在温度较低的寒冷地区，为了使构筑物的耐久性和强度仍满足使用标准，人们对混凝土抗冻性提出了更高的要求^[1]。经过大量的研究发现，在混凝土中掺入纤维可以在一定程度上改善寒冷地区公路路面、桥墩等的混凝土开裂情况，有效提高混凝土的抗冻性能及耐久性^[2-5]。

为了研究纤维对混凝土抗冻性能的影响，国内外学者进行了大量试验，研究纤维混凝土材料在冻融循环作用下的力学性能和损伤特性。蔡迎春等^[6]为了研究不同纤维掺量对混凝土在冻融循环作用下质量损失和相对动弹性模量的影响，进行了纤维混凝土快冻法试验，结果表明：聚丙烯纤维混凝土在冻融循环下的耐久性得到明显提高，并且和单掺纤维相比，混杂纤维的抗冻效果更好。刘卫东等^[7]基于宏观损伤力学方法，通过无损检测技术，进行了聚丙烯纤维混凝土冻融试验，并根据试验数据确立了冻融循环作用下冻融次数和聚丙烯纤维混凝土动弹性模量的关系。GE Xinmin等^[8]研究了不同钢纤维掺量和含气量下混凝土的抗冻性能，结果表明，加入纤维后，能有效减小冻融损伤，提高混凝土的抗冻性能。实际上，孔结构作为混凝土细观结构的重要内容，对混凝土抗冻性和耐久性有直接影响^[9]。温家宝等^[10]进行了混凝土冻融循环试验，对混凝土孔结构、孔隙率、孔径分布等进行了对比分析。牛荻涛等^[11]对钢纤维混凝土孔径分布特征进行研究，发现混凝土掺加了钢纤维后，其孔隙率减小，提高了混凝土抗冻性能。

大量研究表明，混凝土内部孔结构对混凝土抗冻性能有重要影响^[12]。纵观纤维混凝土的抗冻性能研究现状，主要是基于混凝土宏观力学性能等方面，而从微观孔结构层面对混凝土抗冻性能的研究分析主要是对不掺加纤维的混凝土或单掺一种纤维的混凝土，而对多尺度聚丙烯纤维混凝土的基体微观孔结构以及孔结构与混凝土抗冻性的关系鲜有报道。基于笔者之前的研究^[13]，试验选用1种聚丙烯粗纤维和2种尺寸的聚丙烯细纤维，在相同条件下进行单掺及混掺，然后进行快速冻融试验，在分析不同纤维掺量混凝土质量损失和动弹性模量随冻融循环次数变化规律以及冻融循环前后混凝土力学性能变化规律的基础上，进行压汞试验，研究多尺度聚丙烯纤维对混凝土基体微观孔结构的改善机理，分析多尺度聚丙烯纤维混凝土孔结构与抗冻性的关系，为其在实际工程中的抗冻设计和施工应用提供理论依据。

1 试验设计 1.1 材料及配合比

试验采用强度42.5R的水泥；采用粒径为5~10 mm及10~20 mm的碎石作为粗骨料；采用细度模数分别为0.8和3.1的特细砂和人工砂作为细骨料；采用聚羧酸高效减水剂作为减水剂；聚丙烯纤维性能指标如表 1所示。混凝土配合比如表 2所示，强度等级为C30。粗、细聚丙烯纤维的掺量推荐最佳掺量，单掺聚丙烯细纤维的最佳掺量为0.9 kg/m³，单掺聚丙烯粗纤维的最佳掺量为6 kg/m³。

1.2 拌合工艺

聚丙烯纤维在混凝土中的分散性非常重要^[14-15]。试验采用先掺法，搅拌过程按以下步骤进行：首先，在搅拌筒内倒入砂和石子，启动搅拌机，同时将聚丙烯纤维均匀撒入搅拌筒内，搅拌约2 min；随后，缓慢倒入水泥，继续搅拌约2 min；最后，缓慢均匀倒入水，再搅拌约2 min。整个搅拌完成后，测试混凝土坍落度以确认和易性满足施工要求。

1.3 设备及试验方法

试验设计制作了9组，每组7个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，用作未经冻融循环试件抗压强度、劈裂抗拉强度和压汞试验；并制备9组，每组3个100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件进行冻融循环试验。

标准养护28 d后，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082—2009)中混凝土抗冻性能试验的“快冻法”进行冻融循环试验，设备采用NJW-HDK-9型微机全自动混凝土快速冻融试验系统，用感量为0.5g的中国凯丰集团KF-H2型电子秤和天津市建筑仪器厂DT-10W动弹仪分别测量记录各组试件在0、25、50、75、100、125、150、175、200次冻融循环下的质量和动弹性模量。试验结果如表 3所示。

将经过冻融循环后的每个棱柱体两端加工成2个边长为100 mm的标准立方体，并用游标卡尺测量其尺寸，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)，采用YAW-1000型压力试验机测得未冻融以及冻融后的9组共108个试件的抗压和劈裂抗拉强度。

压汞试验是先将剩余的1组100 mm×100 mm×100 mm立方体试件用鄂式破碎机破碎成2.5~5 mm的颗粒，洗净并烘干至质量恒定，然后选取不含碎石的纯砂浆颗粒，采用美国Micromeritics公司生产的AutoPore Ⅳ 9510型全自动压汞仪进行孔结构测定。该设备的压力施加范围为0.003~414 MPa，可测最小孔径为3 nm。

2 试验结果分析

采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082—2009)中混凝土抗冻性能试验的“快冻法”进行冻融试验。试验结果如表 3、图 1和图 2所示。

1) 分析图 1、图 2可以看出，冻融循环次数越多，试件的质量损失率和相对动弹性模量损失率也越大。

2) 对比单掺细纤维的A1、A2试件与单掺粗纤维的A3试件，相比于素混凝土A0试件，A1、A2试件的质量损失率得到了降低，但A3试件的质量损失率却不降反增，说明单掺粗纤维对混凝土质量损失率不能起到正向的增强作用。

3) 图 1为不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土在不同冻融次数下的质量损失率变化曲线图。根据数据结果可知：经过200次冻融循环作用后，质量损失率最大的试件达到了0.732 4%，为单掺粗纤维的A3试件；质量损失率第二高的素混凝土A0试件的质量损失率为0.656 2%；A4~A8试件的质量损失率均小于A0~A3试件，这表明混掺2种或3种纤维，能够降低试件的质量损失率，特别是混掺多尺寸聚丙烯纤维的混凝土试件A8，质量损失率最低，仅为0.152 9%，这说明3种尺寸聚丙烯纤维混掺可以提高冻融循环后混凝土的完整性。

4) 图 2为随着冻融次数增加不同纤维掺量混凝土相对动弹性模量损失率变化的曲线图。分析图 2可知：9组试件的相对动弹性模量损失率随着冻融循环次数的增加而增加，在前25次冻融循环中，试件的相对动弹性模量变化速率较快，之后有所减慢；在100次冻融循环后变化速率再一次增加。在掺入了聚丙烯纤维的8组试件中，混掺纤维试件A4~A8的相对动弹性模量损失相对于单掺纤维试件A1~A3有了明显降低；对比分析混掺纤维的A4~A8试件，相对于混掺2种纤维的A4~A6试件，多尺度聚丙烯纤维混凝土试件A7和A8的相对动弹性模量损失得到了明显抑制，且变化速率也更慢，说明多尺度聚丙烯纤维混凝土具有更好的抗冻性；与聚丙烯纤维混凝土相比，素混凝土A0的相对动弹性模量损失速率上升最快，损失也最大，表明纤维的掺入有效地延缓了混凝土内部微裂缝的发展，抑制了冻融对混凝土产生的损伤。整体来看，多尺寸聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能最强，混掺2种聚丙烯纤维混凝土次之，但其抗冻性能优于单掺聚丙烯纤维混凝土，素混凝土的抗冻性能最弱；对于混掺纤维混凝土，提升细纤维的比例，混凝土的抗冻性能会得到提升，这是由于不同尺寸纤维能更好地协调发挥捆绑与桥接作用，改善混凝土基体孔结构。

2.1 未冻融混凝土抗压及劈裂抗拉强度

试验采用100 mm×100 mm×100 mm非标准试件，测得的抗压强度值均应乘以尺寸换算系数0.95，劈裂强度值需乘以尺寸换算系数0.85。冻融前的混凝土抗压和劈裂抗拉强度，如图 3和图 4所示。

分析图 3、图 4可知：1)聚丙烯纤维的加入对混凝土的抗压和劈裂抗拉强度均有所提高，与素混凝土相比，抗压强度提高了2%~63.5%，抗拉强度提高了6.5%~29.1%；2)单掺聚丙烯粗纤维对混凝土抗压和劈裂抗拉强度提高明显，但单掺聚丙烯细纤维对其提升效果不明显；3)分析混掺2种聚丙烯纤维的A4~A6混凝土试件，可以发现，在纤维总掺量相同的情况下，提升细纤维的掺量，混凝土的抗压和劈裂抗拉强度提高越大。与A4相比，A5的抗压和抗拉强度分别提高了18.4%和11.2%；A6的抗压强度提高21.2%，抗拉强度提高12.2%；4)分析A7、A8试件，可以看出，A8试件的抗压和劈裂抗拉强度分别比A7试件提高了11.7%和3.3%，即纤维总掺量一定时，混掺纤维中的细纤维占比越大，混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度提升越大；5)A5和A7以及A6和A8的纤维总掺量及粗、细纤维比例均相同，对比试验结果可知，与A5试件相比，A7的抗压强度和抗拉强度分别提高了12.2%和5.2%；与A6相比，A8的抗压强度提高了22.5%，抗拉强度提高了6.3%。综上可知：多尺度聚丙烯纤维对混凝土抗压和劈裂抗拉性能的提升效果最显著；在纤维总掺量保持不变的情况的下，适当提升细纤维比例，可提升多尺寸聚丙烯纤维对混凝土性能的增强效果。

2.2 冻融后混凝土抗压及劈裂抗拉强度

图 5和图 6分别为冻融后各试件抗压强度和劈裂抗拉强度损失率的柱形图。由这2幅图可知：将单掺聚丙烯细纤维混凝土试件A1和A2与素混凝土相比，可以看到，A1和A2的抗压和劈裂抗拉强度损失率的降低并不明显。比较分析纤维总掺量相同的混掺试件A4~A8，掺加3种不同尺寸的多尺度聚丙烯纤维混凝土试件A7、A8的强度损失率比混掺2种纤维的A4~A6试件更低。对比分析粗、细纤维掺量分别相同的A5、A7以及A6、A8试件，多尺寸聚丙烯纤维混凝土A7的抗压和劈裂抗拉强度损失率分别为12.2%和10.7%，远低于A5的17.3%和13.2%；多尺寸聚丙烯纤维混凝土A8的抗压和劈裂抗拉强度损失率为10.5%和9.4%，远低于A6的16.8%和12.8%。而比较分析A7和A8 2种多尺度聚丙烯纤维混凝土，可以发现细纤维占比较多的A8试件的抗压劈裂强度和抗拉强度损失率相比于A7试件都更低，即多尺度聚丙烯纤维混凝土试件A8的抗冻性最好。

2.3 微观孔结构

根据试验结果可知，在8组试件当中，多尺度聚丙烯纤维混凝土A8试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗冻性能均最优，因此，笔者选取A8试件，粗、细纤维掺量均与A8相同的A6试件，总纤维掺量与A8相同的单掺粗纤维试件A3和素混凝土砂浆微观孔结构特征与混凝土宏观抗冻性能的关系。

压汞测孔仪的基本工作原理是在给定的外界压力条件下，将一种非浸润且不与样品发生化学反应的液体(通常选用汞)压入多孔固体。根据毛细管现象可知：

$ p=\frac{2\sigma \cos \alpha }{r}, $

式中：p为将汞压入半径为r的孔隙中所需的压力值，MPa；r为孔隙半径，nm；σ为汞的表面张力，取σ=49.44 N/cm；α为汞与材料的润湿接触角，对混凝土取α=130°。

通过测量孔压力，可以求得该压力值下汞进入的最小孔孔径以及该等级孔隙体积。由于混凝土基体中孔隙的连通性，内部大孔必须通过表面的小孔才能与外界进行物质交换，而要使汞进入内部大孔就必须施加足够的压力通过表面的小孔。描述这一孔结构形态特征的参数是临界孔径，反映了混凝土基体孔隙的连通性和曲折性。从图 7混凝土水泥石累计压入汞量与孔径关系曲线图得到临界孔径，即压入汞量开始急剧增加时对应的孔径。素混凝土A0的临界孔径最大，表明其孔隙连通性好；A3、A6和A8的临界孔径比A0分别减小了25.22、50.28、46.08 nm，说明聚丙烯纤维的掺入可以降低孔隙的连通性，而且粗细纤维混掺的降低效果更好。

根据文献[16]将混凝土砂浆中的孔分为4类：凝胶孔(＜10 nm)，过渡孔(10~100 nm)，毛细孔(100~1 000 nm)，大孔(＞1 000 nm)。图 8为混凝土水泥石砂浆孔径分布微分曲线图，表 4为混凝土水泥石孔径分布特征数据结果。结合图 8和表 2可看出：A0和A3的孔隙率分别为13.11%和12.79%，二者相差不大，但A6和A8的孔隙率分别比A0增加了2.02%和3.33%。并且，A0的最可几孔径为62.88 nm，小于100 nm的细孔占65.82%，与A0相比，A3、A6和A8的最可几孔径分别降低了24.20、48.25、44.22 nm，细孔比率分别提高了11.96%、26.66%和23.81%，这说明聚丙烯纤维的掺入使混凝土孔结构在一定程度上得到了细化，而且，细聚丙烯纤维可在略微提高混凝土孔隙率的同时，增加胶凝孔和过渡孔所占比例，减少毛细孔含量，减小最可几孔径，降低了孔隙的连通性，混凝土砂浆孔结构得到明显改善，显著地提高了混凝土的抗冻性能。

3 机理分析

研究表明，混凝土的冻融破坏主要受饱水度、孔结构以及含气量的影响。根据静水压力理论以及渗透假说，混凝土的冻融破坏主要是由于水渗入混凝土内部微裂缝、毛细孔道等，在冻融条件下，水分不断的出现冻结、融化，混凝土基体内部结构会遭到孔隙水冻融而产生的膨胀力和渗透压力的破坏，宏观表现出来即为混凝土的动弹性模量下降、冻融后强度降低等。

基于笔者有关多尺寸聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的研究，在混凝土中加入多尺寸聚丙烯纤维后，不同尺度的纤维在水泥基体中形成了空间网络结构，起到了“承托”骨料的作用，细纤维有效的抑制混凝土微裂缝的产生与延展，而粗纤维能有效抑制宏观裂纹的产生。混掺后能在混凝土凝结硬化协同作用下，有效抑制混凝土硬化阶段裂缝的形成和发展，有效抑制因冻胀压力和渗透压力产生的微裂纹，降低损伤程度，提升其抗渗、抗冻性能。

在混凝土中掺入纤维后，纤维会在一定程度上阻碍混凝土搅拌和成型过程中基体内空气的溢出，细化内部大孔隙，增大胶凝孔和过渡孔比例，从而使得混凝土孔结构更趋于优化。产生的无数微小且不连通的气泡将提升混凝土的含气量，降低孔隙中的饱水程度；同时，由于混凝土内部闭合气泡的存在，可以缓解混凝土在冻融过程中因孔隙水结冰而产生的冻胀压力和渗透压力，减少对基体的破坏。

试验发现，在纤维总掺量相同的条件下，在一定范围内，提升细纤维比例可以有效提升混凝土力学性能和抗冻性能，这是由于相同质量下，细纤维的根数增加可以改善基体初始缺陷，提升含气量。而在细纤维和粗纤维掺量均相同的条件下，细纤维为2种时，其各项性能均优于细纤维为1种时的情况，即多尺寸聚丙烯纤维混凝土优于混掺2种纤维混凝土，这是由于多尺寸聚丙烯纤维级配更好，不同尺寸的纤维能分别作用于不同尺寸的裂缝，从而有效抑制微裂纹的产生和发展，降低了损伤程度。由此可见，通过向混凝土基体中混掺多尺寸聚丙烯纤维，减少了混凝土基体初始缺陷、提高了基体含气量，优化了基体微观孔结构，显著提高了混凝土的抗冻性。

而在纤维混凝土进行抗压、劈裂试验时，由于在其受力过程中多尺寸聚丙烯纤维能与混凝土共同变形，协同作用，并且不同尺寸的纤维能在混凝土裂缝发展的不同阶段发挥阻裂作用，形成三维乱向空间支撑体系使得混凝土裂而不坏，故能保持混凝土试件整体性，产生“箍筋效应”。在产生裂缝后，细纤维与粗纤维能在不同阶段分别受力，提高其抗压、劈裂抗拉能力。

4 结论

通过对不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件进行冻融循环试验，研究它们的质量、动弹性模量变化以及拉压强度变化等，比较不同掺量聚丙烯纤维对混凝土孔结构影响，并对孔结构与混凝土抗冻性能的关系加以分析，得到以下结论：

1) 在相同掺量条件下，多尺寸聚丙烯纤维对混凝土的抗冻性改善效果最好。这是由于混掺多尺寸聚丙烯纤维级配更好，且不同尺寸的纤维能分别作用于不同尺寸的裂缝，优化了基体微观孔结构，提高了混凝土的抗冻性。

2) 在纤维总掺量相同条件下，多尺寸聚丙烯纤维混凝土中细纤维所占比例由15%提高到20%时，混凝土冻融后抗压、抗拉劈裂强度损失率分别降低了13.93%和12.15%。即在一定范围内，增加细纤维掺入比例可以改善基体微观孔结构，提高混凝土抗冻耐久性。

3) 聚丙烯纤维在混凝土基体中主要起到改善优化孔结构和阻裂增韧的作用。对于多尺度聚丙烯纤维混凝土，3种不同尺寸的纤维混掺能互相支撑，形成三维乱向空间网架结构，提升混凝土基体的整体性，在改善混凝土内部孔结构的同时，起到显著的阻裂增韧效果，进一步提高混凝土抗冻性能。