胡 成，翁兴中，朱懋江，高 瑞，卢昌鑫

(1.空军工程大学航空工程学院，陕西 西安 710038；2.西部战区空军军检站，陕西 西安 710082；3.中国人民解放军空军房地产管理局兰州房地产管理处，甘肃 兰州 730020)

机场水泥混凝土道面具有强度高、稳定性好、使用寿命长等特点，但在北方寒冷地区，长期受到冻融循环等不利环境因素作用下的混凝土道面极易发生开裂、剥落等损坏，并且随着我国航空业的发展，飞机向大型化和重载化发展，又会加剧这一损坏，严重影响了新建机场道面的使用性能和使用寿命，并会危及飞机起降，而大量道面修复会带来较大的经济损失，因此迫切需要研究经济有效地提高道面混凝土抗冻性能的方法。近年来，围绕提高道面混凝土的抗冻性能，很多学者进行了研究。通常，通过调整配合比、掺加引气剂和掺合料可以一定程度提高混凝土抗冻性能[1-4]，但采取这些措施后，在寒冷地区混凝土道面仍会出现冻融破坏，因此急需寻找更有效地提高机场混凝土道面抗冻性能的方法。翁兴中等[5]研究了聚丙烯纤维对提高混凝土耐久性的作用原理。朱懋江等[6]研究了纤维、聚合物乳液掺入混凝土以及在混凝土表面喷涂硅烷保护剂等对道面混凝土抗冻性能的影响，指出纤维的拉结以及乳液的填充作用，可以间接增强浇筑时混凝土的抗冻性能，并且工程应用较为方便和经济，但该工艺处理下的机场道面混凝土表面抗冻性能的提升并不明显。赵铁军[7]探究了涂料对混凝土耐久性的影响，研究表明涂料能够有效提高混凝土的抗冻性能，但该方式经济性差，不适合新建机场道面混凝土抗冻性能的增强。苏立海等[8]研究了混凝土保护剂、聚脲、环氧树脂和硅烷对混凝土抗冻性能的影响，发现4种材料中硅烷最适合混凝土抗冻性能的增强，但同样经济性较差。在纤维织物强化混凝土研究方面，田稳苓等[9]研究了玻璃纤维织物增强混凝土耐久性的原理。张永超[10]研究了玄武岩纤维网格布以及抗碱玻璃纤维网格布的耐腐蚀性能。Manikandan等[11]研究了纤维强化混凝土在腐蚀环境下破坏的机理，指出腐蚀介质经过纤维-混凝土界面，并通过基质逐层向混凝土内传播，并最终导致混凝土的碎裂破坏。Green[12]、Shi等[13]究了玻璃纤维、玄武岩纤维以及碳纤维织物与环氧树脂基质、水泥基结合形成的复合物抵御冻融循环的特性。还有研究比较了玄武岩纤维复合材料与其他种类纤维复合材料的表面性能，结果表明经玄武岩纤维强化的复合材料具有出色的耐热性、吸音性以及低吸水性[14-19]。这些研究给纤维网格布强化抗冻性能的研究奠定了一定基础，目前所进行纤维织物强化混凝土的研究基本是将纤维织物分散于整个混凝土结构当中，将纤维织物只置于砂浆层中的研究较少，而在实际纤维织物增强混凝土施工中，留在砂浆层中的纤维织物很少，在机场道面当中，砂浆层是直接与环境因素接触的一层结构，是影响混凝土抗冻性能的关键一层，因此本文提出在砂浆层中铺设玄武岩纤维网格布和抗碱玻璃纤维网格布的方式强化机场道面的抗冻性能，对改善新建机场道面混凝土的抗冻性能有重要意义。

1 试 验 概 况

1.1 试验材料

试验所用水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，水取自自来水静置24 h后上层不含沉淀部分，砂为天然河沙，细度模数为2.63，粗集料选取20 mm和40 mm这2种石灰岩碎石，纤维网格布为玄武岩纤维网格布和抗碱玻璃纤维网格布，具体性能参数见表1。

表1 纤维网格布性能参数Table 1 Performance parameters of fiber mesh

1.2 试验配合比

通过数次试调和试拌后，最终确定了试验所采用的机场道面水泥混凝土的基准配合比，其中水泥、水、砂、小石和大石的比例为335∶144.05∶660∶610∶720，水灰比和砂率分别为0.43和0.33。

1.3 试件制备

依据规范[20]，本次试验应采用小梁试件(400 mm×100 mm×100 mm)，混凝土试件制备除放置网格布这一步骤外，其余均按规范[20]进行。放置网格布具体操作为：将纤维网格布放置在抹面完成的混凝土表面上，再次振捣后，用水泥刀进行提浆，使纤维网格布均匀铺入混凝土表层中至肉眼不可见，之后按标准条件养护。

1.4 试验设计

1.4.1 试验影响因素设置

机场道面在使用中，其表面性能会受到周围环境因素的影响，综合考虑后，选取紫外线照射(紫外)、氯盐侵蚀(浸盐)和尾喷烧蚀(烧蚀)3种因素。以这3种因素单独和组合的形式对试件进行处理，并且在试件进行完10次冻融后，重复相应处理过程。

1.4.1.1 单因素处理

a.火焰处理：火焰处理时，将喷枪外焰焰心呈40 °夹角，指向混凝土试件中央，离试件10 cm，中心温度达到210 ℃时，继续保持5 min，随后撤走混凝土试件，进行冻融试验。

b.紫外线照射：使用JY-UV-225型紫外线老化试验机对混凝土试件进行紫外线模拟照射,将1个循环设定为12 h，其中10 h为紫外线照射时间，期间环境箱内温度设定为65 ℃；2 h作黑暗处理，环境温度设定为45 ℃，循环结束后进行冻融试验。

c.氯盐侵蚀：参考规范[20]关于混凝土试件进行抗冻试验中盐冻法的实施步骤，使用3%的NaCl溶液作为氯盐侵蚀的环境模拟处理。

1.4.1.2 多因素处理

a.烧蚀+紫外：进行完烧蚀处理后，待试件表面中央温度降至50 ℃后，接着对试件进行紫外线照射处理，当进行完老化循环后视作1次环境处理循环。

b.烧蚀+浸盐：进行完烧蚀处理后，待试件表面中央温度降至室温后，直接进行冻融试验(针对冻融试验)或接着进行浸盐处理(针对磨耗试验)，处理完毕后视作1次环境处理循环。

c.紫外+浸盐：先进行紫外处理，当处理结束后，同烧蚀+浸盐组中第2步进行浸盐处理。

d.烧蚀+紫外+浸盐：先对试件进行烧蚀+紫外组的处理步骤，当处理结束后，同烧蚀+浸盐组中第2步进行浸盐处理。

1.4.2 试验方法及评价指标

本次试验为单面冻融试验，仪器为HDD-Ⅱ型单面冻融试验机，试验参照规范[20]进行，1次冻融循环时间为12 h，试验从20 ℃开始，4 h匀速降至-20 ℃，保持3 h，接着4 h匀速升至20 ℃，保持1 h，至此为1个冻融循环。选择单位面积剥落量和相对动弹性模量来表征混凝土的冻融损伤。每10组冻融循环后测定1次。共采用8组试件进行试验，包括3个单因素试验组、4个组合因素试验组和1组空白对照组。每组中的小梁试件各包括玄武岩纤维网格布强化混凝土试件、抗碱玻璃纤维网格布强化混凝土试件和素混凝土试件各3块。为了简便，将玄武岩纤维网格布强化混凝土试件、抗碱玻璃纤维网格布强化混凝土试件和素混凝土试件分别称为黑纤维、白纤维和素混凝土试件。

2 试验结果及分析

2.1 单因素作用

以冻融次数为横轴，相对动弹模量和单位面积累计剥落量为纵轴，分别作出不同环境因素处理组以及对照组的试验结果统计,如图1和图2所示。

图1 单因素作用下相对动弹模量Fig.1 Relative dynamic modulus under the effect of single factors

图2 单因素作用下单位面积累计剥落量Fig.2 Cumulative exfoliation per unit area under the effect of single factor

2.1.1 单一环境影响因素对试件动弹模量的影响

在空白对照组当中，3组试件均在100次冻融循环后发生结构破坏，相对动弹模量的衰减规律一致，均在中间40次出现较大衰减趋势，而两边衰减较平缓；在中间弹性模量剧烈衰减阶段，黑纤维试件和白纤维试件弹性模量的提升在20%以上，而两边提升效果均小于10%。当环境因素为烧蚀时，3组试件均在60次达到停止试验的标准(包括表面剥落量达到5%和试件发生结构破坏，即试件发生掉边掉角破坏)，其中素混凝土试件为结构破坏，而黑纤维和白纤维试件则是剥落量达到了标准；与空白对照组对比，黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试件的动弹模量降低幅度分别为0.58%～3.76%，1.14%～4.69%和10%以上。当环境因素为浸盐时，黑纤维和白纤维试件分别在80次和70次冻融后表面剥落量达到了标准，素混凝土试件则在70次的时候发生了结构破坏，3组试件的动弹模量衰减程度随着冻融循环次数的增加均呈增加趋势；与空白处理的对照组相比，黑纤维试件和白纤维试件在对应冻融次数下相对动弹模量的降幅范围分别为1.07%～9.23%和1.34%～7.6%，素混凝土试件降幅为10%以上；当环境因素为紫外时，3组试件在相对动弹模量衰减曲线以及破坏形式上都与空白对照组相似。与空白对照组中同种试件相比，黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试件对应动弹模量的降幅分别为0.06%～3.82%，0.52%～6.7%和0.27%～11.11%。通过以上分析可知，无论有无环境因素的影响，试件动弹模量的减小程度由大到小顺序为黑纤维、白纤维、素混凝土。可见掺加纤维网格布能有效提升混凝土经单一环境因素和冻融处理后的动弹模量，其中掺加玄武岩纤维网格布的效果要优于掺加玻璃纤维网格布的效果。

2.1.2 单一环境影响因素对试件累计冻融剥落量的影响

当不施加环境因素时，3组混凝土试件累计剥落量的变化幅度均较平缓，其中黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试件的最大单次剥落量分别为5.75 g/m2、6.75 g/m2和10.75 g/m2；当环境因素为烧蚀时，相较于空白对照组，黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试件的最大剥落量分别增加了26%，23%和163%；当环境因素为浸盐时，相较于空白对照组，3组试件的冻融单次剥落量均为对照组对应试件的2倍，而黑纤维试件和白纤维试件的最终累计剥落量均只有素混凝土试件的一半；当环境因素为紫外时，黑纤维试件和白纤维试件与空白环境处理组中对应试件剥落量差别不大。素混凝土试件在前60次冻融后剥落量的大小与对照组差异不大，但在第70次冻融结束后剥落量陡增，达到了对照组水平的144%。通过以上分析可以得出，无论有无环境因素，相较于素混凝土，掺加纤维网格布的试件的冻融剥落量都有一定程度的减少，并且掺加玄武岩纤维网格布的效果要优于掺加玻璃纤维网格布的效果。

2.2 复合因素作用结果与分析

以冻融试验次数为横轴，相对动弹模量和单位面积累计剥落量为纵轴，分别作出不同环境因素处理组的试验结果统计,如图3和图4所示。

图3 复合因素作用下相对动弹模量Fig.3 Relative dynamic modulus under the effect of composite factors

图4 复合因素作用下单位面积累计剥落量Fig.4 Cumulative exfoliation per unit area under the effect of composite factors

2.2.1 对动弹模量的影响

当环境因素为烧蚀+紫外时，相对于空白对照组，黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试件的动弹模量降幅分别是1.0%～8.2%，1.9%～17.9%和1.9%～17.9%，相较于单一紫外或烧蚀环境因素，经该复合因素处理的各试件组在对应冻融组数时的相对动弹模量和达到破坏条件前经历的冻融组数均有所降低；当环境因素为烧蚀+浸盐时，相较于空白对照组，黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试在冻融对应组数时的相对动弹模量的最高降幅分别为28.5%、33.5%、38%，且只有黑纤维试件组因表面发生大量剥落而终止试验，白纤维试件和素混凝土试件组均因结构破坏而终止试验；当环境因素为紫外+浸盐时，相较于空白对照组，黑纤维试件、白纤维试件和素混凝土试件的动弹模量降幅分别为1.3%～7.3%、1.7%～15%、2.0%～22.5%；当环境因素为烧蚀+紫外+浸盐时，相较于空白对照组，该组3种类型试件冻融次数下动弹模量降幅均随冻融次数增加依次增高，且下降最高幅度均为8个环境试验组之首。黑纤维试件组、白纤维试件组和素混凝土试件组最高降幅分别为33.3%、37%、37.3%，且均因结构破坏而终止试验。综上可得，在复合环境因素的作用下，试件动弹模量的减小程度由高到低依次为黑纤维试件组、白纤维试件组、素混凝土试件组，且混凝土中掺加纤维网格布能较明显提升经复合环境因素和冻融处理后混凝土的相对动弹模量，并且玄武岩纤维网格布的强化效果要优于抗碱玻璃纤维网格布。

2.2.2 对试件累计冻融剥落量的影响

相较于空白环境处理组，当施加的环境因素分别为烧蚀+紫外、烧蚀+浸盐、紫外+浸盐、烧蚀+紫外+浸盐时，黑纤维试件组单次最大剥落量增加幅度分别为50%、95%、88%、114%，白纤维试件组单次最大剥落量增加幅度分别为110%、127%、90%、151%；素混凝土试件组单次最大剥落量增加幅度分别为542%、594%、499%、801%。而相同冻融次数下，相较于素纤维试件组，当施加的环境因素分别为烧蚀+紫外、烧蚀+浸盐、浸盐+紫外、烧蚀+紫外+浸盐时，黑纤维试件冻融累计剥落量分别为13%～19%、15%～18%、17%～27%、12%～15%，白纤维试件冻融累计剥落量分别为31%～40%、28%～41%、38%～50%、38%～50%。从上述数据分析可知，所有试验组和对照组中冻融后混凝土表面剥落量由大到小依次为素纤维试件组、白纤维试件组、黑纤维试件组。且当3种因素共同作用时，对混凝土的影响最大，导致其最大累计剥落量几乎达到上述3种复合因素的2倍。而在混凝土中掺加纤维网格布能较明显减少经复合环境因素和冻融处理后混凝土表面累计剥落量，且玄武岩纤维网格布的强化效果要优于抗碱玻璃纤维网格布。

2.3 环境因素对水泥混凝土抗冻性能影响程度分析

为精确得到各环境影响因素对黑纤维试件、白纤维试件和素纤维试件的抗冻性能影响次序，将试验取得的8组抗冻试验数据按试件种类和评价指标分类，试验结果如图5～7所示。

图5 玄武岩纤维网格布强化混凝土Fig.5 Concrete reinforced by basalt fiber mesh

对于黑纤维试件组的抗冻性，分析图5可知：烧蚀+浸盐+紫外3种因素共同作用时影响最大，其次是烧蚀+浸盐，接着是紫外+浸盐。烧蚀+紫外与浸盐单因素的曲线在第10次冻融和第70次冻融时发生了交叉，且在这2点浸盐组的相对动弹模量均小于烧蚀+紫外。但考虑到烧蚀+紫外组试件所经历的冻融次数小于浸盐组试件，因此烧蚀+紫外组的影响大于单一浸盐因素，同理可判别烧蚀因素大于紫外因素。综上可得影响程度由大到小依次为：烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>紫外+浸盐 >烧蚀+紫外>浸盐>烧蚀>紫外>空白。对于白纤维试件组，分析图6可知，影响程度由大到小依次为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白。对于素纤维试件组，分析图7可知，8组环境影响因素对其抗冻性的影响程度由大到小依次为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白。通过比较环境因素对于黑、白纤维网格布强化后混凝土影响因素的大小发现，在抵抗尾喷烧蚀方面黑纤维效果优于白纤维。从材料性质分析，尾焰高温的烧蚀可能影响到抗碱玻璃纤维网格布外部的抗碱涂层，导致玻璃纤维本体暴露在混凝土碱性环境中，引起材料折损，从而影响其约束和拉结作用。而玄武岩纤维具有耐高温和抗碱腐蚀的双重优点，因此在面对高温的尾喷时具有更好的强化效果。单位面积累计剥落量与冻融组数曲线的斜率越高和破坏前经历冻融次数越少表明某一因素对试验组混凝土的影响越大。综上可知：8组环境影响因素对黑纤维试件组、白纤维试件组和素混凝土试件组的影响程度由大到小依次为：烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>紫外+浸盐>烧蚀+紫外>浸盐>烧蚀>紫外>空白，烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白，烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白。结果与通过相对动弹模量分析的结果一致。

图6 抗碱玻璃纤维网格布强化混凝土Fig.6 Concrete reinforced by alkali-resistant glass fiber mesh

图7 素混凝土Fig.7 Plain concrete

将衡量试件抗冻性能的两种指标结果综合可得8种环境影响因素对3组试件组混凝土抗冻性能的影响由大到小依次为：黑纤维试件组为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>紫外+浸盐>烧蚀+紫外>浸盐>烧蚀>紫外>空白，白纤维试件组为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白，素混凝土试件组为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐 >浸盐>烧蚀>紫外>空白。

2.4 基于SPSS主成分分析方法的抗冻性能影响因素影响权重分析

2.3节的结论是通过对图形的直观观察和分析得到的，但统计图中数据曲线部分交错，使得结论的取得缺乏统计学科学性；同时从统计图中只能凭借参数的关系定性得出几种影响因素的排序，不能定量得出8种环境影响因素对于不同混凝土试件抗冻性的影响大小。因此采用SPSS软件对试验结果进行分析，定量得到各环境组对于不同试件组混凝土抗冻性的影响权重大小如表2(单位均为1)所示。将变量环境因素按因子得分大小进行排序可得8种环境影响因素对3组混凝土试件抗冻性能的影响程度由高到低依次为：掺加玄武岩纤维网格布的混凝土为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>紫外+浸盐>烧蚀+紫外>浸盐>烧蚀>紫外>空白，掺加抗碱玻璃纤维网格布的混凝土为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐 >烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白，素混凝土为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白，该结果与通过统计图分析得到的结果一致。

表2 环境影响因素定量分析结果Table 2 Quantitative analysis results of environmental impact factors

3 结 论

a.在7种环境因素的作用下，试件相对动弹模量的减小程度顺序是黑纤维组>白纤维组>素混凝土组；冻融后混凝土表面剥落量由大到小依次为素混凝土组>白纤维组>黑纤维组。

b.掺加黑、白纤维网格布均能有效提高试件的抗冻性，其中黑纤维的强化效果优于白纤维。当环境因素为烧蚀+紫外+浸盐时，掺加纤维网格布能够弱化烧蚀破坏作用，且掺加玄武岩纤维网格布的作用效果略强于抗碱纤维玻璃网格布，但最终所有试件仍会在以氯盐侵蚀为主导的冻胀破坏下发生结构破坏。

c.8种环境组合因素对3组试件组混凝土抗冻性能的影响由大到小依次为：玄武岩纤维网格布强化混凝土为烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>紫外+浸盐>烧蚀+紫外>浸盐>烧蚀>紫外>空白；抗碱玻璃纤维网格布强化混凝土：烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白；素混凝土：烧蚀+紫外+浸盐>烧蚀+浸盐>烧蚀+紫外>紫外+浸盐>浸盐>烧蚀>紫外>空白。