纖維網格布表層強化混凝土抗凍性能

胡 成，翁興中，朱懋江，高 瑞，盧昌鑫

(1.空軍工程大學航空工程學院，陜西 西安 710038；2.西部戰區空軍軍檢站，陜西 西安 710082；3.中國人民解放軍空軍房地產管理局蘭州房地產管理處，甘肅 蘭州 730020)

機場水泥混凝土道面具有強度高、穩定性好、使用壽命長等特點，但在北方寒冷地區，長期受到凍融循環等不利環境因素作用下的混凝土道面極易發生開裂、剝落等損壞，并且隨著我國航空業的發展，飛機向大型化和重載化發展，又會加劇這一損壞，嚴重影響了新建機場道面的使用性能和使用壽命，并會危及飛機起降，而大量道面修復會帶來較大的經濟損失，因此迫切需要研究經濟有效地提高道面混凝土抗凍性能的方法。近年來，圍繞提高道面混凝土的抗凍性能，很多學者進行了研究。通常，通過調整配合比、摻加引氣劑和摻合料可以一定程度提高混凝土抗凍性能[1-4]，但采取這些措施后，在寒冷地區混凝土道面仍會出現凍融破壞，因此急需尋找更有效地提高機場混凝土道面抗凍性能的方法。翁興中等[5]研究了聚丙烯纖維對提高混凝土耐久性的作用原理。朱懋江等[6]研究了纖維、聚合物乳液摻入混凝土以及在混凝土表面噴涂硅烷保護劑等對道面混凝土抗凍性能的影響，指出纖維的拉結以及乳液的填充作用，可以間接增強澆筑時混凝土的抗凍性能，并且工程應用較為方便和經濟，但該工藝處理下的機場道面混凝土表面抗凍性能的提升并不明顯。趙鐵軍[7]探究了涂料對混凝土耐久性的影響，研究表明涂料能夠有效提高混凝土的抗凍性能，但該方式經濟性差，不適合新建機場道面混凝土抗凍性能的增強。蘇立海等[8]研究了混凝土保護劑、聚脲、環氧樹脂和硅烷對混凝土抗凍性能的影響，發現4種材料中硅烷最適合混凝土抗凍性能的增強，但同樣經濟性較差。在纖維織物強化混凝土研究方面，田穩苓等[9]研究了玻璃纖維織物增強混凝土耐久性的原理。張永超[10]研究了玄武巖纖維網格布以及抗堿玻璃纖維網格布的耐腐蝕性能。Manikandan等[11]研究了纖維強化混凝土在腐蝕環境下破壞的機理，指出腐蝕介質經過纖維-混凝土界面，并通過基質逐層向混凝土內傳播，并最終導致混凝土的碎裂破壞。Green[12]、Shi等[13]究了玻璃纖維、玄武巖纖維以及碳纖維織物與環氧樹脂基質、水泥基結合形成的復合物抵御凍融循環的特性。還有研究比較了玄武巖纖維復合材料與其他種類纖維復合材料的表面性能，結果表明經玄武巖纖維強化的復合材料具有出色的耐熱性、吸音性以及低吸水性[14-19]。這些研究給纖維網格布強化抗凍性能的研究奠定了一定基礎，目前所進行纖維織物強化混凝土的研究基本是將纖維織物分散于整個混凝土結構當中，將纖維織物只置于砂漿層中的研究較少，而在實際纖維織物增強混凝土施工中，留在砂漿層中的纖維織物很少，在機場道面當中，砂漿層是直接與環境因素接觸的一層結構，是影響混凝土抗凍性能的關鍵一層，因此本文提出在砂漿層中鋪設玄武巖纖維網格布和抗堿玻璃纖維網格布的方式強化機場道面的抗凍性能，對改善新建機場道面混凝土的抗凍性能有重要意義。

1 試 驗 概 況

1.1 試驗材料

試驗所用水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，水取自自來水靜置24 h后上層不含沉淀部分，砂為天然河沙，細度模數為2.63，粗集料選取20 mm和40 mm這2種石灰巖碎石，纖維網格布為玄武巖纖維網格布和抗堿玻璃纖維網格布，具體性能參數見表1。

表1 纖維網格布性能參數Table 1 Performance parameters of fiber mesh

1.2 試驗配合比

通過數次試調和試拌后，最終確定了試驗所采用的機場道面水泥混凝土的基準配合比，其中水泥、水、砂、小石和大石的比例為335∶144.05∶660∶610∶720，水灰比和砂率分別為0.43和0.33。

1.3 試件制備

依據規范[20]，本次試驗應采用小梁試件(400 mm×100 mm×100 mm)，混凝土試件制備除放置網格布這一步驟外，其余均按規范[20]進行。放置網格布具體操作為：將纖維網格布放置在抹面完成的混凝土表面上，再次振搗后，用水泥刀進行提漿，使纖維網格布均勻鋪入混凝土表層中至肉眼不可見，之后按標準條件養護。

1.4 試驗設計

1.4.1 試驗影響因素設置

機場道面在使用中，其表面性能會受到周圍環境因素的影響，綜合考慮后，選取紫外線照射(紫外)、氯鹽侵蝕(浸鹽)和尾噴燒蝕(燒蝕)3種因素。以這3種因素單獨和組合的形式對試件進行處理，并且在試件進行完10次凍融后，重復相應處理過程。

1.4.1.1 單因素處理

a.火焰處理：火焰處理時，將噴槍外焰焰心呈40 °夾角，指向混凝土試件中央，離試件10 cm，中心溫度達到210 ℃時，繼續保持5 min，隨后撤走混凝土試件，進行凍融試驗。

b.紫外線照射：使用JY-UV-225型紫外線老化試驗機對混凝土試件進行紫外線模擬照射,將1個循環設定為12 h，其中10 h為紫外線照射時間，期間環境箱內溫度設定為65 ℃；2 h作黑暗處理，環境溫度設定為45 ℃，循環結束后進行凍融試驗。

c.氯鹽侵蝕：參考規范[20]關于混凝土試件進行抗凍試驗中鹽凍法的實施步驟，使用3%的NaCl溶液作為氯鹽侵蝕的環境模擬處理。

1.4.1.2 多因素處理

a.燒蝕+紫外：進行完燒蝕處理后，待試件表面中央溫度降至50 ℃后，接著對試件進行紫外線照射處理，當進行完老化循環后視作1次環境處理循環。

b.燒蝕+浸鹽：進行完燒蝕處理后，待試件表面中央溫度降至室溫后，直接進行凍融試驗(針對凍融試驗)或接著進行浸鹽處理(針對磨耗試驗)，處理完畢后視作1次環境處理循環。

c.紫外+浸鹽：先進行紫外處理，當處理結束后，同燒蝕+浸鹽組中第2步進行浸鹽處理。

d.燒蝕+紫外+浸鹽：先對試件進行燒蝕+紫外組的處理步驟，當處理結束后，同燒蝕+浸鹽組中第2步進行浸鹽處理。

1.4.2 試驗方法及評價指標

本次試驗為單面凍融試驗，儀器為HDD-Ⅱ型單面凍融試驗機，試驗參照規范[20]進行，1次凍融循環時間為12 h，試驗從20 ℃開始，4 h勻速降至-20 ℃，保持3 h，接著4 h勻速升至20 ℃，保持1 h，至此為1個凍融循環。選擇單位面積剝落量和相對動彈性模量來表征混凝土的凍融損傷。每10組凍融循環后測定1次。共采用8組試件進行試驗，包括3個單因素試驗組、4個組合因素試驗組和1組空白對照組。每組中的小梁試件各包括玄武巖纖維網格布強化混凝土試件、抗堿玻璃纖維網格布強化混凝土試件和素混凝土試件各3塊。為了簡便，將玄武巖纖維網格布強化混凝土試件、抗堿玻璃纖維網格布強化混凝土試件和素混凝土試件分別稱為黑纖維、白纖維和素混凝土試件。

2 試驗結果及分析

2.1 單因素作用

以凍融次數為橫軸，相對動彈模量和單位面積累計剝落量為縱軸，分別作出不同環境因素處理組以及對照組的試驗結果統計,如圖1和圖2所示。

圖1 單因素作用下相對動彈模量Fig.1 Relative dynamic modulus under the effect of single factors

圖2 單因素作用下單位面積累計剝落量Fig.2 Cumulative exfoliation per unit area under the effect of single factor

2.1.1 單一環境影響因素對試件動彈模量的影響

在空白對照組當中，3組試件均在100次凍融循環后發生結構破壞，相對動彈模量的衰減規律一致，均在中間40次出現較大衰減趨勢，而兩邊衰減較平緩；在中間彈性模量劇烈衰減階段，黑纖維試件和白纖維試件彈性模量的提升在20%以上，而兩邊提升效果均小于10%。當環境因素為燒蝕時，3組試件均在60次達到停止試驗的標準(包括表面剝落量達到5%和試件發生結構破壞，即試件發生掉邊掉角破壞)，其中素混凝土試件為結構破壞，而黑纖維和白纖維試件則是剝落量達到了標準；與空白對照組對比，黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試件的動彈模量降低幅度分別為0.58%～3.76%，1.14%～4.69%和10%以上。當環境因素為浸鹽時，黑纖維和白纖維試件分別在80次和70次凍融后表面剝落量達到了標準，素混凝土試件則在70次的時候發生了結構破壞，3組試件的動彈模量衰減程度隨著凍融循環次數的增加均呈增加趨勢；與空白處理的對照組相比，黑纖維試件和白纖維試件在對應凍融次數下相對動彈模量的降幅范圍分別為1.07%～9.23%和1.34%～7.6%，素混凝土試件降幅為10%以上；當環境因素為紫外時，3組試件在相對動彈模量衰減曲線以及破壞形式上都與空白對照組相似。與空白對照組中同種試件相比，黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試件對應動彈模量的降幅分別為0.06%～3.82%，0.52%～6.7%和0.27%～11.11%。通過以上分析可知，無論有無環境因素的影響，試件動彈模量的減小程度由大到小順序為黑纖維、白纖維、素混凝土?？梢姄郊永w維網格布能有效提升混凝土經單一環境因素和凍融處理后的動彈模量，其中摻加玄武巖纖維網格布的效果要優于摻加玻璃纖維網格布的效果。

2.1.2 單一環境影響因素對試件累計凍融剝落量的影響

當不施加環境因素時，3組混凝土試件累計剝落量的變化幅度均較平緩，其中黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試件的最大單次剝落量分別為5.75 g/m2、6.75 g/m2和10.75 g/m2；當環境因素為燒蝕時，相較于空白對照組，黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試件的最大剝落量分別增加了26%，23%和163%；當環境因素為浸鹽時，相較于空白對照組，3組試件的凍融單次剝落量均為對照組對應試件的2倍，而黑纖維試件和白纖維試件的最終累計剝落量均只有素混凝土試件的一半；當環境因素為紫外時，黑纖維試件和白纖維試件與空白環境處理組中對應試件剝落量差別不大。素混凝土試件在前60次凍融后剝落量的大小與對照組差異不大，但在第70次凍融結束后剝落量陡增，達到了對照組水平的144%。通過以上分析可以得出，無論有無環境因素，相較于素混凝土，摻加纖維網格布的試件的凍融剝落量都有一定程度的減少，并且摻加玄武巖纖維網格布的效果要優于摻加玻璃纖維網格布的效果。

2.2 復合因素作用結果與分析

以凍融試驗次數為橫軸，相對動彈模量和單位面積累計剝落量為縱軸，分別作出不同環境因素處理組的試驗結果統計,如圖3和圖4所示。

圖3 復合因素作用下相對動彈模量Fig.3 Relative dynamic modulus under the effect of composite factors

圖4 復合因素作用下單位面積累計剝落量Fig.4 Cumulative exfoliation per unit area under the effect of composite factors

2.2.1 對動彈模量的影響

當環境因素為燒蝕+紫外時，相對于空白對照組，黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試件的動彈模量降幅分別是1.0%～8.2%，1.9%～17.9%和1.9%～17.9%，相較于單一紫外或燒蝕環境因素，經該復合因素處理的各試件組在對應凍融組數時的相對動彈模量和達到破壞條件前經歷的凍融組數均有所降低；當環境因素為燒蝕+浸鹽時，相較于空白對照組，黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試在凍融對應組數時的相對動彈模量的最高降幅分別為28.5%、33.5%、38%，且只有黑纖維試件組因表面發生大量剝落而終止試驗，白纖維試件和素混凝土試件組均因結構破壞而終止試驗；當環境因素為紫外+浸鹽時，相較于空白對照組，黑纖維試件、白纖維試件和素混凝土試件的動彈模量降幅分別為1.3%～7.3%、1.7%～15%、2.0%～22.5%；當環境因素為燒蝕+紫外+浸鹽時，相較于空白對照組，該組3種類型試件凍融次數下動彈模量降幅均隨凍融次數增加依次增高，且下降最高幅度均為8個環境試驗組之首。黑纖維試件組、白纖維試件組和素混凝土試件組最高降幅分別為33.3%、37%、37.3%，且均因結構破壞而終止試驗。綜上可得，在復合環境因素的作用下，試件動彈模量的減小程度由高到低依次為黑纖維試件組、白纖維試件組、素混凝土試件組，且混凝土中摻加纖維網格布能較明顯提升經復合環境因素和凍融處理后混凝土的相對動彈模量，并且玄武巖纖維網格布的強化效果要優于抗堿玻璃纖維網格布。

2.2.2 對試件累計凍融剝落量的影響

相較于空白環境處理組，當施加的環境因素分別為燒蝕+紫外、燒蝕+浸鹽、紫外+浸鹽、燒蝕+紫外+浸鹽時，黑纖維試件組單次最大剝落量增加幅度分別為50%、95%、88%、114%，白纖維試件組單次最大剝落量增加幅度分別為110%、127%、90%、151%；素混凝土試件組單次最大剝落量增加幅度分別為542%、594%、499%、801%。而相同凍融次數下，相較于素纖維試件組，當施加的環境因素分別為燒蝕+紫外、燒蝕+浸鹽、浸鹽+紫外、燒蝕+紫外+浸鹽時，黑纖維試件凍融累計剝落量分別為13%～19%、15%～18%、17%～27%、12%～15%，白纖維試件凍融累計剝落量分別為31%～40%、28%～41%、38%～50%、38%～50%。從上述數據分析可知，所有試驗組和對照組中凍融后混凝土表面剝落量由大到小依次為素纖維試件組、白纖維試件組、黑纖維試件組。且當3種因素共同作用時，對混凝土的影響最大，導致其最大累計剝落量幾乎達到上述3種復合因素的2倍。而在混凝土中摻加纖維網格布能較明顯減少經復合環境因素和凍融處理后混凝土表面累計剝落量，且玄武巖纖維網格布的強化效果要優于抗堿玻璃纖維網格布。

2.3 環境因素對水泥混凝土抗凍性能影響程度分析

為精確得到各環境影響因素對黑纖維試件、白纖維試件和素纖維試件的抗凍性能影響次序，將試驗取得的8組抗凍試驗數據按試件種類和評價指標分類，試驗結果如圖5～7所示。

圖5 玄武巖纖維網格布強化混凝土Fig.5 Concrete reinforced by basalt fiber mesh

對于黑纖維試件組的抗凍性，分析圖5可知：燒蝕+浸鹽+紫外3種因素共同作用時影響最大，其次是燒蝕+浸鹽，接著是紫外+浸鹽。燒蝕+紫外與浸鹽單因素的曲線在第10次凍融和第70次凍融時發生了交叉，且在這2點浸鹽組的相對動彈模量均小于燒蝕+紫外。但考慮到燒蝕+紫外組試件所經歷的凍融次數小于浸鹽組試件，因此燒蝕+紫外組的影響大于單一浸鹽因素，同理可判別燒蝕因素大于紫外因素。綜上可得影響程度由大到小依次為：燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>紫外+浸鹽 >燒蝕+紫外>浸鹽>燒蝕>紫外>空白。對于白纖維試件組，分析圖6可知，影響程度由大到小依次為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白。對于素纖維試件組，分析圖7可知，8組環境影響因素對其抗凍性的影響程度由大到小依次為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白。通過比較環境因素對于黑、白纖維網格布強化后混凝土影響因素的大小發現，在抵抗尾噴燒蝕方面黑纖維效果優于白纖維。從材料性質分析，尾焰高溫的燒蝕可能影響到抗堿玻璃纖維網格布外部的抗堿涂層，導致玻璃纖維本體暴露在混凝土堿性環境中，引起材料折損，從而影響其約束和拉結作用。而玄武巖纖維具有耐高溫和抗堿腐蝕的雙重優點，因此在面對高溫的尾噴時具有更好的強化效果。單位面積累計剝落量與凍融組數曲線的斜率越高和破壞前經歷凍融次數越少表明某一因素對試驗組混凝土的影響越大。綜上可知：8組環境影響因素對黑纖維試件組、白纖維試件組和素混凝土試件組的影響程度由大到小依次為：燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>紫外+浸鹽>燒蝕+紫外>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白。結果與通過相對動彈模量分析的結果一致。

圖6 抗堿玻璃纖維網格布強化混凝土Fig.6 Concrete reinforced by alkali-resistant glass fiber mesh

圖7 素混凝土Fig.7 Plain concrete

將衡量試件抗凍性能的兩種指標結果綜合可得8種環境影響因素對3組試件組混凝土抗凍性能的影響由大到小依次為：黑纖維試件組為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>紫外+浸鹽>燒蝕+紫外>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，白纖維試件組為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，素混凝土試件組為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽 >浸鹽>燒蝕>紫外>空白。

2.4 基于SPSS主成分分析方法的抗凍性能影響因素影響權重分析

2.3節的結論是通過對圖形的直觀觀察和分析得到的，但統計圖中數據曲線部分交錯，使得結論的取得缺乏統計學科學性；同時從統計圖中只能憑借參數的關系定性得出幾種影響因素的排序，不能定量得出8種環境影響因素對于不同混凝土試件抗凍性的影響大小。因此采用SPSS軟件對試驗結果進行分析，定量得到各環境組對于不同試件組混凝土抗凍性的影響權重大小如表2(單位均為1)所示。將變量環境因素按因子得分大小進行排序可得8種環境影響因素對3組混凝土試件抗凍性能的影響程度由高到低依次為：摻加玄武巖纖維網格布的混凝土為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>紫外+浸鹽>燒蝕+紫外>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，摻加抗堿玻璃纖維網格布的混凝土為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽 >燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，素混凝土為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白，該結果與通過統計圖分析得到的結果一致。

表2 環境影響因素定量分析結果Table 2 Quantitative analysis results of environmental impact factors

3 結 論

a.在7種環境因素的作用下，試件相對動彈模量的減小程度順序是黑纖維組>白纖維組>素混凝土組；凍融后混凝土表面剝落量由大到小依次為素混凝土組>白纖維組>黑纖維組。

b.摻加黑、白纖維網格布均能有效提高試件的抗凍性，其中黑纖維的強化效果優于白纖維。當環境因素為燒蝕+紫外+浸鹽時，摻加纖維網格布能夠弱化燒蝕破壞作用，且摻加玄武巖纖維網格布的作用效果略強于抗堿纖維玻璃網格布，但最終所有試件仍會在以氯鹽侵蝕為主導的凍脹破壞下發生結構破壞。

c.8種環境組合因素對3組試件組混凝土抗凍性能的影響由大到小依次為：玄武巖纖維網格布強化混凝土為燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>紫外+浸鹽>燒蝕+紫外>浸鹽>燒蝕>紫外>空白；抗堿玻璃纖維網格布強化混凝土：燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白；素混凝土：燒蝕+紫外+浸鹽>燒蝕+浸鹽>燒蝕+紫外>紫外+浸鹽>浸鹽>燒蝕>紫外>空白。