谷悅，劉保華，張繁，曹琛，張施龍，廖賢陵

油菜秸稈纖維混凝土抗凍性能的試驗研究

谷悅，劉保華*，張繁，曹琛，張施龍，廖賢陵

(湖南農業(yè)大學水利與土木工程學院，湖南 長沙 410128)

將處理后的油菜秸稈纖維切成10 ～ 15 mm、>15 ～ 20 mm、>20 ～ 25 mm、>25 ～ 30 mm等4種長度，以體積摻量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%摻入混凝土中，進行凍融循環(huán)試驗，觀察油菜秸稈纖維混凝土凍融循環(huán)25、50、75、100次的表觀形貌，測定其質量和動彈性模量，研究油菜秸稈纖維長度和體積摻量對混凝土抗凍性能的影響，并對油菜秸稈纖維混凝土的使用壽命進行預測。結果表明：當油菜秸稈纖維長度>15 ～ 20 mm、體積摻量為0.2%時，混凝土的抗剝落能力最強，凍融循環(huán)100次后，其相對動彈性模量最大，為93.1%，較普通混凝土的提高34.4%，抗凍性能最佳；威布爾分布模型和一元二次函數(shù)模型均能較好地反映油菜秸稈纖維混凝土的凍融損傷過程，一元二次函數(shù)模型的擬合精度均大于0.98；僅考慮凍融劣化作用，抗凍性能最佳組的油菜秸稈纖維混凝土的使用壽命約為普通混凝土的2.4倍，在哈爾濱使用壽命可達16.7 a、拉薩可達17.3 a、石家莊可達36.7 a、長沙可達136.1 a、上海可達189.3 a。

油菜秸稈纖維混凝土；抗凍性能；相對動彈性模量

凍融破壞對混凝土的結構和使用壽命構成嚴重威脅[1–4]。研究提高混凝土的抗凍性能和延長使用壽命具有重要的現(xiàn)實意義[5–6]。

油菜秸稈具有粗纖維含量高、木質部纖維組織發(fā)達、表面質地堅硬、抗拉強度高和韌性優(yōu)良的特性[7–8]。研究發(fā)現(xiàn)，油菜秸稈纖維摻入混凝土中有阻裂、增韌、保溫和提高力學性能的作用[9–11]。有關油菜秸稈纖維混凝土性能的研究，已取得一系列有益成果。曾哲等[12]研究表明，當油菜秸稈纖維長度為30～40 mm、體積摻量為0.1%時，混凝土的抗壓強度最佳；當纖維長度為20～30 mm、體積摻量為0.2%時，混凝土的劈裂抗拉和抗折強度最優(yōu)。張文俊等[13]研究表明，當纖維長度為>30～35 mm、體積摻量為1.5%時，混凝土的抗碳化性能提升最顯著。陳登等[14]研究表明，油菜秸稈的摻入能夠降低混凝土的導熱系數(shù)，改善混凝土的保溫性能，且粉狀秸稈的改善效果優(yōu)于條狀秸稈。對于油菜秸稈纖維混凝土的研究主要集中在力學性能[15]、保溫性能[16]、抗碳化性能[17]和抗鹽類侵蝕性能[18]等方面。筆者對油菜秸稈纖維混凝土進行快速凍融循環(huán)試驗，觀察不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的表觀形貌，測定其質量、橫向基頻，研究不同長度和體積摻量的油菜秸稈纖維混凝土的抗凍性能，并利用壽命預測模型預測混凝土的使用壽命，以期為油菜秸稈纖維混凝土的應用和推廣提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料

選取距地表200 mm以上的油菜秸稈，清洗后曬干，去除內部絮狀物，并裁切成長度10～15 mm、>15～20 mm、>20～25 mm、>25～30 mm的秸稈段，置于2%的NaOH溶液中浸泡24 h[19–20]，用清水洗凈后于烘箱中烘烤6 h，制得表觀密度為0.34 g/cm3的油菜秸稈纖維。

混凝土材料：水泥，P?O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料，粒徑5～20 mm連續(xù)級配的碎石；細骨料，河砂，細度模數(shù)2.47；減水劑，萘系減水劑，減水率20%；硅灰，高活性微硅灰。

1.2　方法

1.2.1試件制作

混凝土設計強度為C35，依據(jù)JGJ 55—2011[21]和預備試驗結果，確定混凝土用水量為176 kg/m3，經(jīng)計算，水泥、砂、石質量比為1.00∶1.76∶3.56，水灰比為0.50。設置4種纖維長度(10～15 mm、>15～20 mm、>20～25 mm、>25～30 mm)和4種纖維體積摻量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)。為確保油菜秸稈纖維在混凝土中分布均勻，避免結團或成束，采用先干拌，后逐次加水濕拌的攪拌方式：首先在臥式攪拌機加入粗骨料、細骨料，攪拌60 s，再加入水泥、減水劑、硅灰、油菜秸稈纖維，攪拌60 s，將水等分3次加入，每次攪拌30 s。攪拌完成后將拌合物裝入試模，插搗振實，置于振動臺振動60 s，抹平表面，養(yǎng)護24 h后拆模，在靜水中養(yǎng)護28 d。

制作100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體混凝土試件進行凍融循環(huán)試驗，17組試件，每組3個，以不摻油菜秸稈纖維混凝土作對照。各組纖維長度及體積摻量見表1。

表1　油菜秸稈纖維混凝土試件的纖維長度和體積摻量

1.2.2凍融試驗

依據(jù)GB/T 50082—2009[22]，在TDR–28型混凝土快速凍融循環(huán)試驗機上進行油菜秸稈纖維混凝土試件的快速凍融循環(huán)試驗。取靜水養(yǎng)護28 d后的試件，擦干表面水分并稱重，使用DT–20混凝土動彈性模量測試儀測定混凝土試件初始橫向基頻，觀察表觀形貌后開始凍融循環(huán)試驗。分別于循環(huán)25、50、75、100次后取出試件，用清水沖去表面浮渣，擦干表面水分，再稱重，測試橫向基頻，觀察表觀形貌，記錄試驗結果。將試件正反兩面顛倒再放入試驗機內，繼續(xù)進行凍融試驗，循環(huán)100次后，停止試驗。當相對動彈性模量低于60%或質量損失率大于5%時試件被破壞，停止試驗。

用試件質量損失率和相對動彈性模量來表征凍融損傷程度。

1.2.3混凝土凍融損傷模型及壽命預測模型的建立

選用與混凝土較吻合的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)威布爾模型[23]對油菜秸稈纖維混凝土的凍融損傷進行預測。對兩參數(shù)威布爾公式進行變換并代入試驗數(shù)據(jù)，得到油菜秸稈纖維混凝土威布爾分布凍融損傷模型。

根據(jù)朱晨飛等[24]的研究，建立油菜秸稈纖維混凝土一元二次函數(shù)凍融損傷模型。

分別對油菜秸稈纖維混凝土威布爾分布凍融損傷模型和一元二次函數(shù)凍融損傷模型進行回歸擬合，決定系數(shù)2能夠衡量擬合結果的精確度。當0.9<21時，表明擬合精度好；越接近1，表示擬合精度越高[25]。

根據(jù)凍融損傷模型，可計算出油菜秸稈纖維混凝土的最大抗凍次數(shù)。利用壽命預測模型[26]，對油菜秸稈纖維混凝土的使用壽命進行預測。

室內外損傷比例系數(shù)()是達到相同損傷時標準室內凍融一次相當于天然條件下的凍融次數(shù)。中國水利水電科學研究院在北京十三陵抽水蓄能電站進行混凝土抗凍耐久性的現(xiàn)場試驗，得到12。不同地區(qū)的環(huán)境條件千差萬別，簡單的取同一數(shù)值并不合理。室內外損傷比例系數(shù)取值使用武海榮等[27]提出的計算方法，根據(jù)標準室內凍融速率和不同地區(qū)現(xiàn)場最冷月降溫速率確定室內外損傷比例系數(shù)。

1.3　數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2016 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，并進行相關回歸分析。

2　結果與分析

2.1　油菜秸稈纖維長度和體積摻量對凍融混凝土外部破損的影響

經(jīng)過100次凍融的油菜秸稈纖維混凝土的表觀形貌如圖1所示。

1　CK試件；2　試件A1；3　A2試件；4　A3試件；5　A4試件；6　B2試件；7　C2試件；8　D2試件。

經(jīng)受100次凍融循環(huán)后油菜秸稈纖維混凝土的表觀形貌均較為完整。普通混凝土出現(xiàn)表層砂漿輕微剝落、掉渣的現(xiàn)象(圖1–1)。A1試件(纖維體積摻量為0.2%、纖維長度為10～15 mm)表面剝蝕較嚴重，分布大量較大孔洞(圖1–2)；A2試件(纖維體積摻量為0.2%、纖維長度為>15～20 mm)表面剝蝕較輕，雖周邊粗糙不平，但中心部位較為平整光滑，表觀形貌較普通混凝土完好(圖1–3)；A3試件(纖維體積摻量為0.2%、纖維長度為>20～25 mm)表面均勻分布少量較大孔洞(圖1–4)；而相同纖維摻量的A4試件(纖維長度>25～30 mm)表層砂漿嚴重脫落，表面可見裸露的粗骨料，呈蜂窩麻面形態(tài)(圖1–5)。當纖維長度>15～20 mm時，隨著纖維體積摻量的增多，混凝土表面破損情況愈發(fā)嚴重，其中纖維體積摻量為0.4%的B2試件表面密布較小孔洞(圖1–6)；纖維體積摻量為0.6%的C2試件表面粗糙不平，表層纖維失去砂漿粘結，棱角脫落(圖1–7)；纖維體積摻量為0.8%的D2試件表面粗糙不平，可見大量裸露的纖維和粗骨料，嚴重剝落(圖1–8)。可見，油菜秸稈纖維的摻入能夠提升混凝土的抗剝落性能，改善混凝土的抗凍性能，其中長度>15～20 mm、體積摻量為0.2%的混凝土的抗凍性能最佳。

2.2　油菜秸稈纖維長度和體積摻量對凍融混凝土質量的影響

油菜秸稈纖維混凝土凍融循環(huán)作用下的質量損失率列于表2。

表2　凍融循環(huán)作用下油菜秸稈纖維混凝土的相對動彈性模量和質量損失率

“—”表示試件已破壞。

由表2可知，凍融后的油菜秸稈纖維混凝土質量損失小，僅25次、50次凍融循環(huán)后部分試件質量下降，其余試件質量未發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象。這是由于混凝土試件所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)較少，無大體積塊體脫落，表層剝落的混凝土質量較小。但由于在凍融循環(huán)作用下，混凝土試件表面和內部均會產生裂縫，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，裂縫的數(shù)量逐漸增多，長度和寬度逐漸增大，裂縫之間相互貫通，環(huán)境中的水通過裂縫滲入試件內部，能夠抵消試件表層脫落引起的質量下降，導致試件出現(xiàn)了質量不降反增現(xiàn)象。

由于油菜秸稈纖維混凝土質量損失率變化微小，且出現(xiàn)了質量不降反增的現(xiàn)象，存在較大誤差，這也說明質量損失率并不能很好地評價混凝土的凍融損傷情況。

2.3　油菜秸稈纖維長度和體積摻量對凍融混凝土內部損傷的影響

油菜秸稈纖維混凝土凍融后，其相對動彈性模量如表2所示。

從表2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，總體上油菜秸稈纖維混凝土的相對動彈性模量呈遞減的趨勢。普通混凝土100次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量下降至初始值的58.7%，低于60%，發(fā)生凍融破壞；纖維長度>15～20 mm、體積摻量為0.2%的A2試件，經(jīng)受25次凍融循環(huán)后相對動彈性模量達到100.3%，表明纖維混凝土仍在進行水化反應，且水化可以發(fā)揮一定的損傷自愈效用[28]；纖維長度>15～20 mm的A2、B2、C2、D2試件的下降趨勢最慢，100次凍融循環(huán)后，其相對動彈性模量相比于普通混凝土分別增加了33.4%、27.6%、23.1%、26.6%；而纖維長度>25～30 mm的A4、B4、C4、試件的相對動彈性模量下降速率最快?？梢?，當纖維長度>15～20 mm時，混凝土相對動彈性模量達到最大，側面反映了纖維長度>15～20 mm的混凝土抗凍性能最佳。

纖維體積摻量為0.2%的A1、A2、A3、A4試件的相對動彈性模量下降趨勢平緩，100次凍融循環(huán)后，它們的相對動彈性模量比普通混凝土的分別增加了33.4%、34.4%、30.7%、28.7%?？傮w上，纖維體積摻量為0.2%的混凝土相對動彈性模量最大，間接說明0.2%的纖維體積摻量對混凝土抗凍性能提升效果最好。

綜上，油菜秸稈纖維能夠改善混凝土的抗凍性能，當纖維長度>15～20 mm、體積摻量為0.2%時，改善效果最佳。

3　油菜秸稈纖維混凝土凍融損傷模型的比較與壽命預測

分析凍融后的油菜秸稈纖維混凝土的表觀形貌、質量損失率及相對動彈性模量，結果表明，一定長度和體積摻量的油菜秸稈纖維能夠改善混凝土的抗凍性能。由于質量損失率存在較大誤差，因而僅將相對動彈性模量數(shù)據(jù)代入凍融損傷模型，并借助壽命預測模型對油菜秸稈纖維混凝土的使用壽命進行預測。

3.1　油菜秸稈纖維混凝土凍融損傷模型

分別對油菜秸稈纖維混凝土威布爾分布凍融損傷模型和一元二次函數(shù)凍融損傷模型進行回歸擬合，結果列于表 3、表4。

表3　威布爾分布凍融損傷模型擬合系數(shù)和決定系數(shù)

、分別為回歸方程一次項和常數(shù)項擬合系數(shù)。

表4　一元二次函數(shù)凍融損傷模型系數(shù)和決定系數(shù)

、、分別為回歸方程二次項、一次項和常數(shù)項擬合系數(shù)。

由表3和表4可知，威布爾分布的凍融損傷模型的決定系數(shù)均在0.930 0以上，一元二次函數(shù)凍融損傷模型決定系數(shù)均在0.980 0以上，可見一元二次函數(shù)凍融損傷模型具有更高的精度，能夠更好地反映和預測油菜秸稈纖維混凝土在凍融循環(huán)過程中的損傷劣化。

3.2　油菜秸稈纖維混凝土壽命預測

在快速凍融條件下，以相對動彈性模量低于60%作為混凝土的凍融破壞標準，將=0.6代入精度較高的一元二次函數(shù)凍融損傷模型中，可得到普通混凝土及抗凍性能最佳的A2組混凝土最大抗凍次數(shù)分別為92次和219次。對兩組混凝土在哈爾濱、拉薩、石家莊、長沙、上海的使用壽命進行預測，結果列于表5。

表5　不同地區(qū)油菜秸稈纖維混凝土的預測壽命

年平均凍融循環(huán)次數(shù)取值自文獻[29]；凍融降溫速率取值自文獻[27]；室外環(huán)境凍融降溫速率取中間值。

從表5可以看出，僅考慮凍融劣化作用，基于實驗室模擬結果，纖維混凝土的使用壽命約為普通混凝土的2.4倍，油菜秸稈纖維明顯改善混凝土的抗凍性能。纖維長度>15～20 mm、體積摻量為0.2%的纖維混凝土在華中及東部地區(qū)的使用壽命明顯高于東北、華北和西南地區(qū)。能夠滿足華中和東部地區(qū)耐用年限100 a以上的重要建筑和高層建筑、華北地區(qū)耐用年限為25～50 a的次要建筑、東北和西南地區(qū)耐用年限為15 a以下的臨時建筑的要求。

[1] 孟博旭，許金余，彭光．納米碳纖維增強混凝土抗凍性能試驗[J]．復合材料學報，2019，36(10)：2458–2468．

[2] 鄧宗才，張鵬飛，劉愛軍，等．高強度纖維素纖維混凝土抗凍融性能試驗研究[J]．公路，2009，54(7)：304–308．

[3] CAVDAR A．Investigation of freeze–thaw effects on mechanical properties of fiber reinforced cement mortars[J]．Composites Part B：Engineering，2014，58：463–472．

[4] KOSIOR–KAZBERUK M，BERKOWSKI P．Surface scaling resistance of concrete subjected to freeze-thaw cycles and sustained load[J]．Procedia Engineering，2017，172：513–520．

[5] 高蕾，陳拴發(fā)．配合比設計參數(shù)對高性能混凝土抗凍性敏感特性的影響[J]．交通運輸工程學報，2006，6(4)：27–31．

[6] 潘鋼華，孫偉，姜陽．高強混凝土抗凍性的理論和實驗研究[J]．硅酸鹽學報，1999，27(6)：637–643．

[7] 甘國渝，鄒家龍，陳曦，等．中國油菜生產格局與施肥研究現(xiàn)狀[J]．湖北農業(yè)科學，2022，61(1)：5–11．

[8] 宋新南，房仁軍，王新忠，等．油菜秸稈資源化利用技術研究[J]．自然資源學報，2009，24(6)：984–991．

[9] 陳兵，劉寧．基于磷酸鎂水泥的植物莖稈增強混凝土試驗研究[J]．建筑材料學報，2016，19(6)：1046–1050．

[10] 劉巧玲，劉保華，張強．油菜秸稈纖維混凝土力學性能研究[J]．混凝土與水泥制品，2012(12)：51–53．

[11] 耿睿，姚勇，褚云朋，等．秸稈纖維混凝土力學性能影響因素分析[J]．混凝土與水泥制品，2017(12)：54–56．

[12] 曾哲，劉保華，張文俊，等．低摻量油菜秸稈纖維混凝土力學性能試驗研究[J]．中國農業(yè)科技導報，2019，21(6)：117–123．

[13] 張文俊，劉保華，周文，等．油菜秸稈纖維混凝土抗碳化性能的試驗研究[J]．湖南農業(yè)大學學報(自然科學版)，2021，47(1)：96–100．

[14] 陳登，宋旭艷，姜正平，等．秸稈與粉煤灰復摻對混凝土性能的影響[J]．混凝土與水泥制品，2020(4)：100–103．

[15] 宋星宇，姚勇，褚云朋，等．油菜秸稈和粉煤灰對砂漿性能影響因素分析[J]．混凝土與水泥制品，2018(5)：48–52．

[16] 曾哲，劉巧玲，劉保華，等．油菜秸稈纖維混凝土保溫性能試驗研究[J]．中國農學通報，2018，34(35)：130–134．

[17] 劉巧玲，張文?。疁貪穸葘τ筒私斩捇炷量固蓟杂绊懺囼炑芯縖J]．中阿科技論壇(中英文)，2021(10)：88–90．

[18] 黃偉，劉保華，齊臻，等．油菜秸稈灰分混凝土抗硫酸鹽的侵蝕性能[J]．湖南農業(yè)大學學報(自然科學版)，2016，42(2)：222–224．

[19] BLEDZKI A K，REIHMANE S，GASSAN J J．Properties and modification methods for vegetable fibers for natural fiber composites[J]．Journal of Applied Polymer Science，1996，59(8)：1329–1336．

[20] 楊政險，李慷，張勇，等．天然植物纖維預處理方法對水泥基復合材料性能的影響研究進展[J]．硅酸鹽學報，2022，50(2)：522–532．

[21] JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規(guī)程[S]．

[22] GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S]．

[23] 徐存東，李智睿，連海東，等．凍融循環(huán)下玄武巖纖維混凝土的耐久性壽命預測[J]．混凝土，2022(1)：1–6．

[24] 朱晨飛，劉曉軍，李文哲，等．混雜纖維混凝土凍融耐久性與損傷模型研究[J]．工業(yè)建筑，2015，45(2)：10–14．

[25] 丁思統(tǒng)．威布爾(Weibull)分布及其擬合[J]．江西農業(yè)大學學報，1985，7(3)：45–52．

[26] 李金玉，彭小平，鄧正剛，等．混凝土抗凍性的定量化設計[J]．混凝土，2000(12)：61–65．

[27] 武海榮，金偉良，延永東，等．混凝土凍融環(huán)境區(qū)劃與抗凍性壽命預測[J]．浙江大學學報(工學版)，2012，46(4)：650–657．

[28] 康天蓓，金立偉，周靜海，等．基于超聲檢測的廢棄纖維再生混凝土彈性模量試驗研究[J]．科學技術與工程，2022，22(8)：3248–3253．

[29] 李曄，姚祖康，孫旭毅，等．鋪面水泥混凝土凍融環(huán)境量化研究[J]．同濟大學學報(自然科學版)，2004，32(10)：1408–1412．

Experimental study on the frost resistance of the rape straw fiber reinforced concrete

GU Yue，LIU Baohua*，ZHANG Fan，CAO Chen，ZHANG Shilong，LIAO Xianling

(College of Water Resources & Civil Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

The treated rape straw fiber was cut into 4 lengths of 10-15 mm, >15-20 mm, >20-25 mm and >25-30 mm, and mixed into the rape straw fiber concrete with the volume content of 0.2%, 0.4%, 0.6% and 0.8% for each fiber length respectively, which were used to carry out the freeze-thaw cycle test. The apparent morphology of the rape straw fiber reinforced concrete was observed for 25, 50, 75 and 100 freeze-thaw cycles, and its mass and dynamic elastic modulus were measured. The effects of the length and volume content of the rape straw fiber on the freeze-resistance of concrete were studied, to predict the service life of rape straw fiber reinforced concrete. The results showed that the concrete had the strongest anti-stripping ability, when the length of rape straw fiber was larger than >15-20 mm and the volume content was 0.2%. After 100 freeze-thaw cycles, its relative dynamic elastic modulus was the largest of 93.1% with the best freezing resistance, which was 34.4% higher than that of ordinary concrete. Both Weibull distribution model and one-dimensional quadratic function model could well reflect the freeze-thaw damage process of the rape straw fiber reinforced concrete. The fitting accuracy of one-dimensional quadratic function model is greater than 0.98. Considering only the effect of freeze-thaw deterioration, the service life of the rape straw fiber reinforced concrete with the best freeze-resistance was about 2.4 times that of ordinary concrete, which could meet the service life of 16.7 years in Harbin, 17.3 years in Lasha, 36.7 years in Shijiazhuang, 136.1 years in in Changsha, 189.3 years in Shanghai.

rape straw fiber reinforced concrete; frost resistance; relative dynamic modulus of elasticity

TU528.572

A

1007–1032(2023)05–0603–06

谷悅，劉保華，張繁，曹琛，張施龍，廖賢陵．油菜秸稈纖維混凝土抗凍性能的試驗研究[J]．湖南農業(yè)大學學報(自然科學版)，2023，49(5)：603–608．

GU Y，LIU B H，ZHANG F，CAO C，ZHANG S L，LIAO X L．Experimental study on the frost resistance of the rape straw fiber reinforced concrete[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2023，49(5)：603–608．

http://xb.hunau.edu.cn

2022–08–22

2023–06–20

湖南省自然科學基金項目(2019JJ60030)

谷悅(1997—)，女，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，主要從事混凝土材料研究，1774629611@qq.com；*通信作者，劉保華，碩士，副教授，主要從事新型建筑材料及土木工程結構研究，bhliu@hunau.edu.cn

10.13331/j.cnki.jhau.2023.05.015

責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立