性分析的重要性及其发展概况 ...................... 45

5.1.2 混凝土冻融破坏的不确定性 ................................ 46

5.1.3 利用冻融循环次数进行可靠性分析 .......................... 46

5.2 纤维混凝土冻融损伤模型 ...................................... 49

5.2.1 损伤理论的分类 .......................................... 49

5.2.2 混凝土损伤理论的研究现状和发展趋势 ...................... 50

5.2.3 混凝土经典损伤模型 ...................................... 51

5.3 纤维混凝土冻融损伤模型 ..................................... 55

5.3.1 纤维混凝土冻融损伤方程和拟合曲线 ........................ 55

5.3.2 理论拟合曲线与试验抗压强度损伤值比较 .................... 58

5.4 本章小结 .................................................... 59

第六章结论与展望 .................................................. 60

6.1 总结 ........................................................ 60



6.2展望 ............................................................ 60

参考文献 ........................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 66

致谢 ............................................................... 67



第一章绪论

第一章绪论

1.1 研究背景

混凝土作为建筑材料的一种在工程建设等各领域广泛使用已经超过了 150 多

年。19 世纪 20 年代发明出波特兰水泥以来，混凝土材料应用越来越广，其应用技

术也同样不断传播和发展，己经成为现代土木工程中用量最大、用途最广、无法

抛弃的建筑材料，当之无愧的称为了当今社会建设的基础。混凝土在日常生活中

已经无处不在，很多方面都直接或间接地涉及到混凝土。而目前全世界每年混凝

土材料使用量已经超过 100 亿吨，混凝土材料是人类与自然界进行物质交换活动

中用量最大的人造材料。可以肯定的是，在当今和今后很长一段时间内，混凝土

材料仍是最主要的工程结构材料之一。

由于钢筋混凝土结构充分发挥了钢筋与混凝土各自的优点，且造价较低，因

而通常是土木工程结构设计中的首选形式，应用范围非常的广泛。很长时间以来，

人们一直把混凝土看成是一种耐久性非常好的材料。然而，将近半个世纪混凝土

的应用以来，混凝土结构和建筑物过早劣化，由于这种原因造成的维修、加固费

用和拆除重新修建的费用巨大得让人吃惊。人们一直侧重于研究混凝土的力学性

能和整体结构形式，而忽视了混凝土结构的耐久性问题，对混凝土耐久性的研究

相对滞后，以至于大量的混凝土结构由于各种各样的耐久性原因提前失效，未能

达到设计目标预期的使用期。混凝土耐久性已经成为土木工程界亟需解决的重大

问题之一。

中国是一个发展中国家，国家基础设施建设日益高涨。我国 2010 年水泥年产

量预计达 15 亿吨，按照此规模，我国 2010 年的混凝土结构的建筑面积将达到 60

亿立方米

[1]

。然而，我过 20 世纪 90 年代前修建的海港工程，一般使用 10～20 年

就会出现严重的钢筋修饰，结构的使用寿命基本达不到设计要求。在 1986 年前针

对我国沿海港口工程混凝土结构破坏调查表明，80%以上的港口工程都发生了严重

的或较严重的钢筋锈蚀破坏。据调查，我过 1998 年铁路隧道结构受腐蚀裂损的共

有734 座，1990～1997 年隧道修补费用达到了 3.56 亿元左右，2001 年调查显示，

全路有 3000 多孔钢筋混凝土发生了钢筋锈蚀，有 2300 多孔预应力混凝土发生碱

骨料反应，加固和修补投资约 4亿元

[2]

。如果混凝土的耐久性水平低下，那么在 5

至20 年之后，浪费在混凝土维修加固和补强上的费用将会逐年增加。因此我国在

未来一段时期内面对的混凝土结构耐久性问题就越发突出。据统计，我国到本世

聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能研究



纪初就已经约有 23.4 亿立方米（占全国总建筑面积的 60%）的混凝土结构面临耐

久性失效或急需安全评估与加固处理

[3]

。

在发达国家，也同样面临着同样的混凝土耐久性问题。据估算，建筑业全部

资源的 40%都用于对现有结构的维护和加固，并且每年都在增加，用于新建的仅

占60%。The National Research Council 调查发现，美国每年用于基础设施维修的费

用将近 500 亿美元，而每年用于新建的道路、桥梁和建筑的费用在 1000 亿美元。

英国早期在英格兰花费 2800 万英镑建造的 11 座混凝土高架桥，到 1989 年的维修

耗资已经达到了原来建造费用的 1.6 倍，4500 万英镑之多，预计 15 年后更要高达

1.2 亿英镑累计接近初始建设费用的 6倍

[4]

。

混凝土结构耐久性是指结构在设计要求的目标使用期（设计基准期）内，不

用耗费大量资金加固处理仍然能保证其安全、使用功能以及外观要求的能力。混

凝土结构的破坏是由混凝土或钢筋材料化学性质、物理性质以及几何尺寸大小的

变化而引起的混凝土构件承载力减小，降低了结构的安全性。所以，混凝土结构

的耐久性应当从研究材料、构件和结构三个方面开展。

混凝土的耐久性是决定混凝土使用寿命的关键因素，混凝土耐久性也因此成

为全世界普遍关注的问题。20 年代世纪 80 年代初，著名水泥混凝土材料专家吴中

伟

[5]

从第八届国际水泥化学会议的预备会给中国带回一个重要信息：混凝土耐久性

出现了危机。1991 年在法国召开的“第二届混凝土耐久性会议”上，Mehta 教授

在“混凝土耐久性——50 年的进展”的主题报告中指出，当今世界混凝土破坏的

主要原因是寒冷气候下的冻害、钢筋锈蚀、侵蚀环境下的物理化学作用等

[6]

。

在许多地区，冻融循环作用以及除冰盐的加剧作用是造成混凝土劣化的主要因

素。暴露在空气中的桥梁、道路、水工结构以及高寒地区混凝土的破坏一般是冻

融作用或者冻融与钢筋锈蚀的复合作用造成的，混凝土的抗冻性已成为混凝土耐

久性中的首要问题。常以混凝土的抗冻性作为混凝土耐久性的主要标准或综合评

价指标，也有一些国家直接把抗冻性试验称为耐久性试验。混凝土的抗冻耐久性

是混凝土在极度潮湿的环境中，多次冻融循环后仍保持其使用性能的能力。对含

水的多孔材料而言，在反复的冻融循环作用下，逐步开裂、剥蚀一直到结构的溃

散是常见的破坏形式。高孔隙率的水泥浆对冰冻作用非常敏感，以致混凝土在寒

冷气候下经历一个冬季就可能破坏。

我国地域跨度较广，地形多变，气候结构复杂，差异性明显，混凝土结构耐久

性呈现出“南锈北冻”的特征，北方常是以冻害及盐冻破坏为主，南方则受海洋

气候影响，混凝土碳化或氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀从而导致混凝土耐久性降低。

除上述此些病害之外，还有钢筋的锈蚀与锈胀、受力产生的裂缝与破损、新老结

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摘要：

摘要我国北方和沿海地区冬季混凝土工程因遭受低温和除冰盐侵蚀发生的严重破坏，造成了巨大的损失。为了改善混凝土的耐久性不足问题，工程中经常添加外加剂等方式来提高混凝土的强度。其中纤维混凝土的广泛应用给土木工程届带来了新的革命，国内外众多学者也开始了对纤维混凝土的力学性能的研究。本文通过对聚丙烯纤维混凝土水冻和盐冻循环试验来研究其耐久性能，并建立了冻融循环的损伤模型，主要开展的工作如下：（1）介绍了纤维混凝土的研究背景、纤维增强机理以及盐冻机理，对试验的大致方向有了全局性的掌握。（2）结合第二章的作用机理，聚丙烯单丝纤维在混凝土基体中有增强混凝土强度以及阻裂效应等，本文通过研究不同水灰比的聚丙烯...

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