纤维增强自密实轻骨料混凝土抗冻性能试验研究

董健苗　庄佳桥　王亚东　余浪　王慧敏

摘  要：将长度均为10 mm，体积掺量为0.8 kg/m3的聚丙烯纤维、体积掺量为2.0 kg/m3的剑麻纤维分别掺加到强度等级为C40的自密实轻骨料混凝土（SCLC）中进行抗冻融循环试验，测试其抗压强度损失率和质量损失率.采用线性回归的方法，研究建立了3种SCLC试块不同冻融循环条件下抗压强度线性回归预测模型.与空白样对比，250次冻融循环试验后，剑麻纤维SCLC和聚丙烯纤维SCLC的质量损失率分别降低了2.12%、2.58%，抗压强度损失率分别降低了3.10%、4.30%.试验数据表明，在不同冻融循环次数下，两种不同纤维制备的SCLC的抗冻性均得到了显著提高，其中掺加聚丙烯纤维的SCLC改善效果要优于掺加剑麻纤维的SCLC.

关键词：自密实轻骨料混凝土;剑麻纤维;聚丙烯纤维;抗冻性 ;抗压强度;质量损失率

中图分类号：TU528.041  DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.002

0引言

有关数据表明，国内外约一半混凝土建筑存在冻害现象.我国幅员辽阔，气候环境复杂，特别是东北地区，混凝土工程存在部分或大面积的冻融灾害[1-3].混凝土结构因时常遭受冻融循环作用，性能会出现不同程度的降低[4-5]，甚至会被破坏.受到冻融破环的建筑物所造成的经济损失远远高于建筑总成本，因此，研究如何提高混凝土的抗冻性是十分必要的.

自密实轻骨料混凝土（SCLC）是在自密实混凝土技术基础上，用轻骨料代替普通骨料配制的一种表观密度小于1 950 kg/m3的新型高性能混凝土，它较好地解决了普通混凝土自重大和施工时需要振捣等问题[6].为了提高SCLC的耐久性，研究人员通常会往里面添加碳纤维、钢纤维等来增加SCLC的密实度;而碳纤维、钢纤维价格昂贵，其在混凝土中的应用和发展受到了一定限制[7].本文在前期研究的基础上，用长度为10 mm，掺量为2.0 kg/m3的剑麻纤维、0.8 kg/m3的聚丙烯纤维替换碳纤维、钢纤维等分别掺加到强度等级为C40的自密实轻骨料混凝土中进行冻融循环试验，研究SCLC的抗冻性能.

1试验

1.1   原材料

水泥：广西鱼峰牌P·O42.5级水泥.

粉煤灰：I级灰，来宾电厂生产，化学成分见表1.

陶粒：湖北宜昌宝珠陶粒有限公司产900级页岩圆球型陶粒，相关技术指标见表2.

砂：柳州产河砂，中砂，表观密度为2 800 kg/m3，细度模数为2.8，级配合格.

水：试验用自来水.

减水剂：苏州弗克牌聚羧酸高效减水剂，减水率为30%.

聚丙烯纤维：深圳维特耐新材料有限公司生产，短纤维，长度为10 mm，直径18～22 μm，基本性能见表3.图1为聚丙烯纤维的扫描电镜照片，从照片可以看出聚丙烯纤维表面平滑，呈规则的杆状.

剑麻纤维：广西剑麻集团生产，平均直径   305 μm，长10 mm，相关参数见表3.纤维内部为中空结构，有腔体，腔体大小呈不规则分布[8].图2为剑麻纤维的扫描电镜照片，從图中可以看出剑麻纤维的表面凹凸不平，呈不规则的长条形状.

采用绝对体积法进行配合比设计，如表4所示.

1.2   试块制作和试验方法

SCLC试件为棱柱体试块，尺寸为100 mm×100 mm×300 mm.试块分为不掺纤维、掺剑麻纤维以及掺聚丙烯纤维3大组，按顺序分别编号为K1—K12、S1—S12、P1—P12共36个小组，合计108个试件.

试块采取快冻法试验，试验过程为标准养护24 d，泡进水中养护4 d，其水面高出试块顶部   30 mm，水温控制在20 ℃左右，养护完成后取出试块.

擦干试件表面后按编号依次称取试件的重量，随后把试件放进冻融箱里进行冻融循环.首先将试块周围的温度在2 h内降到-18 ℃，并在-20 ℃～-18 ℃之间持续4 h，之后向箱子里注入温水，使试件进入融化状态，并使温度在18 ℃～20 ℃之间保持4 h. 25次冻融循环结束，按编号顺序取出试块，然后擦干表面的水，观察记录混凝土表面破损和脱落的情况.烘干试块后进行称重和测量抗压强度，并记录试验数据和现象，其余组继续进行50次、75次、100次、……、250次冻融循环试验.冻融试验仪器满足混凝土抗冻试验要求和规范要求，具体如图3所示.

2试验结果与分析

2.1   冻融破坏形态分析

图4表示100次、150次、200次、250次冻融循环作用下3种SCLC试块表面脱落情况的比较.以图4（a）为例，SCLC试块从上往下分别为不掺纤维的SCLC，掺聚丙烯纤维的SCLC以及掺剑麻纤维的SCLC;图4（b）、图4（c）、图4（d）的试块排列顺序同上.

从图中可以看出，不掺纤维的SCLC相比添加纤维的SCLC，其起皮脱落的过程随着冻融循环次数的增加变得更为迅速，破坏情况更加严重;到了250次冻融循环，不掺纤维的SCLC试件表面凹凸不平，边角有较多的脱落物，而掺加纤维的两种SCLC脱落情况较为轻微，其试块边角依然保持完好.比较掺聚丙烯纤维和剑麻纤维的这两种SCLC发现，两种试块都较为完整，没有很严重的破损脱落现象.这是由于不掺纤维的SCLC试件表面的陶粒失去了混凝土的固定，与混凝土连接作用减弱，最后陶粒剥落使得试件表面变得凹凸不平，而纤维的添加能有效地抑制SCLC表面的脱落，提高混凝土的抗冻性能.

2.2   SCLC试块微观形貌分析

图5—图7分别表示SCLC、聚丙烯纤维SCLC、剑麻纤维SCLC试块养护28 d后的扫描电镜照片，照片放大倍数为5 000倍.

图5 SCLC水化产物周围形成了较多的孔隙，孔隙形状大小不一，C-S-H凝氢氧化钙晶体各自聚集在一起，分布并不均匀，这是由于粗骨料表面存在较厚的水膜，水泥水化过程中，析出的CH晶体会在粗骨料和浆体的界面过渡区中大量聚集，使得孔隙率增加.图6的聚丙烯纤维SCLC中的水化产物则分布更加均匀、紧凑，这是由于基体的水化产物在聚丙烯纤维周围富集，填充了基体与纤维之间的孔隙;此外，聚丙烯纤维细度高，平均直径为 18～22 μm，0.8 kg/m3体积掺量的聚丙烯纤维在SCLC试块中分布数量很大，均匀分散之后会形成紧密的三维乱向分布的纤维网，对混凝土的早期收缩干缩，能够起到很好的约束作用，从而有效阻止收缩裂缝的产生，其抗冻性也得到了提高.从图7中可以看出，剑麻纤维SCLC的孔隙率比空白SCLC的要小一些，其密实度要高，但与聚丙烯纤维SCLC相比，剑麻纤维的添加使SCLC的孔隙数量稍有增加，且孔隙分布更加集中，影响了SCLC抗冻性能的提升，这是由于剑麻纤维直径过大以及表面缺陷过多所致.

2.3   试验数据分析

2.3.1   质量损失率

3种SCLC试块在不同冻融循环条件下质量的变化如图8所示.

由图8可知，随着冻融循环次数的增加，3种SCLC的质量损失率曲线都呈现上升的趋势，其中，不掺纤维的SCLC在不同的冻融循环次数下质量损失率最大，掺剑麻纤维或者聚丙烯纤维的SCLC的质量损失率有所降低，经过250次的冻融循环，质量损失率分别为1.93%、1.47%，比不掺纤维分别降低了2.12%、2.58%.

2.3.2   抗压强度损失率

试验试块抗压强度损失率计算公式如式（1）所示：

[Δfc=fc0-fcnfc0×100%]   （1）

式中：[Δfc]——多次凍融循环条件下试块的抗压强度损失率; [fc0]——对比用的一组试验试件冻融前抗压强度值（MPa），精确至0.1 MPa; [fcn]——多次冻融循环后一组试验试块的抗压强度值（MPa），精确至0.1 MPa.

图9是不同冻融循环条件下，SCLC试块抗压强度损失率变化曲线.

由图9可知，3种SCLC抗压强度损失率总体呈上升趋势.与不掺纤维的SCLC相比，掺聚丙烯纤维或剑麻纤维的SCLC在不同的冻融循环次数下，抗压强度损失率均有所降低，其中降低幅度最大的为聚丙烯纤维SCLC.经过250次的冻融循环，剑麻纤维SCLC以及聚丙烯纤维SCLC的抗压强度损失率分别为11.20%、10.00%，比不掺纤维的SCLC降低了3.10%、4.30%，各组SCLC试块均能满足抗压强度损失率不大于25%的要求.

通过比较分析3种SCLC的质量损失率和抗压强度损失率，可以发现聚丙烯纤维和剑麻纤维都能够提高SCLC的抗冻性能，其中提升效果较优的是聚丙烯纤维.

2.4   抗冻性试验结果机理分析

SCLC的抗冻能力主要与内部裂缝数量、孔隙大小有关.内部裂缝产生的主要原因是由于早期收缩应力产生的，三维乱相分布在混凝土内部的纤维能够起到骨架支撑的作用，有利于抵消部分早期收缩应力;纤维还能够有效切断毛细管通道，减少因泌水而形成的连通孔隙，从而阻碍了水分进入混凝土中，减少了因结冰膨胀造成的损害.纤维较高的弹性模量使得混凝土在受到冻融循环影响时不会因承拉过大而发生变形破坏.剑麻纤维与聚丙烯纤维相比，其直径大、质地较硬，在浇筑掺了剑麻纤维的SCLC试件时，一定程度上阻碍了砂浆和骨料的自重沉降，使其不能均匀地分布在混凝土内部，使得混凝土孔隙率增大;其次，剑麻纤维是亲水性材料，表面缺陷较多、腔体大小不一、形状不规则，使试件水化反应后的C-S-H胶凝呈片状且不规则分布，从而形成微小的渗水通道，其水分在受到冻胀效果影响时，混凝土内部便会形成微小裂缝，所以剑麻纤维SCLC相对于聚丙烯纤维SCLC来说更容易发生冻胀破坏.

2.5   抗压强度线性回归预测模型分析

lm函数是R语言中常见的函数，用来拟合回归预测模型，也是拟合线性回归预测模型最基本的函数，通过lm函数能够建立出3种SCLC试块在不同冻融循环条件下抗压强度线性回归预测模型，分别为：

[y1=48.2x1-0.02]  （2）

[y2=56.46x2-0.02]（3）

[y3=51.7x2-0.02]  （4）

式中：[y1]、[y2]、[y3]——SCLC、聚丙烯纤维SCLC与剑麻纤维SCLC试块的抗压强度预测模型拟合值;[x1]、[x2]、[x3]——SCLC、聚丙烯纤维SCLC与剑麻纤维SCLC试块受到的冻融循环次数.

通过线性回归预测模型（式（2）—式（4））可以计算出空白SCLC、聚丙烯纤维SCLC与剑麻纤维SCLC不同冻融循环次数下的抗压强度预测模型拟合值，并与其实测值进行对比.空白SCLC、聚丙烯纤维SCLC与剑麻纤维SCLC试块的对比情况如图10所示.

图10中的散点距离斜线越近，说明试块实测值与抗压强度预测模型拟合值越吻合.由图10可知，空白SCLC、聚丙烯纤维SCLC与剑麻纤维SCLC的抗压强度实测值与抗压强度线性回归预测模型拟合值吻合情况都较为良好，其中，剑麻纤维SCLC明显优于其他两种纤维，说明该模型具有很好的可信度，在实际的工程应用中有很好的参考价值.

3结论

1）与不掺纤维的SCLC相比，在不同的冻融循环次数下，掺剑麻纤维或者掺聚丙烯纤维的SCLC的质量损失率和抗压强度损失率都有明显的减少，其中掺聚丙烯纤维的SCLC减少的最多;以250次的冻融循环为例，剑麻纤维SCLC的质量损失率和抗压强度损失率分别降低了2.12%、3.10%，聚丙烯纤维SCLC的质量损失率和抗压强度损失率分别降低了2.58%、4.30%.

2）随着冻融循环次数的增加，空白组SCLC试块表面起皮和陶粒脱落情况较为严重;在添加剑麻纤维或者聚丙烯纤维后，SCLC试件表面起皮和陶粒脱落的情况有明显的改善，其中添加聚丙烯纤维的SCLC改善最为明显.

3）扫描电镜结果显示，与空白组SCLC相比，掺聚丙烯纤维的SCLC内部水泥水化产物分布更加均匀，密实度更高，所以抗冻性能更加优良;而掺剑麻纤维的SCLC内部孔隙数量虽然减少，但孔隙分布较为集中，使得混凝土内部不同的地方密实度不同，有的松散，有的密实，所以其抗冻性能的提升不如掺聚丙烯纤维的SCLC.

4）3种SCLC的抗压强度与冻融循环次数之间存在良好的线性关系，所求得的抗压强度线性回归预测模型都非常显著，抗压强度实测值与预测模型拟合值较为吻合，其中，剑麻纤维吻合情况最好.

参考文献

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[8] 邵云南. 剑麻纤维水泥混凝土（路面）配合比试验研究[D]. 武汉：武汉工程大学， 2014.

Study on frost resistance of self compacting lightweight aggregate

concrete with sisal fiber and polypropylene fiber

DONG Jianmiao1， ZHUANG Jiaqiao1，WANG Yadong*2， YU Lang1， WANG Huimin

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Liuzhou Railway Vocational and Technical College， Liuzhou 545616， China）

Abstract： Polypropylene fiber and sisal fiber with centent of 0.8 kg/m3 or 2.0 kg/m3 and a length of 10 mm were respectively added to self compacting lightweight aggregate concrete with strength grade C40 for the freeze-thaw cycle experiment to test the compressive strength loss rate and mass loss rate.    Compared with the blank sample， the respective mass loss rate of sisal fiber SCLC and polypropylene fiber SCLC are reduced by 2.12% and 2.58% after 250 freeze-thaw cycles， and the respective strength loss rate is reduced by 3.10% and 4.30%. The experimental data show that under different freeze-thaw    cycles， the frost resistance of SCLC prepared by two different fibers is significantly improved， and the improvement effect of SCLC with polypropylene fiber is better than that with sisal fiber. The linear     regression model of compressive strength of three kinds of SCLC specimens under different          freeze-thaw cycles was established by using linear regression method.

Key words： self compacting lightweight aggregate concrete; sisal fiber; polypropylene fiber; frost      resistence

（责任编辑：罗小芬、黎   娅）

收稿日期：2020-09-26

基金项目：广西科技攻关项目（桂科攻1114016-6）;广西教育厅科研项目（YB2014199）资助.

作者简介：董建苗，硕士，教授，研究方向：高性能混凝土，建筑节能，新型建筑材料.

通信作者：王亚东，硕士，讲师，研究方向：新型建筑材料及其工程应用，E-mail：1007728701@qq.com.