瞿哲 李斌洲 詹偉 孫林柱 楊芳

(溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

0 引言

在土木工程領(lǐng)域中，我國高層建筑的迅速增加，對新型加固材料的需求更加迫切。而且在結(jié)構(gòu)及橋梁改造、工程事故、特種結(jié)構(gòu)工程中，新型加固材料也具有廣闊的應(yīng)用前景。目前工程加固的類型主要有混凝土加固、鋼結(jié)構(gòu)加固、碳纖維及玻璃纖維材料加固等，本研究的新型水泥基復(fù)合加固材料，抗拉強度高、施工方便，特別對受震后、超強臺風(fēng)后的建筑物損傷、建筑物的劣化和常規(guī)的工程質(zhì)量事故等的加固，具有重要應(yīng)用價值。

國內(nèi)外對鍍銅鋼纖維復(fù)合材料研究廣泛，主要集中在混凝土的加強和水泥基材料的加強方面。如江南大學(xué)同上海大屯能源股份公司合作，探討噴射纖維混凝土在深井地下空間支護(hù)應(yīng)用[1]，以及東南大學(xué)對摻有鋼纖維的水泥基復(fù)合材料的抗爆炸性能的研究[2]以及北京交通大學(xué)朋改非教授對鋼纖維增強水泥基抗裂性的研究[3，4]。

本研究旨在通過試驗，得到可靠的正交試驗數(shù)據(jù)，并通過極差分析得到各材料用量對各項指標(biāo)的影響，找出各種材料的用量與其各項主要考核指標(biāo)之間的關(guān)系，綜合考慮各材料用量對各項指標(biāo)的影響，大致得出鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的最優(yōu)配合比。

采用鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料混摻進(jìn)行研究，從水泥用量、鋼纖維摻入量、普通砂用量和減水劑取得量4個主要因素出發(fā)，以抗壓強度、抗折強度為考核指標(biāo)，采用正交方法進(jìn)行試驗探討鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的配比，尋求最佳試驗方案，為鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的進(jìn)一步改進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗原材料組成及各原料特性

1)水泥。水泥采用浙江虎山生產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1 32.5級普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

2)鍍銅鋼纖維。纖維直徑為0.18 mm～0.23 mm，纖維長度為(13±1)mm，抗拉強度不低于2 850 MPa，簡稱鋼纖維。

3)普通砂。普通砂采用浙江平陽生產(chǎn)的普通砂，其性能指標(biāo)見表2。

表2 普通砂的物理力學(xué)性能指標(biāo)

4)減水劑。采用的是浙江城建混凝土外加劑廠生產(chǎn)的可溶性樹脂型高效減水劑，減水劑為半透明棕紅色液體，主要成分為三聚氰胺甲醛樹脂磺酸鹽，含固量為30%，摻量為2%時，減水率在25%以上。

5)可再分散膠粉。采用美國國民淀粉公司生產(chǎn)的可再分散膠粉。

6)硅灰。硅灰為工業(yè)冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產(chǎn)生的SiO2和Si氣體，與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種鍍銅硅質(zhì)粉體材料，粒徑為 1.06 μm ～4.88 μm。

2 正交試驗分析

2.1 試驗方案

通過正交表合理地安排試驗，確定因素的主次，找到較好的配料范圍。根據(jù)大量的資料文獻(xiàn)和課題試驗思路，考慮把水泥用量、普通砂用量、高效減水劑取得量和鍍銅鋼纖維摻入量作為因素考慮。其中，水泥用量取350 kg/m3，375 kg/m3，400 kg/m3三個水平;鍍銅鋼纖維摻入量取膠凝材料總體積的0%，2%，4%三水平;普通砂用量取 350 kg/m3，375 kg/m3，400 kg/m3三個水平;減水劑取得量取膠凝材料總摻入質(zhì)量的0.2%，0.4%，0.6%三個水平，見表3。

表3 四因素三水平全面試驗方案

根據(jù)試驗因素及水平個數(shù)，選取正交表L9(34)來安排試驗(見表4)。

表4 鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料L9(34)試驗方案和試驗結(jié)果

2.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗測試結(jié)果，可由極差分析得到各因素的影響程度。由表5分析可知對試樣抗壓強度的影響順序為:A→B→C→D，即水泥影響最大，普通砂次之，減水劑比較小，鋼纖維最小。水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維摻入量為4%，普通砂用量400 kg/m3，減水劑取得量為0.2%時抗壓強度最大，最優(yōu)配合比為A3B3C1D3。

對考核指標(biāo)為抗折強度時，對其影響順序為:D→A→C→B，即鋼纖維影響最大，水泥次之，減水劑較小，普通砂最小。即水泥用量為350 kg/m3，鋼纖維摻入量4%，普通砂用量為400 kg/m3，減水劑為0.6%時最大，此時的最優(yōu)配比為A1B3C3D3。

表5 L9(34)正交試驗結(jié)果的極差分析

從表5分析試驗結(jié)果，在考慮獲得較大的抗折強度的前提下，具有一定稠度和抗壓強度的最優(yōu)配合比是水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維摻入量為4%，普通砂用量400 kg/m3，減水劑取得量為0.2%，即為 A1B3C3D3 組。

3 結(jié)語

鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料中鍍銅鋼纖維摻入量對試樣的抗壓強度影響較小，說明試樣在受壓過程中，由于鋼纖維與混凝土的界面能較小，故其限制橫向變形的能力較弱，而在抗折試驗中，抗折強度在一定范圍內(nèi)隨著鍍銅鋼纖維摻入量的增加而有了明顯的提高，主要是因為纖維與水泥基材料的結(jié)合均參與到了受力變形中并且無數(shù)鍍銅鋼纖維起到了鋼筋的作用，延緩了裂縫的開展，故抗折強度較大。因此說明正交試驗結(jié)果和實際結(jié)構(gòu)基本相符。通過極差分析，表明水泥用量和鍍銅鋼纖維摻入量對水泥基材料的力學(xué)性能影響比較明顯，其中水泥用量對抗壓強度影響較大，鍍銅鋼纖維摻入量對抗折強度影響較大。而普通砂、減水劑對于整體的性能影響較小。試樣中隨著水泥用量的增加，其抗壓強度有明顯的提高，而鋼纖維摻入量影響不大。鋼纖維摻入量對提高水泥基材料的抗折強度影響較大，同時還會降低試樣的稠度。

[1] 畢遠(yuǎn)志，陳季斌，張大林，等.噴射纖維混凝土在深井地下空間支護(hù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，40(22):229－234.

[2] 戎志丹，孫 偉，張云升，等.超高性能水泥基復(fù)合材料的抗爆炸性能[J].爆炸與沖擊，2010，30(3):232－238.

[3] 邊松華，朋改非，趙章力，等.含濕量和纖維對高性能混凝土高溫性能的影響[J].建筑材料學(xué)報，2005，8(3):321－327.

[4] 黃廣華.PVA纖維與鋼纖維對高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的試驗研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2010.