程　盛

(湖南省炎汝高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙　410005)

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玄武巖纖維水泥混凝土配合比方案研究

程盛

(湖南省炎汝高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410005)

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新型材料被不斷應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。玄武巖纖維水泥混凝土以其優(yōu)異的抗早期裂縫性能、工作性及耐磨性而受到諸多土木科研學(xué)者的關(guān)注。通過(guò)采用3水平4因素正交試驗(yàn)，結(jié)合3項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)玄武巖纖維水泥混凝土的配合比進(jìn)行研究，結(jié)合正交試驗(yàn)和值、極差和圖形對(duì)其進(jìn)行綜合分析，得出不同因素對(duì)不同指標(biāo)性能的影響規(guī)律并確定最優(yōu)綜合配比。

；玄武巖纖維水泥混凝土；正交試驗(yàn)；極差分析；相對(duì)最佳配比

0　引言

隨著“建設(shè)兩型社會(huì)”戰(zhàn)略的提出，綠色、環(huán)保的建筑材料受到各行各業(yè)的青睞。玄武巖纖維(Basalt Fibre，簡(jiǎn)稱BF)是由天然火山巖為原材料，經(jīng)過(guò)1 500 ℃的高溫熔融后，通過(guò)噴絲拉拔工藝制成，是一種綠色環(huán)保高性能建筑材料。將其摻入到水泥混凝土中，能有效地增強(qiáng)其力學(xué)強(qiáng)度，改善其耐磨等多種路用性能。但目前對(duì)玄武巖纖維水泥混凝土的配制方法還沒(méi)有形成系統(tǒng)上的定論，其生產(chǎn)配合比嚴(yán)重依賴于配置人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，缺乏較合理的依據(jù)。隨著外加劑、改性摻料的摻入使玄武巖纖維混凝土的配制更加復(fù)雜。選用正交試驗(yàn)進(jìn)行配比，不僅能了解各影響因素對(duì)指標(biāo)的影響，同時(shí)還能大大減少工作量，是研究最優(yōu)配比的最佳方法。

1　原材料性能試驗(yàn)

1.1水泥

水泥作為混凝土的重要組成部分，遇水形成的水泥漿體硬化前起潤(rùn)滑作用，使拌合物具有良好的和易性，硬化后膠結(jié)骨料，將其膠結(jié)為一個(gè)整體。而在研究試驗(yàn)中采用湖南某水泥公司生產(chǎn)的袋裝P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 P.O42.5水泥物檢結(jié)果類別細(xì)度/(m2·kg-1)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%凝結(jié)時(shí)間/min初凝終凝安定性/mm抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa3d28d3d28d規(guī)范要求≥300/≥45≤600C-A≤5≥3.5≥6.5≥17.0≥42.5檢驗(yàn)數(shù)據(jù)39226.7222312C-A=0.95.87.827.444.1

1.2集料

集料是混凝土的重要組成成份。粗集料是混凝土的主要受力載體，起到骨架支撐的作用。而細(xì)集料是增加混凝土的耐久性、工作性的重要因素。研究試驗(yàn)采用的為某碎石廠生產(chǎn)的袋裝粗集料、細(xì)集料。碎石分別由4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm三檔料按2∶2∶6混合而成。合成級(jí)配碎石表觀密度為2.682 kg/m3，含泥量為0.6%，針片狀含量為6.4%，壓碎值為20.5%。細(xì)集料根據(jù)篩分結(jié)果，經(jīng)公式計(jì)算，其細(xì)度模數(shù)為2.42。其篩分?jǐn)?shù)據(jù)如表2、表3。

1.3玄武巖纖維

本研究試驗(yàn)采用的玄武巖纖維為浙江某玄武巖有限公司提供。研究試驗(yàn)中玄武巖纖維采用以水泥質(zhì)量百分比外摻的形式進(jìn)行摻入。其樣品指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 合成級(jí)配碎石篩分結(jié)果表材料/mm配合成分/%通過(guò)下列篩孔(mm)重量百分?jǐn)?shù)/%37.531.526.519169.54.752.3619～26.56010093.658.822.04.00.90.20.29.5～192010010010082.258.28.10.70.24.75～9.52010010010010010092.78.10.7合成級(jí)配10096.275.349.634.0 20.7 1.90.3

表3 河砂篩分結(jié)果篩孔直徑/mm各篩留存質(zhì)量/g分計(jì)篩余/%累計(jì)篩余/%通過(guò)率/%9.55.61.121.198.94.7532.16.427.592.52.3653.810.7618.381.71.1861.4512.2930.669.40.668.913.7844.455.60.3135.527.171.528.50.15118.023.695.14.9<0.1524.654.93100/

表4 玄武巖纖維檢測(cè)結(jié)果類別密度/(g·cm-3)含水率/%公稱長(zhǎng)度/mm公稱直徑/μm規(guī)范要求2.60～2.80≤0.220～350～25檢驗(yàn)數(shù)據(jù)2.6230.10023.28.3

1.4外加劑

研究試驗(yàn)所用減水劑為重慶某有限公司所產(chǎn)緩凝型高性能減水劑。本減水劑實(shí)際減水率為28%，試驗(yàn)確定減水劑用量為1%，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)合格(表5)。

表5 減水劑技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果類別減水率/%泌水率比/%凝結(jié)時(shí)間之差/min抗壓強(qiáng)度比/%7d28d技術(shù)要求≥25≤70>90≥140≥130檢測(cè)數(shù)據(jù)2835122148135

2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

以水灰比、水泥用量、砂率、玄武巖纖維作為影響因素，其各影響因素設(shè)計(jì)表見(jiàn)表6。

表6 玄武巖纖維正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表水平數(shù)影響因素W/CSP/%C/(kg·m-3)XWY/%Ⅰ0.38344100.1Ⅱ0.42354500.2Ⅲ0.5365000.3 注:W/C為水灰比,SP為砂率,C為水泥用量,XWY為玄武巖纖維摻量百分比。

玄武巖纖維水泥混凝土各試件材料摻量正交表L9(34)如表7所示。

表7 玄武巖纖維水泥混凝土各材料摻量正交表L9(34)編號(hào)水泥/kg水/kgW/C砂/kg碎石/kg砂率/%玄武巖纖維/%外加劑/%14101560.385581083340.1124501890.425831083350.1135002500.56091083360.1144501710.386091083360.2155002100.425581083340.2164102050.55831083350.2175001900.385831083350.3184101730.426091083360.3194502250.55581083340.31

配比計(jì)算從實(shí)際出發(fā)，選用在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期試件的抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性能這3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行和值、極差綜合分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表編號(hào)抗彎拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度單位面積磨耗量試驗(yàn)值/MPa均值/MPa方差試驗(yàn)值/MPa均值/MPa方差試驗(yàn)值/(kg·m-2)均值/(kg·m-2)方差17.8128.8639.2248.7459.2668.8279.0988.5399.178.830.2137.241.244.842.243.841.443.539.744.542.036.121.7941.7651.8001.7021.7341.6791.7131.6431.6351.720.004

3　正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及最佳配合比確定

3.1和值均值統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同因素、不同水平下的和值。見(jiàn)表9。

表9 水平因素和值統(tǒng)計(jì)表指標(biāo)影響因素水泥用量/kg玄武巖纖維摻量/%水灰比砂率/%I1-彎拉強(qiáng)度25.225.925.626.2I2-彎拉強(qiáng)度27.126.826.727.1I3-彎拉強(qiáng)度27.226.827.226.1I1-彎拉強(qiáng)度平均8.48.68.58.7I2-彎拉強(qiáng)度平均9.08.98.99.0I3-彎拉強(qiáng)度平均9.18.99.18.7I1-抗壓強(qiáng)度118.3123.2122.9125.5I2-抗壓強(qiáng)度127.9127.4124.7126.1I3-抗壓強(qiáng)度132.1127.7130.7126.7I1-抗壓強(qiáng)度平均39.441.141.041.8I2-抗壓強(qiáng)度平均42.642.541.642.0I3-抗壓強(qiáng)度平均44.042.643.642.2I1-耐磨性能5.1165.3595.2095.163I2-耐磨性能5.1025.1155.1425.157I3-耐磨性能5.2474.9915.1145.145I1-耐磨性能平均1.7051.7861.7361.721I2-耐磨性能平均1.7011.7051.7141.719I3-耐磨性能平均1.7491.6641.7051.715

根據(jù)表9繪制各指標(biāo)隨因素水平變化規(guī)律圖，根據(jù)公式(1)計(jì)算出各指標(biāo)各影響因素在不同水平下的差值：

σk-影響因素平均=Ik-影響因素平均-I影響因素平均

k=1，2，3

3.2抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)分析

通過(guò)圖1、表10可以得出，玄武巖纖維水泥混凝土抗彎強(qiáng)度在4種因素的影響下其變化規(guī)律如下所述：

1) 水泥用量的增加與試件抗彎拉強(qiáng)度存在顯性遞增關(guān)系。證明玄武巖纖維混凝土抗彎拉強(qiáng)度主要是由水泥漿體硬化生成，其影響極差最大，為0.68。

2) 抗彎拉強(qiáng)度隨纖維摻量的水平數(shù)而增加。玄武巖纖維在水泥混凝土中形成致密、亂向分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐體系，而纖維上所附帶的水化產(chǎn)物能與水泥漿體有著更好的結(jié)合，從而提升了試件的力學(xué)強(qiáng)度，影響極差為0.31。

3) 而水灰比方面，彎拉強(qiáng)度隨著水灰比水平的增加而增加。充分的水化反應(yīng)能產(chǎn)生更多的水泥漿體，能將集料更好地膠結(jié)在一起。增加新拌試件的工作性，不顯干澀。而砂率的影響因素曲線為先升高后降低。由于砂率的提高，不斷提升試件密實(shí)程度，致使試件更加密實(shí)，從而力學(xué)強(qiáng)度得到提升。當(dāng)砂率繼續(xù)增加時(shí)，而作為主要承載主體的碎石質(zhì)量開(kāi)始降低，故抗彎拉強(qiáng)度開(kāi)始降低。

圖1　因素水平對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響

表10 不同因素下抗彎拉性能極差數(shù)據(jù)表影響因素水平1水平2水平3最大值最小值極差水泥用量-0.450.210.240.24-0.450.68玄武巖纖維摻量-0.200.110.100.11-0.200.31水灰比-0.290.050.240.24-0.290.52砂率-0.090.21-0.120.21-0.120.33

3.3抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分析

通過(guò)圖2、表11可以得出，玄武巖纖維水泥混凝土抗壓強(qiáng)度在4種因素的影響下其變化規(guī)律如下所述：

1) 水泥用量與抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系非常明顯。在此系列試件配比中，水泥用量是抗壓強(qiáng)度形成的重要因素，極差仍最大，為4.6。

2) 玄武巖纖維水平1對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的形成起到了促進(jìn)作用，將適當(dāng)?shù)男鋷r纖維摻入到試件中，起到類似“加筋”的作用，但隨著摻量的不斷增加，一定程度上影響了水泥混凝土三相的分散，特別是氣相。致使試件空隙率略有提升，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度下降。

3) 水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響類似于對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響。水平數(shù)的影響也較大，極差為2.60。3種砂率的選擇對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小。說(shuō)明取水平1的砂率就能保證試件的工作性。

圖2　因素水平對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表11 不同因素下抗壓性能極差數(shù)據(jù)表影響因素水平1水平2水平3最大值最小值極差水泥用量-2.600.602.002.00-2.604.60玄武巖纖維摻量-0.970.430.530.53-0.971.50水灰比-1.07-0.471.531.53-1.072.60砂率-0.200.000.200.20-0.200.40

3.4耐磨性能指標(biāo)分析

通過(guò)圖3、表12可以得出，玄武巖纖維水泥混凝土耐磨性能在4種因素的影響下其變化規(guī)律如下所述：

1) 試件耐磨性能隨水泥用量水平數(shù)的增加出現(xiàn)了先降低后升高的趨勢(shì)。試件因水泥漿體的不足很難完好地膠結(jié)在一起，而水泥用量的增加，保證水泥漿體的情況下，使試件膠結(jié)完好，所以磨耗量出現(xiàn)降低。當(dāng)水泥用量的繼續(xù)增加，過(guò)多漿體極易磨損，故單位面積磨耗量增加。

2) 玄武巖纖維的摻入顯著地降低了水泥混凝土試件的單位磨耗量。隨著水平數(shù)的提升，降低幅度開(kāi)始減少。極差為0.123，是4種影響因素中對(duì)耐磨性能影響最大的因素。

3) 試件耐磨性能隨水灰比水平數(shù)的增加呈降低趨勢(shì)，整體下降幅度較小。水灰比的增加能夠更好地保證試件的膠結(jié)，從而達(dá)到降低磨耗量的目的。而砂率對(duì)耐磨性能的影響很少，極差僅為0.006。在工作性得到保證的同時(shí)，選擇較低的砂率既沒(méi)有對(duì)耐磨性能造成較大的影響，同時(shí)還降低了生產(chǎn)成本。

圖3　因素水平對(duì)耐磨性能的影響

表12 不同因素下耐磨性能極差數(shù)據(jù)表影響因素水平1水平2水平3最大值最小值極差水泥用量-0.013-0.0180.0310.031-0.0180.048玄武巖纖維摻量0.068-0.013-0.0550.068-0.0550.123水灰比0.018-0.004-0.0140.018-0.0140.032砂率0.0030.001-0.0030.003-0.0030.006

3.5相對(duì)最佳配合比的確定

再對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行和差、極差分析時(shí)，都只有對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。而各指標(biāo)對(duì)應(yīng)配合比又各不相同。為兼顧各項(xiàng)指標(biāo)，找出最平衡的摻配方案，就需要對(duì)各配合比進(jìn)行微調(diào)。而各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最佳配合比如表13。

表13 各指標(biāo)最佳配比綜合表指標(biāo)影響因素最佳水泥用量水平數(shù)最佳玄武巖纖維摻量水平數(shù)最佳水灰比水平數(shù)最佳砂率水平數(shù)抗彎拉強(qiáng)度3232抗壓強(qiáng)度3233耐磨性能2333

表13只是單純地從數(shù)據(jù)上進(jìn)行了分析，但從圖1、圖2上可以看出，當(dāng)水泥用量為水平數(shù)2時(shí)，其相對(duì)于水平數(shù)3降低幅度較小，所以水泥用量水平數(shù)選用2；在抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度方面，玄武巖纖維摻量水平數(shù)從2增到3上，都未能對(duì)這兩種指標(biāo)造成顯著的影響，而耐磨性能方面水平3相對(duì)于水平2有較大的提升，故玄武巖纖維水平數(shù)采用3；而砂率對(duì)3種指標(biāo)造成的影響均有限，同時(shí)砂率取2時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大，故砂率水平數(shù)取2。所以最終確定的配合比見(jiàn)表14。

表14 每1m3玄武巖水泥混凝土各材料消耗量水泥/kg水/kg水灰比砂/kg4502250.5583碎石/kg砂率/%玄武巖纖維/%外加劑/%1083350.31

4　結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維水泥混凝土配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)合正交試驗(yàn)和值、極差分析、圖表變化規(guī)律分析探究出相對(duì)最佳配合比。力學(xué)強(qiáng)度的提升及耐磨性的改善，延長(zhǎng)了路面的服務(wù)壽命，同時(shí)也驗(yàn)證了玄武巖纖維水泥混凝土在路面材料領(lǐng)域中有著更廣闊的前景。

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2016-07-20

程盛(1984-)，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理。

；1008-844X(2016)03-0046-05

；U 416.216

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