姜君蓓 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000）

混凝土在工程中被廣泛應(yīng)用于各種建筑物，例如大壩、橋梁、隧道等，然而普通混凝土本身存在著自重大、韌性差、抗拉壓強(qiáng)度低、抗沖擊性能差等缺點(diǎn)。為了解決這一難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們做了大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在普通混凝土中加入一定量的纖維，可以改善混凝土性能，其中鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維在土木工程行業(yè)中備受關(guān)注。李德超等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著玄武巖纖維的摻入，混凝土的抗壓強(qiáng)度得到一定程度的增強(qiáng)，但并非成線性增長(zhǎng)，達(dá)到增強(qiáng)臨界值之后繼續(xù)摻入玄武巖纖維，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。Jince等人發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維具有強(qiáng)度高、彈性好、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在瀝青混凝土中摻入聚丙烯纖維可以提高抗永久變形能力。鞠彥忠斌等人研究發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖—聚丙烯纖維可以有效地改善活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。由于淺色硅灰粒徑較小，可以很好地填充水泥間的縫隙，增加水泥密實(shí)性，提高混凝土強(qiáng)度，而將硅灰同聚玄武巖—聚丙烯纖維混合摻入混凝土的力學(xué)性能研究較少，故本文通過(guò)正交試驗(yàn)法探討硅灰，按照一定比例代替部分水泥后對(duì)玄武巖—聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 使用材料

采用安徽淮南生產(chǎn)的“海螺”牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用普通中砂，粗骨料選用粒徑5mm～15mm的普通碎石，淺色硅灰（S）采用由河南鄭州華英凈化材料提供，細(xì)度平均粒徑0.1μm～0.3μm，比 表 面 積 約 20m2/g～28m2/g，其化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，玄武巖纖維（B）和聚丙烯纖維（P）分別由湖南長(zhǎng)沙匯祥纖維工廠提供，兩種纖維的物理及力學(xué)性能見(jiàn)表2所示。

硅灰的化學(xué)組成部分 表1

玄武巖纖維和聚丙烯纖維物理及力學(xué)性能 表2

混凝土配合比試驗(yàn)摻量設(shè)計(jì) 表3

正交試驗(yàn)因素—水平表 表4

抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值 表5

抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度極差結(jié)果分析 表6

1.2 試驗(yàn)配合比及正交試驗(yàn)方案

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011），基準(zhǔn)組設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，其配合比為水泥、水、砂子、石子=389：210：648：1103，kg/m3澆 筑 成100mm×100mm×100mm非標(biāo)準(zhǔn)立方體，配合比詳見(jiàn)表3所示，每組澆筑6塊，3塊測(cè)抗壓強(qiáng)度，3塊測(cè)抗拉強(qiáng)度，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將淺色硅灰按照水泥比例進(jìn)行內(nèi)摻，玄武巖纖維和聚丙烯纖維以混凝土的比例進(jìn)行外摻，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與軟件分析

2.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度確定

待試件達(dá)到28d齡期后采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，參照規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019），抗壓強(qiáng)度以3個(gè)試塊實(shí)測(cè)強(qiáng)度平均值乘以尺寸換算系數(shù)0.95，抗拉強(qiáng)度以3個(gè)試塊實(shí)測(cè)強(qiáng)度平均值乘以0.85的尺寸換算系數(shù)。試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值詳見(jiàn)表5所示。

2.2 極差值結(jié)果分析

通過(guò)SPSS進(jìn)行極差分析，由表6可得在實(shí)測(cè)28d抗壓強(qiáng)度時(shí)，首先淺色硅灰影響最為明顯，極差值R為7.2MPa；其次玄武巖纖維，極差值R為2.5MPa；影響最小的是聚丙烯纖維，極差值R為0.5MPa。對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，首先玄武巖纖維影響最為明顯，極差值R為1.1MPa；其次聚丙烯纖維，極差值R為0.9MPa；影響最小的是淺色硅灰，極差值R為0.7MPa。三種摻合物摻量與混凝土強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖1、圖2所示。

由圖1、表6可知，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著淺色硅灰的增加而逐漸增加，可以看出，摻入淺色硅灰可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)內(nèi)摻量從5%增加到15%，混凝土抗壓強(qiáng)度由48.9MPa依次增長(zhǎng)了9%、14.7%，其原因在于硅灰可以充分填充孔隙，使骨料和膠凝材料之間接觸面粘結(jié)性得到加強(qiáng)，從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度。玄武巖纖維、聚丙烯纖維摻量與混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律基本相似，隨著玄武巖纖維、聚丙烯纖維的摻量逐漸增加，抗壓強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到0.2%之后，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低。由圖2、表6可知，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨淺色硅灰摻量的增加而呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)淺色硅灰達(dá)到10%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，隨著淺色硅灰摻量的繼續(xù)加大，劈裂抗拉強(qiáng)度又逐漸減小，當(dāng)淺色硅灰摻量達(dá)到15%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值。隨著玄武巖纖維摻量增加，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，玄武巖纖維摻量從0.1%增加到0.3%，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度由6.5MPa依次增長(zhǎng)了10.8%、16.9%，分析認(rèn)為混凝土在受到外力作用下產(chǎn)生微小裂痕，這時(shí)玄武巖纖維參與工作，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重新分布，延緩裂痕發(fā)展，從而提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。而對(duì)于聚丙烯纖維摻量從0.1%增加到0.3%，劈裂抗拉強(qiáng)度先減后增趨勢(shì)。

圖1 28d抗壓強(qiáng)度因素指標(biāo)趨勢(shì)圖

圖2 28d抗拉強(qiáng)度因素指標(biāo)趨勢(shì)圖

混凝土抗壓強(qiáng)度方差和各個(gè)因素相關(guān)性分析 表7

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度方差和各個(gè)因素相關(guān)性分析 表8

2.3 方差值結(jié)果分析

通過(guò)SPSS進(jìn)行方差分析，由表7可得在實(shí)測(cè)28d抗壓強(qiáng)度時(shí)，各個(gè)因素影響結(jié)果同極差一致。其中淺色硅灰對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響產(chǎn)生較高顯著性，玄武巖纖維和聚丙烯纖維為顯著性影響。再通過(guò)統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析法可知，淺色硅灰的內(nèi)摻量與試塊的抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性最大，相關(guān)性參數(shù)為0.893；其次是玄武巖纖維的外摻量，相關(guān)性參數(shù)為-0.183；最后是聚丙烯纖維的外摻量，相關(guān)性參數(shù)為-0.037。

由表8可得在實(shí)測(cè)28d劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，各個(gè)因素影響結(jié)果同極差一致。其中玄武巖纖維對(duì)試塊抗拉強(qiáng)度的影響產(chǎn)生較高顯著性，聚丙烯纖維和淺色硅灰為顯著性影響。再通過(guò)統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析法可知，玄武巖纖維的外摻量與試塊抗拉強(qiáng)度之間的相關(guān)性最大，相關(guān)性參數(shù)為0.624；其次是聚丙烯纖維的外摻量，相關(guān)性參數(shù)為-0.443；最后是淺色硅灰的內(nèi)摻量，相關(guān)性參數(shù)為-0.322。

3 結(jié)論

本文基于正交試驗(yàn)方法探究淺色硅灰、玄武巖纖維、聚丙烯纖維這三種因素的不同摻量對(duì)于混凝土力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論。

①各因素對(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)度的影響主次序?yàn)椋簻\色硅灰＞玄武巖纖維＞聚丙烯纖維；對(duì)于混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響主次序?yàn)樾鋷r纖維＞聚丙烯纖維＞淺色硅灰。

②通過(guò)方差分析可得，淺色硅灰的內(nèi)摻量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度起到正效應(yīng)的作用，為較高顯著性，而另外兩個(gè)因素根據(jù)摻量的增加呈負(fù)效應(yīng)；玄武巖纖維的外摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉的強(qiáng)度起著正效應(yīng)的作用，為較高顯著性，而另外兩個(gè)因素根據(jù)摻量的增加呈負(fù)效應(yīng)。

③綜合考慮，由表6可知試塊抗壓強(qiáng)度各因素水平最優(yōu)摻量選取SBP，試塊劈裂抗拉強(qiáng)度最優(yōu)摻量選取SBP，由于在工程實(shí)踐中混凝土主要是起到抗壓作用，所以最佳摻量以抗壓為主，選取為SBP。