羅 坤， 陳 錦

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

基于正交試驗玄武巖纖維混凝土性能指標影響因素研究

羅 坤， 陳 錦

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

由于普通混凝土存在抗折強度較低、易發(fā)生脆性破壞等缺點，目前越來越多的纖維摻加技術應用在水泥混凝土領域，來進一步地提高水泥混凝土的抗折強度和改善其脆性。玄武巖纖維作為一種常用于摻加在混凝土中的材料，相比于鋼纖維、聚丙烯等纖維擁有更高的性價比，主要是其改善抗折強度和抗裂性能更好。采用正交試驗方法，分析纖維摻量、纖維長度、纖維直徑和水灰比四因素對混凝土的抗壓強度和抗折強度的影響程度。研究結果表明水灰比改善水泥混凝土抗壓強度性能最為明顯，纖維摻量在改善水泥混凝土的抗彎拉性能方面較其他因素更為明顯。

玄武巖纖維； 混凝土； 正交試驗； 抗折強度

0 引言

普通混凝土廣泛應用在土木工程領域，但是其存在著抗折強度低、易開裂等脆性材料難以避免的缺點，目前對于結構的抗折強度有較高要求的工程，都可以通過外摻纖維技術來提高其強度，同時又能改善其脆性。因此對于纖維摻加技術和摻量等研究便成了水泥混凝土領域的熱點研究方向之一。

本文研究的摻加纖維為玄武巖纖維，它是由玄武巖礦石在高溫熔融狀態(tài)下，經拉絲而成的新型無機纖維材料，其抗拉強度高、耐高溫和化學穩(wěn)定性好。這與傳統(tǒng)的鋼纖維、合成纖維比較，玄武巖纖維能克服鋼纖維難以攪拌均勻、流動性差和難以泵送的缺點，但它又能發(fā)揮其單絲抗拉強度高的優(yōu)勢。而相比合成纖維，它在抗拉強度、彈性模量和抗凍融性能上表現得更優(yōu)。所以目前玄武巖纖維在我國工程建設上已經得到一定程度的應用。但是關于玄武巖纖維最優(yōu)摻量、纖維長度和直徑等因素對混凝土各項性能的提升程度還有待進一步研究。故本文通過設計四因素三水平正交試驗方案，分析纖維摻量、纖維長度、纖維直徑和水灰比四因素對混凝土的抗壓強度和抗折強度的影響程度，這對該材料的實際應用有一定的指導和借鑒意義。

1 正交試驗方案

1.1 原材料試驗

1) 水泥：益陽南方水泥有限公司P.O42.5普通硅酸鹽水泥，試驗結果見表1。

2) 粗集料、細集料：永興金星采石場，粗集料試驗結果見表2。

3) 玄武巖纖維：東莞市俄金玄武巖纖維有限公司，主要性能試驗結果見表3。

4) 減水劑：聚羧酸高效減水劑HSPC-8W型，減水劑摻量為1.0%。

表1 水泥性能試驗結果表品牌品種比表面積/(m2·kg-1)細度/%初凝時間/(h：min)終凝時間/(h：min)抗壓強度/MPa3d28d益陽南方PO425370183：255：05307463

表2 粗集料試驗結果表品種顆粒級配/mm含泥量/%吸水率/%表觀密度/(kg·m-3)壓碎值/%針片狀含量/%孔隙率/%碎石475～950606327011656642395～190604526961654841319～26504036269816542408

表3 玄武巖纖維主要性能試驗結果表密度/(g·cm-3)抗折強度/MPa纖維直徑/μm纖維長度/mm極限伸長率/%272430013/17/2118/20/2231

1.2 試驗因素的選擇及配合比的確定

由于混凝土的性能指標會受到多方面因素的影響，而正交試驗是研究多因素多水平共同作用下的一種設計方法，它可以通過設計具有代表性的水平進行分析，研究各個因素對試驗結果的影響程度。本文采用四因素三水平的正交試驗方案對玄武巖纖維混凝土強度性能影響程度進行分析。

試驗目標配合比強度等級為C40，進行配合比設計，水膠比為0.29。由于設計方案中水膠比為考慮因素，所以正交試驗表中配合比只需調整水泥

和水的用量，C40混凝土配合比見表4。

表4 C40混凝土配合比(kg·m-3)水泥用量砂碎石475～95mm95～19mm19～265mm水減水劑406685244487487118406 注：水膠比為029。

1.3 正交試驗方案

參考國內外學者的研究，選擇纖維摻量、纖維長度、纖維直徑和水灰比四因素，每個因素設計三個水平?？拐墼囼灢捎?50 mm×150 mm×550 mm標準抗折試模進行成型，澆筑完24 h后對試樣拆模養(yǎng)護，在7 d和28 d齡期時測試其抗折強度，對折斷的試件進行抗壓試驗，具體參數及結果見表5。

表5 正交試驗方案及其結果試驗編號因素抗折強度/MPa抗壓強度/MPaA纖維摻量/(kg·m-3)B水膠比C纖維長度/mmD纖維直徑/μm7d28d7d28d115027181358468141751321502920175666613925043150312221569662366493419027202159767842152451902922135816744155046190311817542658386491723027221757465040850382302918215666453804899230312013541641367467 注：水膠比變化時除水泥和水的質量變化，其他配比不變。

2 正交試驗結果及分析

2.1 正交試驗結果直觀分析

對表5中四因素下的三個水平進行和值分析，并繪制圖1、圖2，和值越大表示該因素的影響程度越大，對性能指標的作用幅度也越大。從圖1中的試驗結果可以看出：

1) 纖維摻量對抗折強度的影響程度最大，其影響程度隨著玄武巖纖維摻量的增加呈現出先增后減的趨勢，通過分析曲線可以確定最優(yōu)纖維摻量。水膠比對玄武巖纖維混凝土的抗折強度影響幅度也較大，圖1中可以看出隨著水膠比的增大，抗折強度逐漸降低。纖維長度和纖維直徑對抗折強度都會產生影響，其影響曲線基本上相似，但從具體數值上來看，纖維直徑對混凝土抗折強度影響程度更明顯一些。

圖1 各因素對28 d抗折強度和值的影響

圖2 各因素對28 d抗壓強度和值的影響

2) 對于玄武巖纖維混凝土抗壓強度的影響程度順序為：水膠比>纖維摻量>纖維直徑>纖維長度。從曲線上分析來看，纖維摻量和水膠比兩者對混凝土抗壓強度的作用幅度遠比其它兩因素大。水膠比是影響抗壓強度的主要因素，隨著水膠比的增大，抗壓強度呈現出與抗折強度一樣的趨勢。纖維摻量對于增強混凝土的抗壓性能有一定的作用，但是強度會隨著摻量的逐漸增加呈現先增后減的變化規(guī)律，而纖維長度和直徑對抗壓強度增強的作用不是很明顯。

2.2 不同因素的方差和極差分析

從圖1、圖2可以直觀地看出各因素不同水平下對玄武巖纖維混凝土抗折、抗壓強度的影響趨勢，但是它無法準確地反映各項指標的影響程度。

故下面采用方差極差分析方法，將其影響程度進行量化，具體數據見表6。

表6 不同因素下28d抗折、抗壓強度方差和極差影響因素28d抗折強度28d抗壓強度方差極差方差極差纖維摻量01690741047060水膠比00580481981089纖維長度0001006013007纖維直徑0018027124022

可以看出，玄武巖纖維混凝土的抗折性能影響程度最大的因素為纖維摻量，水膠比則對其抗壓強度性能作用幅度最大，這與上節(jié)的分析相互驗證。纖維的加入可以提高混凝土的抗折和抗壓性能，但不是一味地提高摻量都有利于混凝土性能的提升，當摻量達到最優(yōu)時，再加入纖維會降低混凝土的性能。主要是因為過多的纖維會增加比表面積，使混凝土內部密實度降低，從而易產生缺陷和氣孔。

3 玄武巖纖維對混凝土性能指標提升的影響

本文在前期的研究基礎上，設計玄武巖纖維混凝土和普通水泥混凝土兩組試驗進行對比分析，研究其對力學性能的增強幅度。

試驗方案：

第①組為素混凝土，采用表4中的配和比。

第②組為玄武巖纖維混凝土，纖維摻量為1.5 kg/m3、纖維直徑采用17 μm、纖維長度為20 mm，其他材料與正交試驗中相同。對兩組混凝土的各齡期下的抗折強度和抗壓強度進行試驗，并計算玄武巖纖維混凝土相比素混凝土的提高率。

由表7可見，玄武巖纖維混凝土的抗折強度、抗壓強度較素混凝土都有一定幅度的提高，摻量為1.5 kg/m3時7 d和28 d齡期的抗折強度分別提高了9.11%和17.18%，抗壓強度提升幅度相對較

表7 玄武巖纖維混凝土強度提高率混凝土種類7d28d抗折強度抗壓強度抗折強度抗壓強度試驗值/MPa提高率/%試驗值/MPa提高率/%試驗值/MPa提高率/%試驗值/MPa提高率/%玄武巖纖維混凝土5519．1140．23．886．4817．1850．53．48素混凝土50538．75．5348．8

小，但也達到3.88%和3.48%。分析其原因，主要是玄武巖纖維的加入，改善了混凝土的內部結構，形成了一種更優(yōu)的網狀結構，這種結構體系能與骨料一起受力，并且能夠承擔一部分應力集中的對混凝土產生的破壞，從而大幅度地提升混凝土的抗彎拉性能。

4 結語

本文采用正交試驗，分析纖維摻量、水膠比、纖維長度和纖維直徑四因素對玄武巖纖維混凝土性能的提升幅度。

1) 對于玄武巖纖維混凝土抗壓強度的影響程度順序為：水膠比>纖維摻量>纖維直徑>纖維長度。

2) 對于玄武巖纖維混凝土抗折強度的影響程度順序為：纖維摻量>水膠比>纖維直徑>纖維長度。

3) 本研究通過正交試驗得出的最優(yōu)摻量下，所配制的玄武巖纖維混凝土較素混凝土的28 d抗壓強度和抗折強度分別提高3.48%和17.18%。

[1] 高向玲，李杰.添加不同纖維的高性能混凝土力學性能試驗[J].建筑科學與工程學報，2008，25(1)：43-48.

[2] 李為民，許金余.玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應[J].硅酸鹽學報，2008，36(4)：476-486.

[3] Wei Bin， Cao Hai-lin， Song Shen-hua.Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers[J].Materials Science and Engineering，2010，527(18)：4708-4715.

[4] 潘慧敏.玄武巖纖維混凝土力學性能的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2009，28(5)：955-958.

[5] Tumadhir M B.Properties of glass concrete reinforced with short basalt fibre[J].Materials and Design，2012，42：265-271.

[6] 何軍擁，黃小清，田承宇.玄武巖纖維增強、阻裂性能的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2011(3)：36-39.

1008-844X(2016)04-0041-03

U 414

A