外掺纤维混凝土冻融试验研究

柴光宇，周子涵，于忠诚

（1.辽宁省建设事业指导服务中心，辽宁 沈阳 110031；2.辽宁省建筑设计研究院项目管理咨询公司，辽宁 沈阳 110000；3.沈阳建筑大学后勤服务集团，辽宁 沈阳 110168）

混凝土的抗冻性作为混凝土耐久性的一个重要内容，是北方寒冷地区的实际工程中急待解决的问题。全国水工建筑物耐久性调查资料显示，在32座大型混凝土坝工程、40余座中小型工程中，22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题，东北严寒地区，兴建的水工混凝土建筑物，几乎100%工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。除三北地区发现混凝土的冻融破坏现象外，地处比较温和的华东地区混凝土建筑物也发现有冻融破坏现象［1］。由于外部环境无法改变，因此要改善实际工程中混凝土的冻融破坏情况必须从减少混凝土的内部缺陷和其组成材料着手。本文采用在混凝土基体中添加纤维的方法提高混凝土的抗冻能力。本文采用正交化试验设计［63］，通过单掺和混掺、长玄武岩纤维B和杜拉纤维C，采用更为接近实际温度变化情况的慢冻法，进行不同循环次数下的冻融循环试验，通过极差分析和方差分析，量化各掺料对混凝土冻融后的质量损失、抗压强度的影响程度，寻求可提高混凝土抗冻性能的纤维种类及最佳掺量，以提高混凝土冻融后的耐久性。

1试验设计与原材料

试验选用华日牌42.5普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m3；中砂：密度为2630kg/m3，细度模数为2.5；碎石：密度为2930kg/m3，粒径为5～12mm；香港恒律格雷斯（GRACE）公司提供的杜拉纤维，四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司提供的玄武岩纤维，其中玄武岩纤维抗拉强度1050MPa，弹性模量34GPa，短玄武岩纤维A长度20mm，长玄武岩纤维B长度30mm；杜拉纤维C抗拉强度76MPa，弹性模量3.793GPa，长度19mm。采用0.5的水灰比，0.002%掺用量的引气剂。国家水泥混凝土制品质量监督检验中心的检测报告表明，玄武岩纤维掺量为1.0～3.0kg/m3时，混凝土的抗渗性和抗冻性提高约50%［66］。本文取0、1.5和 2.5kg/m3。采用杜拉纤维常用掺量［67］：0.9kg/m3。正交化配比方案见表1，其中，SP-0为素混凝土，SP-1～SP-9采L9（33）正交设计。

试验试件尺寸为边长150mm标准立方体试件，每组3个，标准养护28d。采用慢冻法冻结温度为-18.6℃。冻融循环次数分别为0、25、50、75、100、125次，一个循环的时间为8h，冻、融各半。在达到龄期前4d将冻融试件投入20℃的水中浸泡，对比试件仍在标准养护室养护。到达龄期，待试件干透，进行抗压试验，通过试验测量抗压强度损失与质量损失研究其抗冻性。

表1 纤维混凝土冻融试验配比表（m3）

2试验结果

10组试件在不同冻融循环次数下抗压强度及损失率分别如表2、图1所示。

表2 试件不同冻融循环次数下抗压强度

图1 试件冻融循环后抗压强度损失率

质量损失是慢冻法评价冻融程度的另一个重要指标。冻融过程中根据不同抗冻标号进行数次失重率检测。10组试件不同冻融循环次数下质量损失率见表3。

表3 试件不同冻融循环次数下质量损失率（%）

3试验结果分析

3.1平均冻融损失率分析

分别以一次冻融循环下的混凝土的冻融损失率为指标，即对各组试件取抗压强度损失率平均值与质量损失率平均值，其结果见图2、图3。

图2 试件冻融循环后抗压强度损失率平均值

图3 试件冻融循环后质量损失率平均值

由图中可看出，素混凝土试件SP-0冻融循环后抗压强度损失率平均值远远超过其他试件。SP-8（混掺2.5kg/m3的短玄武岩纤维A和1.5kg/m3的长玄武岩纤维B）的混凝土试件冻融循环后的抗压强度损失率均值较小，为0.427%。抗压强度损失率平均值从大到小排序为：SP-4＞SP-6＞SP-5＞SP-2＞SP-7＞SP-9＞SP-1＞SP-3＞SP-8。质量损失率平均值从大到小排序为：SP-2＞SP-1＞SP-3＞SP-8＞SP-4＞SP-9＞SP-5＞SP-6＞SP-7。SP-2 （单掺1.5kg/m3长玄武岩纤维B）每次冻融后的质量损失率达到0.155%，高于试件SP-1（只掺引气剂）的平均值，但其他掺加纤维的试件均优于只掺引气剂的试件SP-1。

3.2极差分析

极差分析是正交试验的一种直观的分析方法，极差R的大小反映相应因素作用的大小。极差越大，表示该列因素的数值在试验范围内的变化，会导致试验指标在数值上有更大的变化。分别对抗压强度损失率与质量损失率进行极差分析，见表4、表5，结果显示：

（1）25次、50次和75次冻融循环后，三因素对混凝土的抗压强度损失率影响由大到小排序均为B＞A＞C，较优组合也为A0B1C2（1.5kg/m3的长玄武岩纤维B和0.9kg/m3的杜拉纤维C）；100次和125次冻融循环后，三因素对混凝土的抗压强度损失率影响由大到小排序不同，但较优组合均为A2B0C0（2.5kg/m3的短玄武岩纤维A）；

（2）25次冻融循环后，B因素（长玄武岩纤维）对混凝土的质量损失率影响优于C因素（杜拉纤维）和A因素（短玄武岩纤维）；50次冻融循环后，对混凝土的质量损失率影响由大到小排序均为A＞B＞C，较优组合为A1B2C0（1.5kg/m3的短玄武岩纤维A和2.5g/m3的长玄武岩纤维B）；75次、100次和125次冻融循环后，对混凝土的质量损失率影响由大到小排序为A＞C＞B，较优组合均为A2B2C2（混掺2.5kg/m3的短玄武岩纤维A，2.5kg/m3的长玄武岩纤维B和0.9kg/m3的杜拉纤维C）。

（3）除了25次冻融循环外，玄武岩纤维A和B对混凝土的抗压强度损失率的影响都优于杜拉纤维C，可见玄武岩纤维对混凝土的抗冻性有提高作用。25次和50次冻融循环后，玄武岩纤维A和B对混凝土的质量损失率的影响都优于杜拉纤维C；75次、100次和125次冻融循环后，短玄武岩纤维A的影响作用优于杜拉纤维C和长玄武岩纤维B，可见玄武岩纤维对混凝土的抗冻性有提高作用。

表4 纤维混凝土冻融循环后抗压强度损失率极差分析

3.3方差分析

利用SPSS13.0对混凝土冻融循环后抗压强度损失率和质量损失率进行单因变量多因素方差分析，数据见表6、表7，结果显示：

（1）三因素对混凝土冻融循环后抗压强度损失率的影响作用很小，各种纤维的影响力均达不到高度显著的程度；A因素对混凝土50次、75次和100次冻融循环后质量损失率影响作用都很显著，而B因素和C因素的影响作用不够显著。

（2）除25次冻融循环后，短玄武岩纤维A对混凝土质量损失率的影响都是最显著的。25次和50次循环后，短玄武岩纤维A和长玄武岩纤维B有不同表现，但二者都优于杜拉纤维C。75次、100次和125次冻融循环后，较优组合均为A2B2C2（混掺2.5kg/m3的短玄武岩纤维A，2.5kg/m3的长玄武岩纤维B和0.9kg/m3的杜拉纤维C）。

表6 纤维混凝土冻融循环后抗压强度损失率方差分析

表7 纤维混凝土冻融循环后抗压强度损失率方差分析

4结语

（1）引气剂的掺入使混凝土的抗压强度有所下降，纤维的添加对其抗压强度没有明显提高作用，甚至有下降的组别。分析其原因，纤维的掺入使混凝土试块内的含气量增大，纤维较长及掺量较大的组别，纤维的表面积较大，使抗压强度下降较多。

（2）冻融125次后，纤维混凝土试块SP-2（1.5kg/m3的长玄武岩纤维B）和SP-5（1.5kg/m3短玄武岩纤维A和1.5kg/m3长玄武岩纤维B和2.5kg/m3杜拉纤维C）抗压强度损失达到26.10%、27.70%，超过规范的25%。基准试件50次冻融后即破坏，其他7组试件的抗冻性均比基准试件好，纤维的掺入提高了混凝土抗冻性能。

（3）冻融125次后，纤维混凝土试块SP-1（只掺加引气剂），质量损失超过5%，达到破坏。其他掺加了纤维的混凝土试块质量损失均未达到破坏程度。短玄武岩纤维A对混凝土质量损失率的影响显著。抗冻性较优组合为A2B0C0（单掺2.5kg/m3的短玄武岩纤维A），较差组合是A0B0C0（只掺引气剂）。