松針纖維泡沫混凝土抗凍性能分析

摘 要：【目的】探究松針纖維堿處理浸泡時間對松針纖維泡沫混凝土抗凍性能的影響。【方法】通過添加松針纖維改善泡沫混凝土力學性能及抗凍性能，制備了4組松針纖維堿不同浸泡處理時間的泡沫混凝土，通過對比松針纖維泡沫混凝土的質量損失率、抗壓強度、相對動彈模量，分析松針纖維堿浸泡的最佳時間?！窘Y果】結果表明，松針纖維泡沫混凝土的抗凍性能較對照組均有提高，其中，松針纖維堿浸泡12 h的抗凍性最強?！窘Y論】研究成果可為季凍區的泡沫混凝土道路回填等應用提供參考。

關鍵詞：泡沫混凝土；纖維堿處理；凍融循環

中圖分類號：TU528.572" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）05-0072-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.013

Analysis of Frost Resistance of Pine Needle Fiber Foam Concrete

ZHOU Xiaxin1 XI Rupeng 2 XIONG Zhixiang 2 LI Siliang 1

（1.School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400041， China;

2. Chongqing Industrial Equipment Installation Group Co.， Ltd.， Chongqing 400041， China）

Abstract： [Purposes] The objective of this study is to investigate the effect of soaking time of pine needle fiber alkali treatment on the frost resistance of pine needle fiber foam concrete. [Methods] The mechanical properties and frost resistance of foam concrete were improved by adding pine needle fiber， and four groups of pine needle fiber alkali treatment foam concrete with different times were prepared， and the optimal soaking time of pine needle fiber foam was analyzed by comparing the mass loss rate， compressive strength and relative dynamic elastic modulus of pine needle fiber foam concrete. [Findings] The results showed that the frost resistance of pine needle fiber foam concrete was improved compared with the control group， and the frost resistance of pine needle fiber foam treated with pine needle fiber alkali for 12 h was the strongest. [Conclusions] The research results can provide a reference for the application of foam concrete road backfilling in the frozen area.

Keywords： foam concrete; fiber alkali treatment; freeze-thaw cycle

0 引言

泡沫混凝土為多孔結構，其具有自重較輕、密度較低的優點，可在道路承受交通荷載與其他外部荷載的同時有效減輕道路的自重，被廣泛應用于工程建設中［1］。泡沫混凝土輕質的特點還可減少道路沉降，因地基沉降會導致道路結構變形，使用泡沫混凝土回填，可減少道路變形，延長道路使用壽命。泡沫混凝土流動性較好，可加快施工速度，減少能源消耗，其快速填充于橋梁與道路中，節省施工時間［2］。

泡沫混凝土內部孔隙較多，保溫隔熱性較強，可作為道路回填材料，但因孔隙較多，凍融循環中孔隙吸水，可能會發生凍脹、翻漿等問題，導致道路抗壓強度降低［3］。松針纖維作為一種天然的植物纖維，包含60%纖維素、17.7%木素、11.1%抽提物和3.3%灰分，其來源于自然界廣泛分布的松樹針葉，其生長速度快，極易采摘獲得，成本較低。老化后掉落的松針，自然降解會產生大量的二氧化碳，不利于環保。而松針纖維較長，用于纖維泡沫混凝土中，可在提高纖維泡沫混凝土性能的同時，減少人造纖維的使用。

目前，國內外針對凍融環境下纖維泡沫混凝土已有大量的研究。何金桃［4］研究發現PP纖維可以顯著提升粉煤灰泡沫混凝土的抗凍性能，且隨摻量的增加，改善效果越明顯。李永彪［5］研究發現，聚丙烯纖維摻入后，泡沫混凝土的強度最大提升4倍，隨著纖維長度的增大，抗壓強度也逐漸增加。孫浩文等［6］對玄武巖纖維泡沫混凝土抗凍融性能進行研究發現，隨凍融循環次數的增加，玄武巖纖維泡沫混凝土的吸水率和質量損失率增加，相對動彈性模量下降，相比之下，高密度和高纖維摻量的玄武巖纖維泡沫混凝土吸水率和質量損失率更小、相對動彈性模量更大。但對摻加植物纖維的泡沫混凝土研究較少，其中，對松針纖維的凍融循環損傷研究尚不明確，也未分析能夠反映試件凍融損傷的宏觀特性指標，如質量損失率、抗壓強度損失率、相對動彈性模量等指標。因此本研究基于以上指標，對松針纖維泡沫混凝土的抗凍性能進行研究。

1 松針纖維的處理

1.1 松針的纖維化處理

選用六到八月處于營養生長期的馬尾松葉，因松葉形狀像針，稱為松針，松針長度為12～20 cm，此階段的松針顏色為深綠，纖維硬度最大且韌性強。將已去除根部的松針全部切成15 mm左右長度的小段，然后將小段纖維進行洗滌除塵處理，自然晾干，用于制備對照組松針纖維泡沫混凝土。

1.2 松針的改性處理

天然植物纖維的預處理方式分為物理方法和化學方法，本研究采用化學方法中的堿處理方法。松針纖維中有黃酮類化合物、木脂素、戊聚糖、纖維素等，為了防止糖類、纖維素等對水泥水化的阻凝作用，把松針纖維浸泡于堿性溶液，將松針纖維中的黏附物除去，形成中空結構的松針纖維。

松針纖維的表面改性處理步驟如下：①分別稱取3組一定質量的松針纖維；②稱取一定質量的NaOH，放入水中，配置濃度為2%的NaOH溶液，待溫度降至室溫后，放入松針纖維，每組分別浸泡6、12、18 h；③分別將每組改性后的松針纖維從堿性溶液中撈出，用流水沖洗松針纖維表面的NaOH溶液，直至pH為7；④分組放入電熱恒溫干燥箱，烘干至恒重（嚴格控制恒溫干燥箱溫度低于60 °C），自然冷卻至室溫，將每組纖維稱重記錄。

松針纖維的處理流程如圖1所示，將經過堿處理浸泡的松針纖維用于制備松針纖維泡沫混凝土試件。

2 試驗制備與方法

2.1 試驗原料與試件制備

首先，按照0.5的水灰比稱取一定質量的水泥、水、粉煤灰，加入攪拌機中攪拌3 min；其次，將發泡劑與水（1∶60）混合均勻，用水泥發泡機制備細膩穩定的泡沫，稱取對應質量的泡沫加入攪拌機，攪拌3 min；最后，將稱取質量分數為1%的松針纖維邊攪拌邊加入攪拌機，為防止纖維結團，每次攪拌至水泥漿表面看不到松針纖維時再次加入。

將攪拌好的拌和物取樣進行流動度、濕密度試驗，然后將拌和物裝模后覆蓋保鮮膜靜置2 d脫模，在標準養護室養護28 d，取出后烘干稱重。

2.2 流動度試驗

拌和物流動度是泡沫混凝土流動性的關鍵指標，拌和物的流動性影響松針纖維泡沫混凝土的強度、空隙率及施工中的和易性。為滿足施工自流平和回填時快速填充的要求，新拌泡沫混凝土的塌落體最大水平直徑應為16～18 cm。

拌和物流動度如圖2所示。由圖2可知，隨著松針纖維堿處理浸泡時間的增加，新拌松針纖維泡沫混凝土的流動度先增加后下降。與對照組相比，除6 h的流動度略有下降，12 h和18 h流動度都有提高。其中，松針纖維堿處理浸泡時間為12 h時，流動度最大，增加了0.8 cm。這是由于隨著松針纖維在堿性溶液中的浸泡時間的增加，纖維內的木脂素、戊聚糖等物質被堿性溶液溶解，而超過12 h后，松針纖維表面的粘連性增加，此時將松針纖維加入水泥漿料中易出現結團情況，導致拌和物流動度下降。

3 抗凍性能分析

松針纖維泡沫混凝土為多孔結構，在季節性凍土地區的道路回填中，當溫度低于0 ℃時，道路土地

3 抗凍性能分析

松針纖維泡沫混凝土為多孔結構，在季節性凍土地區的道路回填中，當溫度低于0 ℃時，道路土壤中的水分存在明顯凍結現象；當溫度高于0 ℃時，土壤中的水分不斷結晶、融化及遷移，凍融循環會造成道路發生體積脹縮，出現翻漿、唧泥等道路病害。

松針纖維泡沫混凝土的抗凍性，通過分析不同的處理浸泡時間的松針纖維堿，在凍融循環后的質量損失、抗壓強度損失、相對動彈模量結果來評估。

3.1 凍融循環試驗方法

依據抗凍的兩因素設計試驗，松針纖維堿處理浸泡時間為6、12、18 h，凍融循環次數為0、15、25，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在氣凍水融條件下進行，具體步驟如下：①將養護28 d的試件放入電熱恒溫干燥箱內，干燥箱溫度不超過80 ℃，烘干至恒重；②冷卻至室溫，立即稱取質量，精確至0.1 g；③試件放入水中后，用一定質量的重物壓在試件上方，使試件保持48 h完全浸泡在水中；④取出試件，放入設定為-20 ℃的快速凍融循環機中，將凍融機設置為-20～5 ℃；⑤每凍融5次，對試件進行外觀檢查，觀察裂縫或缺角；⑥當出現較為明顯的破壞時，立即進行質量稱重，若試件質量損失率超過5%，可終止凍融循環試驗。

3.2 質量變化

試件在經過25次凍融循環后，將全部試件取出，在電熱恒溫干燥箱內烘干至恒重，（干燥箱溫度不超過80 ℃），取出稱取質量，精確至0.1 g，凍融循環后試件質量損失率見表1。由表1可知，凍融循環15次時，質量損失率為負數，試件質量普遍有所增加，這是由于凍融初期形成了一些微小裂縫，水分從裂縫中進入，松針纖維泡沫混凝土繼續進行水化作用。當凍融循環次數繼續增加時，試件的質量開始下降，松針纖維在一定程度可以增強纖維與泡沫混凝土的黏結性，減少泡沫混凝土表面碎屑的剝落。凍融循環為25次時，未浸泡處理的松針纖維泡沫混凝土質量損失率為4.37%，經過堿處理的松針纖維泡沫混凝土質量損失率都較未浸泡質量損失率有所減少，其中12 h的質量損失率最小，具有較好的抗凍性。

3.3 抗壓強度變化

不同浸泡時間的松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度不同，試驗結果如圖4所示。由圖4可知，經過堿處理的松針纖維泡沫混凝土，在凍融循環次數為0、15、25次的抗壓強度都高于未浸泡試件。由此可知，松針纖維加強了試件裂縫間的聯結性，提高了松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度。

當凍融循環0次時，經過堿處理浸泡6 h的松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度最高，為2.01 MPa。當凍融循環15次時，經過堿處理浸泡12 h松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度最高，為1.66 MPa。當凍融循環25次時，經過堿處理浸泡12 h松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度最高，為1.58 MPa。在未進行凍融循環試驗時，松針纖維堿處理浸泡6 h的松針纖維泡沫混凝土抗壓強度最高，隨著凍融循環次數的增加，松針纖維堿處理浸泡為12 h的松針纖維泡沫混凝土抗壓強度最高。

在經過不同次數的凍融循環試驗后，松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度損失率也不同，如圖5所示。當凍融循環15次時，除6 h的抗壓強度損失率高于對照組的抗壓強度損失率，12 h、18 h的抗壓強度損失率均低于對照組。當凍融循環25次時，所有進行浸泡處理的松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度損失率均低于對照組。由此可知，松針纖維在試件中起到阻裂的作用，提高了松針纖維泡沫混凝土的抗壓強度。

3.4 彈性模量的變化

不同松針纖維堿浸泡時間的松針纖維泡沫混凝土的彈性模量不同，在經過不同次數的凍融循環試驗后，相對動彈性模量也不同，如圖6所示。由圖6可知，隨著凍融循環次數的增加，相對動彈性模量都有下降，經過堿處理的松針纖維泡沫混凝土，凍融循環15次和25次的相對動彈性模量都高于未浸泡試件。

經過15次凍融循環后，未浸泡試件的相對動彈性模量下降了6.39%，松針纖維堿處理浸泡時間為6、12、18 h的試件，相對動彈性模量分別降低了2.25%、2.85%、4.89%，其中，6 h的相對動彈性模量下降最少。經過25次凍融循環后，未浸泡試件的相對動彈性模量下降了13.08%，松針纖維堿處理浸泡時間為6、12、18 h的試件，相對動彈性模量分別降低了12.19%、8.90%、13.00%，其中，12 h的相對動彈性模量下降最少。由此可知，松針纖維在試件中起到橋接作用，減少了松針纖維泡沫混凝土相對動彈性模量的下降。

4 結論

①松針纖維泡沫混凝土經過凍融循環后，試件的質量、抗壓強度、動彈性模量都有所下降。隨著凍融循環次數的增加，會繼續下降。經過堿處理浸泡的松針纖維泡沫混凝土試件的質量損失率、抗壓強度損失率、相對動彈性模量都優于未浸泡試件，抗凍性均有所提高。

②松針纖維堿處理浸泡時間為12 h的抗凍性能最好，在經過凍融循環15次和25次的質量、抗壓強度、動彈性模量都優于6 h、18 h。

③松針纖維泡沫混凝土養護28 d的抗壓強度均優于未浸泡試件，松針纖維堿處理浸泡時間為6 h的抗壓強度最高。

參考文獻：

［1］朱利平，杜曉麗，鄒天民.鐵尾砂泡沫混凝土抗凍融性能及可靠性分析［J］.硅酸鹽通報，2023，42（11）：3988-3995.

［2］李輝，陳鋒，匡渝陽，等.外摻劑對泡沫混凝土影響及凍融-循環破壞研究［J］.混凝土，2023（5）：115-120，123.

［3］宋宏芳，劉曉賀，李佰林.季節性凍土區高速鐵路新型防凍脹路基力學特性研究［J］.鐵道學報，2018，40（11）：98-104.

［4］何金桃.PP纖維摻比優化改良混凝土的抗凍融力學性能研究［J］.粘接，2024，51（8）：33-36.

［5］李永彪.摻聚丙烯纖維高強泡沫混凝土抗凍融特性試驗研究［J］.市政技術，2020，38（5）：274-278.

［6］孫浩文，陳波，高志涵，等.玄武巖纖維泡沫混凝土抗凍融性能［J/OL］.復合材料學報，1-11［2024-11-29］.https：//doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20241023.005.