透水混凝土作为新型生态环保型路面铺装材料，因具有诸多优点已在全国各地广泛应用 ^[1]。由于我国国土面积大，其中很大一部分处于高纬度地区，冬季时间长，四季温差大，致使不少路面发生冻融破坏现象。如笔者在对呼和浩特市使用5年以上的透水路面调研中发现，由于常年遭受冻胀影响，路面表面已开裂。除严寒地区外，较温和地区混凝土路面有时也会受到冻胀破坏。由于透水混凝土自身的特殊性 (内部含有较多孔隙) ，雨雪天气时其内部含有较多水分，发生冻胀时内部膨胀较普通混凝土更严重、更易损坏 ^[2,3]，故在寒冷地区应用透水混凝土时需优先考虑抗冻性能。Kevern等 ^[4]通过掺加细集料和纤维提高透水混凝土抗冻性能;Rehder等 ^[5]研究孔隙结构和纤维对透水混凝土断裂性能的影响;薛冬杰等 ^[6]研究不同掺合料对透水性生态混凝土抗冻性能的影响;为保护环境，实现资源的循环利用，王军强 ^[7]对再生骨料透水混凝土抗冻性能进行研究，研究结果表明其满足无砂水泥透水混凝土抗冻性能指标要求。

　　 传统混凝土抗冻性能一般通过冻融循环作用后的抗压强度下降检测，但采用强度下降率评价混凝土抗冻性能存在以下弊端: (1) 强度检测为破坏性试验，需制备大量试件，用于测试各规定次数冻融循环完成后的混凝土抗压强度; (2) 试件经多次冻融循环后，表面会出现砂浆和石子脱落情况，从而在进行抗折强度或抗压强度试验前需对试件表面进行抹平及修复，不仅费时费力，且测得的强度值误差较大。因此采用相对动弹性模量变化和质量变化评定透水混凝土抗冻性能。

　　 试验选用P·O42.5R普通硅酸盐水泥，具体性能指标如表1所示。粗骨料选用四川绵阳当地碎石，本试验选择3～5, 5～10, 10～15, 15～20mm 4种单一粒径碎石，具体性能指标如表2所示 ^[8,9]。为增大骨料间的桥联作用和黏结面，添加聚丙烯仿钢纤维 (见图1) ，纤维长30mm，体积掺量分别为0, 0.2%，0.4%，0.6%。聚丙烯仿钢纤维具有耐腐蚀、易分散、易施工和对拌合设备无损伤等特点，且无锋利棱角，对车辆、路面无任何损伤 ^[10,11]。

　　 试验主要添加减水剂和黏结剂2种外加剂。减水剂为聚羧酸高效减水剂，能明显提高拌合物的流动性，掺量为水泥用量的1%，可方便搅拌。该减水剂还具有早强功效，可避免透水混凝土在成型过程中因重力造成浆体向下流动，从而避免堵塞试件的有效孔隙，使有效孔隙上下分布较均匀，不影响透水系数和强度。参照企业标准，黏结剂掺量为水泥用量的2%，主要通过增强粗骨料与水泥浆体接触面的黏结力提高透水混凝土强度。

　　 正交试验是研究多因素水平的一种重要数理方法，在最大限度上减少试验工作量的同时试验结果可信度高。

　　 试验选取目标孔隙率为20% ^[12,13]，参照CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》 ^[14]，水灰比一般取0.25～0.35，配合比设计计算方法也参考该规程。通过正交试验研究水灰比、骨料粒径和纤维掺量对透水混凝土抗冻性能的影响程度，并通过均值极差法和方差分析法研究不同因素的影响规律。试验中每个因素设置4个水平，采用L16 (4³) 正交表。为充分研究水灰比的影响，将其分别取为0.25, 0.28, 0.31, 0.34。因素水平如表3所示，与各组试验对应的配合比及材料用量如表4所示。

　　 透水混凝土作为不均匀材料，其自身离散性较大，若采用强度变化评价抗冻性能，试验误差较大，因此以相对动弹性模量变化和质量变化作为评定标准 ^{[15,16,17,18]}，即采用快冻法评定抗冻性能，该方法所需试件数量较少，所得数据较为稳定可靠。

　　 采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体作为冻融试件，每组3个试件，循环次数为0, 25, 50, 75, 100, 125, 150次。采用KDR-5型冻融试验机，冻融试验温度为-16～6℃。每25次冻融循环结束时测定试件质量和横向基频，测得的数据取平均值。试验结束后根据测得的数据计算试件质量损失率和相对动弹性模量 ^[14,19]。质量损失率Δm_n= (m₀-m_n) /m₀×100%，相对动弹性模量P_n=f_n²/f₀²×100%，其中m₀为试件初始质量 (kg) ;m_n为试件经n次冻融循环后的质量 (kg) ;f₀为试件初始横向基频 (Hz) ;f_n为试件经n次冻融循环后的横向基频 (Hz) 。

　　 冻融循环50次结束后取出试件，试件表面出现一些碎石砂浆浮碴，但未出现大量石子脱落等现象。此阶段透水混凝土水泥浆体对表面碎石提供的黏结力随着砂浆的剥落逐渐减弱，当该黏结力小于碎石间孔隙水结冰产生的冻胀力时，碎石开始脱落，但此阶段透水混凝土内部未发生明显破坏。

　　 冻融循环75次结束后取出试件，试件表面砂浆剥落较多，造成碎石裸露，表面碎石明显无砂浆包裹，此时部分试件出现小块脱落、裂缝等现象。此阶段经过长期冻融，试件内部微裂缝增多，部分微裂缝逐渐连通，出现肉眼能直接观察的裂缝，此外部分水灰比较小的试件由于砂浆剥落较多，大部分碎石开始掉落，但试件整体完整性仍较好，未达到破坏状态。

　　 冻融循环100次结束后取出试件，此时第16组试件出现分层断裂，同时50次冻融结束后出现小块脱落的试件混凝土继续脱落，但添加纤维的试件混凝土继续脱落现象不明显，可知添加适量纤维可提高混凝土抗冻性能。此外出现裂缝的试件裂缝继续开展。经100次长期冻融后，试件内部受冻胀产生的微裂缝已整体扩散，微裂缝逐渐连通，出现部分贯通裂缝，试件表面碎石可用手轻易剥落。

　　 第16组试件由于水灰比 (0.34) 、骨料粒径 (15～20mm) 较大，且不含纤维，经75次冻融循环后试件砂浆剥落较多，内部孔隙随之增多，原来内部未连通的孔隙随着部分砂浆的剥落逐渐形成连通的裂缝。此外由于堆积空隙率较大、水泥浆体流动性较大，在试件浇筑过程中砂浆向成型面下部流动，造成水泥浆体分布不均匀，使上部砂浆剥落较多，从而增加上部孔隙，孔隙水结冰所产生的冻胀力相应增大，大于黏结力后试件破坏，出现分层断裂现象。

　　 经125次冻融循环后，未添加纤维的试件开始出现断裂现象，且部分试件完全破碎，第6组试件出现完全贯通裂缝。添加纤维的试件混凝土也剥落明显，同时15～20mm粒径的透水混凝土试件已破坏。第6组试件水灰比 (0.28) 、骨料粒径 (5～10mm) 较小，且未添加纤维，在冻胀过程中，裂缝中水结冰所产生的冻胀力沿裂缝挤压周围混凝土，当冻胀力大于黏结力时形成1条竖向贯通裂缝。

　　 对各试件125次冻融循环后的质量损失率和相对动弹性模量计算结果进行分析，得到各冻融阶段水灰比、骨料粒径和纤维掺量影响透水混凝土抗冻性能的主次顺序。由于100次冻融结束后第16组试件已破坏，为较准确地分析各因素抗冻性能的影响规律，取75次冻融循环前的数据进行研究。25次冻融循环后测试指标极差分析如表5所示。

　　 由表5可知，25次冻融循环后各因素对质量损失率影响的主次顺序为骨料粒径、纤维掺量、水灰比，对相对动弹性模量影响的主次顺序为骨料粒径、纤维掺量、水灰比。

　　 同理得到50次冻融循环后各因素对质量损失率影响的主次顺序为骨料粒径、纤维掺量、水灰比，对相对动弹性模量影响的主次顺序为水灰比、骨料粒径、纤维掺量;75次冻融循环后各因素对质量损失率影响的主次顺序为骨料粒径、纤维掺量、水灰比，对相对动弹性模量影响的主次顺序为骨料粒径、纤维掺量、水灰比。

　　 为区分误差引起测试结果与各因素水平变动引起测试结果的差异，采用方差分析法对25, 50, 75次冻融循环后的质量损失率和相对动弹性模量测试结果进行分析，25次冻融后测试指标方差分析如表6所示。由表6中F比可知，25次冻融循环后各因素对质量损失率和相对动弹性模量影响的主次顺序均为骨料粒径、纤维掺量、水灰比，与极差分析结果一致。

　　 同理得到50次冻融循环后各因素对质量损失率影响的主次顺序为骨料粒径、纤维掺量、水灰比，对相对动弹性模量影响的主次顺序为水灰比、骨料粒径、纤维掺量;75次冻融循环后各因素对质量损失率和相对动弹性模量影响的主次顺序均为骨料粒径、纤维掺量、水灰比。方差分析结果与极差分析结果一致。

　　 综上分析结果可知，透水混凝土抗冻性能最优配合比为:水灰比0.31，骨料粒径5～10mm，纤维掺量0.4%。除50次冻融循环后测试指标对相对动弹性模量影响的主次顺序存在差异外，其余均为骨料粒径、纤维掺量、水灰比。

　　 导致透水混凝土冻胀破坏主要因素为内部水凝固后体积膨胀引起的静水压力 ^[20]。在冷冻条件下，表层孔隙水首先冻结，形成1层冰晶层，导致体积膨胀。其余孔隙水受到挤压，在黏滞阻力的作用下，沿混凝土表层法向形成一定的水力梯度。水分向混凝土深层移动，部分继续结冰并挤压孔内空气和溶液，使封闭孔隙产生一定的静水压力，最终导致内部结构冻胀开裂。

　　 为直观地分析各因素水平变动对抗冻性能的影响，将2个因素对冻融试件的影响换算成单个因素对观测变量的影响，进行单因素方差分析，以减少试验误差，结果如图2～4所示，并得到以下结论。

　　 1) 在前75次冻融循环中，水灰比为0.31时透水混凝土抗冻性能较好;水灰比为0.25时抗冻性能最差;水灰比为0.28时的抗冻性能优于0.34时。水灰比过小，水泥浆体不能均匀包裹粗骨料，使试件内部孔隙率偏大，孔隙内部含水量增多，水结冰产生的冻胀力增加，试件受冻胀破坏更严重;水灰比过大，水泥浆体流动性越大，使试件内部孔隙分布不均匀，受到的冻胀力分布不均，易造成试件局部突然破坏，不利于提高抗冻性能。

　　 2) 在前75次冻融循环中，骨料粒径为5～10mm时透水混凝土表现出良好的抗冻性能越差，骨料粒径为15～20mm时抗冻性能最差。骨料粒径越大，试件孔隙率越大，孔隙水越多，水结冰产生的冻胀力越大，抗冻性能越差;骨料粒径越小，单位体积骨料的比表面积越大，水灰比相同时包裹骨料的水泥浆体越少 ^[21]，水泥砂浆提供的黏结力越小，试件更易破坏。

　　 3) 在前75次冻融循环中，未添加纤维的透水混凝土表现出较差的抗冻性能，纤维掺量为0.4%时抗冻性能最好。添加聚丙烯仿钢纤维后可增大骨料间的桥联作用和黏结面，进而增大试件内部的黏结力。同时纤维在试件内部呈均匀的乱象分布，可有效阻止透水混凝土早期因冻胀引起的微裂缝扩散。然而当纤维掺量过多时，不利于混凝土的拌合，使得拌合物流动性较差，混凝土某些位置会聚集大量纤维，而这些纤维不能被水泥浆体均匀包裹，且纤维间的摩擦力较小，这些因素都不利于提高抗冻性能。

　　 为了解水灰比、骨料粒径和纤维体积掺量对透水混凝土抗冻性能的影响程度，设计16组正交试验，通过质量损失率和相对动弹性模量的变化及破坏形态衡量抗冻性能，得出以下结论。

　　 1) 由冻融试验结果可知，采用文中表4配合比浇筑的透水混凝土试件中部分能经受125次及以上的冻融循环，可满足部分严寒地区公园道路、市政广场等场所使用要求。

　　 2) 通过正交分析可知，除50次冻融循环后对相对动弹性模量影响的主次顺序存在差异外，对透水混凝土抗冻性能影响的主次顺序均为骨料粒径、纤维掺量、水灰比。添加适量的聚丙烯仿钢纤维能改善透水混凝土的抗冻性能。

　　 3) 透水混凝土水灰比过大或过小均不利于提高抗冻性能，骨料粒径越大越易冻胀开裂，纤维掺量过大会降低抗冻性能。

　　 4) 通过试验结果得到的透水混凝土抗冻性能最优配合比为:水灰比0.31，骨料粒径5～10mm，纤维掺量0.4%。