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摘要：以天然粗骨料，纤维混合的不同水灰比的混凝土进行了25、50、75 、100次冻融试验，并进行了抗压强度、抗折强度。试验发现：随着冻融次数的增加，混凝土的强度损失率逐渐增大，抗折强度有所降低，但是纤维的混合掺入可以有效地在保持混凝土的强度基础上，改善混凝土的韧性。
关键词：纤维轻骨料混凝土；冻融循环；强度损失；韧性；破坏形态
1 引言
由于轻骨料混凝土中骨料密度相对较小，与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有轻质、保温效果好、耐化学腐蚀等独特优点，但由于轻骨料混凝土的抗压、抗折强度较低，影响了轻骨料混凝土的广泛使用。本文用轻骨料、纤维混掺配制配合比为0.38、0.40的混凝土，并对各种配合比作了25 次、50 次、75 次、100次慢冻融试验，研究冻融后轻骨料混凝土的质量、强度损失情况，以及抗压强度、抗折强度随混凝土的冻融次数的变化情况。西北青海地区，在其他条件不变的情况下，混凝土的强度和耐久性与其工作环境有关。以前设计时没有考虑冻融循环对混凝土力学性能产生的不利影响，现在青海地区的许多混凝土建筑物已经形成不同程度的破坏。在这种情况下，开展对轻骨料混凝土冻融循环后力学性能研究，对我国寒冷地区的建筑结构有着重要的实际意义。
2 试验概况
2.1 试验设计
按照《普通混凝土力学性能实验方法标准》GB/T50081—2002要求设计，抗压强度试件为100mm×100mm×100mm 立方体试件；抗折强度试件为100mm×100mm×400mm；采用标准钢模成型，标准试件在（20±3）℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d。混凝土的冻融循环试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》GB/T50082—2009中的慢冻法进行，试验前4d将试件放入15—20℃水中，试验前测定质量，每次冻融设计在4 h内完成，融化时间控制在整个冻融时间的1/3内，试件冻结和融化停止时，试件中心温度控制在（-17±2）℃和（8±2）℃，冻融结束后，取出试件称重，并作抗压强度测定，计算质量、强度损失率。
2.2 试验分组
试验配合比本次试验采用0.38、0.40两个配合比，分为普通轻骨料混凝土、纤维轻骨料混凝土两组。
3 实验结果
各种纤维掺量的混凝土在经历25、50、75.100次冻融试验后的试验结果。
3.1 钢纤维对冻融后混凝土的质量损失率的影响
试件冻融的质量损失率：
式中： ——N次冻融循环后试件质量损失率，%；
——冻融循环试验前试件质量，以3个试件质量平均值计算，kg；
——N次冻融循环试验后试件质量，以3个试件质量平均值计算，kg。
质量损失主要是混凝土表面剥落所致，从表1中可以看到纤维掺入轻骨料混凝土对质量损失改善作用并不明显。原因在于混凝土质量损失主要是试件表面浆体剥落所致，表面剥落一般使表面浆体层解体。质地酥软、细小的砂粒或浆体颗粒脱离试件表面。在混凝土中乱向分布的纤维，对这种颗粒起不到有效的约束作用。原因是：浸泡时间较短，一些破坏性反应物数量较少，形成的数量或产生的破坏应力还不足以超过混凝土本身的抗拉强度；另一方面，混凝土内部水分冻融过程，促使孔隙增大，更多的水分进入混凝土内部。这两方面原因导致混凝土的质量有所增加。钢纤维和聚丙烯纤维掺入轻骨料混凝土对质量损失改善作用并不明显。原因在于混凝土质量损失主要是试件表面浆体剥落所致，表面剥落一般使表面浆体层解体，细小的砂粒或浆体颗粒脱离试件表面，在混凝土中乱向分布的纤维，对这种颗粒起不到有效地约束作用。
3.2 纤维对冻融后混凝土力学性能的影响
在图1、2、3 中可以看出：经过冻融后，对掺入纤维轻骨料混凝土而言，在相同作用力的条件下，试件所产生的位移在初期发展比较平缓，在施力后期其位移随力的增大急剧增加。对于普通轻骨料混凝土，位移随力的增加而增大，近似呈线性增长。这是由于轻骨料混凝土掺入纤维后，相当于在轻骨料周围形成“箍”的作用，整体纤维网络协同轻骨料工作，水中冻融后钢纤维与混凝土的协同能力更好，使轻骨料混凝土的强度有所提高。纤维的掺入能极大地提高轻骨料混凝土的抗折性能，使混凝土的初裂滞后，非常有效地改善轻骨料混凝土的韧性，但是纤维的掺入，对混凝土的强度影响却较弱，而纤维混凝土的强度却有所降低。这是由于两种性质、尺度完全不同的纤维混掺后，协同能力反而降低，在混凝土中形成薄弱面，不能形成完全整体的网络结构。然而由于纤维具有良好的延伸性，在混掺入纤维后，混凝土的抗折性能较纤维有较大的提高，所以混合纤维虽然不能提高混凝土的抗压强度，但是在冻融条件下能够很好的改善混凝土的韧性，提高轻骨料混凝土的抗冻性。
3.3 纤维轻骨料混凝土的破坏形态
纤维轻骨料混凝土的破坏形式对多次冻融后的试件进行破坏试验发现，由于钢纤维的加入有效地改变了轻骨料混凝土的破坏形态，对于未掺入钢纤维的试件，其最终的破坏形态为正倒分离的四角锥形。在试件接近破坏时，试件跨中出现裂缝，由于试验机的刚性较小，积蓄在试验机上的变形能迅速释放，使试件受到剧烈冲击，伴随嘈杂声响，试件碎裂，表现出明显的脆性破坏形态。对于掺入钢纤维的试件，在裂缝形成后，桥架在裂缝间的钢纤维开始工作，使裂缝扩展滞后，并由于纤维从集体中抽出需要大量的变形能，因而与未掺纤维的试件相比，其破坏形态发生了较大的改变，破坏时先有撕裂的声响，随即有一声沉闷的声响而最后破坏，破坏时无碎块迸出，裂缝随对角线防线扩展，并且随着冻融次数的增加，其破坏形态趋于缓和，因此钢纤维的掺入极大地改善了轻骨料混凝土的受压、变形和破坏特性，由脆性破坏转变为塑性破坏形态。
4 结论
（1）轻骨料混凝土的弹性模量随钢纤维体积率的增加有增大的趋势，随冻融次数的增加，弹性模量逐渐减小。
（2）轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度随钢纤维体积率增加而提高，其抗折性能的提高尤为明显。纤维的掺入对抗压强度影响较弱，对抗折强度影响较大。随着冻融循环次数的增加，钢纤维的掺入使得轻骨料混凝土的抗折性能降低明显变缓，有效提高轻骨料混凝土的韧性、抗冻性。
（3）轻骨料混凝土随着钢纤维体积率和冻融次数的增加，其破坏形态趋于缓和，由脆性破坏转变为塑性破坏，纤维的混掺对轻骨料混凝土破坏性的影响较弱。
（4）在纤维混掺后的冻融试件时，轻骨料混凝土的强度有所提高，其抗折强度明显提高，这是由于纤维间距减小致使阻裂能力增强；随着冻融次数的增加，抗折强度虽有减小，但幅度明显较小。所以，纤维混掺的轻骨料混凝土能有效地改善冻融循环后混凝土的韧性，显著提高混凝土的抗冻性能。
参考文献：
[1] 霍俊芳.纤维轻骨料混凝土力学性能及抗冻性能试验研究[D].内蒙古农业大学博论文，2007（12）：50—57.
[2] 苏健波，李士恩.杜拉纤维增强混凝土的力学性能研究[J].广东土木与建筑，2000（1）：40- 46.
[3] 张勇.不同纤维对轻骨料混凝土韧性性能的研究影响的研究[J].混凝土，2002（5）30—32.
[4] 沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：236—239.
[5] 张国军，刘伯权，白国良. 钢筋混凝土框架柱在高轴压比下的抗震性能试验[J]. 长安大学学报，2002，22（6）：53―57.
关键词：纤维轻骨料混凝土；冻融循环；强度损失；韧性；破坏形态
1 引言
由于轻骨料混凝土中骨料密度相对较小，与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有轻质、保温效果好、耐化学腐蚀等独特优点，但由于轻骨料混凝土的抗压、抗折强度较低，影响了轻骨料混凝土的广泛使用。本文用轻骨料、纤维混掺配制配合比为0.38、0.40的混凝土，并对各种配合比作了25 次、50 次、75 次、100次慢冻融试验，研究冻融后轻骨料混凝土的质量、强度损失情况，以及抗压强度、抗折强度随混凝土的冻融次数的变化情况。西北青海地区，在其他条件不变的情况下，混凝土的强度和耐久性与其工作环境有关。以前设计时没有考虑冻融循环对混凝土力学性能产生的不利影响，现在青海地区的许多混凝土建筑物已经形成不同程度的破坏。在这种情况下，开展对轻骨料混凝土冻融循环后力学性能研究，对我国寒冷地区的建筑结构有着重要的实际意义。
2 试验概况
2.1 试验设计
按照《普通混凝土力学性能实验方法标准》GB/T50081—2002要求设计，抗压强度试件为100mm×100mm×100mm 立方体试件；抗折强度试件为100mm×100mm×400mm；采用标准钢模成型，标准试件在（20±3）℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d。混凝土的冻融循环试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》GB/T50082—2009中的慢冻法进行，试验前4d将试件放入15—20℃水中，试验前测定质量，每次冻融设计在4 h内完成，融化时间控制在整个冻融时间的1/3内，试件冻结和融化停止时，试件中心温度控制在（-17±2）℃和（8±2）℃，冻融结束后，取出试件称重，并作抗压强度测定，计算质量、强度损失率。
2.2 试验分组
试验配合比本次试验采用0.38、0.40两个配合比，分为普通轻骨料混凝土、纤维轻骨料混凝土两组。
3 实验结果
各种纤维掺量的混凝土在经历25、50、75.100次冻融试验后的试验结果。
3.1 钢纤维对冻融后混凝土的质量损失率的影响
试件冻融的质量损失率：
式中： ——N次冻融循环后试件质量损失率，%；
——冻融循环试验前试件质量，以3个试件质量平均值计算，kg；
——N次冻融循环试验后试件质量，以3个试件质量平均值计算，kg。
质量损失主要是混凝土表面剥落所致，从表1中可以看到纤维掺入轻骨料混凝土对质量损失改善作用并不明显。原因在于混凝土质量损失主要是试件表面浆体剥落所致，表面剥落一般使表面浆体层解体。质地酥软、细小的砂粒或浆体颗粒脱离试件表面。在混凝土中乱向分布的纤维，对这种颗粒起不到有效的约束作用。原因是：浸泡时间较短，一些破坏性反应物数量较少，形成的数量或产生的破坏应力还不足以超过混凝土本身的抗拉强度；另一方面，混凝土内部水分冻融过程，促使孔隙增大，更多的水分进入混凝土内部。这两方面原因导致混凝土的质量有所增加。钢纤维和聚丙烯纤维掺入轻骨料混凝土对质量损失改善作用并不明显。原因在于混凝土质量损失主要是试件表面浆体剥落所致，表面剥落一般使表面浆体层解体，细小的砂粒或浆体颗粒脱离试件表面，在混凝土中乱向分布的纤维，对这种颗粒起不到有效地约束作用。
3.2 纤维对冻融后混凝土力学性能的影响
在图1、2、3 中可以看出：经过冻融后，对掺入纤维轻骨料混凝土而言，在相同作用力的条件下，试件所产生的位移在初期发展比较平缓，在施力后期其位移随力的增大急剧增加。对于普通轻骨料混凝土，位移随力的增加而增大，近似呈线性增长。这是由于轻骨料混凝土掺入纤维后，相当于在轻骨料周围形成“箍”的作用，整体纤维网络协同轻骨料工作，水中冻融后钢纤维与混凝土的协同能力更好，使轻骨料混凝土的强度有所提高。纤维的掺入能极大地提高轻骨料混凝土的抗折性能，使混凝土的初裂滞后，非常有效地改善轻骨料混凝土的韧性，但是纤维的掺入，对混凝土的强度影响却较弱，而纤维混凝土的强度却有所降低。这是由于两种性质、尺度完全不同的纤维混掺后，协同能力反而降低，在混凝土中形成薄弱面，不能形成完全整体的网络结构。然而由于纤维具有良好的延伸性，在混掺入纤维后，混凝土的抗折性能较纤维有较大的提高，所以混合纤维虽然不能提高混凝土的抗压强度，但是在冻融条件下能够很好的改善混凝土的韧性，提高轻骨料混凝土的抗冻性。
3.3 纤维轻骨料混凝土的破坏形态
纤维轻骨料混凝土的破坏形式对多次冻融后的试件进行破坏试验发现，由于钢纤维的加入有效地改变了轻骨料混凝土的破坏形态，对于未掺入钢纤维的试件，其最终的破坏形态为正倒分离的四角锥形。在试件接近破坏时，试件跨中出现裂缝，由于试验机的刚性较小，积蓄在试验机上的变形能迅速释放，使试件受到剧烈冲击，伴随嘈杂声响，试件碎裂，表现出明显的脆性破坏形态。对于掺入钢纤维的试件，在裂缝形成后，桥架在裂缝间的钢纤维开始工作，使裂缝扩展滞后，并由于纤维从集体中抽出需要大量的变形能，因而与未掺纤维的试件相比，其破坏形态发生了较大的改变，破坏时先有撕裂的声响，随即有一声沉闷的声响而最后破坏，破坏时无碎块迸出，裂缝随对角线防线扩展，并且随着冻融次数的增加，其破坏形态趋于缓和，因此钢纤维的掺入极大地改善了轻骨料混凝土的受压、变形和破坏特性，由脆性破坏转变为塑性破坏形态。
4 结论
（1）轻骨料混凝土的弹性模量随钢纤维体积率的增加有增大的趋势，随冻融次数的增加，弹性模量逐渐减小。
（2）轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度随钢纤维体积率增加而提高，其抗折性能的提高尤为明显。纤维的掺入对抗压强度影响较弱，对抗折强度影响较大。随着冻融循环次数的增加，钢纤维的掺入使得轻骨料混凝土的抗折性能降低明显变缓，有效提高轻骨料混凝土的韧性、抗冻性。
（3）轻骨料混凝土随着钢纤维体积率和冻融次数的增加，其破坏形态趋于缓和，由脆性破坏转变为塑性破坏，纤维的混掺对轻骨料混凝土破坏性的影响较弱。
（4）在纤维混掺后的冻融试件时，轻骨料混凝土的强度有所提高，其抗折强度明显提高，这是由于纤维间距减小致使阻裂能力增强；随着冻融次数的增加，抗折强度虽有减小，但幅度明显较小。所以，纤维混掺的轻骨料混凝土能有效地改善冻融循环后混凝土的韧性，显著提高混凝土的抗冻性能。
参考文献：
[1] 霍俊芳.纤维轻骨料混凝土力学性能及抗冻性能试验研究[D].内蒙古农业大学博论文，2007（12）：50—57.
[2] 苏健波，李士恩.杜拉纤维增强混凝土的力学性能研究[J].广东土木与建筑，2000（1）：40- 46.
[3] 张勇.不同纤维对轻骨料混凝土韧性性能的研究影响的研究[J].混凝土，2002（5）30—32.
[4] 沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：236—239.
[5] 张国军，刘伯权，白国良. 钢筋混凝土框架柱在高轴压比下的抗震性能试验[J]. 长安大学学报，2002，22（6）：53―57.