謝 芳

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000)

中國越來越注重生態(tài)節(jié)能型建筑材料的研發(fā)和綜合利用，其中廢舊橡膠纖維等力學(xué)性能優(yōu)良且綠色環(huán)保型材料逐漸引起人們的關(guān)注[1-2]。雖然，在混凝土中摻入橡膠纖維會(huì)降低其強(qiáng)度，但能夠有效改善混凝土的脆性，在外荷載作用下保證混凝土具有良好的延展性，增強(qiáng)其抗?jié)B、抗沖擊等性能。纖維具有增強(qiáng)韌性、阻裂的明顯優(yōu)勢，摻入適量的纖維可揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。此外，采用橡膠替代部分天然砂摻入混凝土，可以在一定程度上降低對天然骨料的依賴，有效緩解天然骨料資金短缺的局面。橡膠纖維既解決了廢舊橡膠難處理的問題，減輕了環(huán)境污染和資源短缺的壓力，發(fā)揮保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的雙重作用，還可以明顯改善混凝土性能，并逐漸成為工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[3-6]。

將適量纖維和橡膠摻入水工混凝土中可以有效改善其抗沖磨性及韌性，但橡膠纖維摻量及其組成成分不同，對混凝土性能的影響也明顯不同，并且針對橡膠纖維作用機(jī)理的研究也較少，故有必要深入探討橡膠纖維水工混凝土的最優(yōu)配合比[7]。文章利用正交試驗(yàn)法深入探討了橡膠纖維水工混凝土的抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，進(jìn)一步揭示了力學(xué)性能變化規(guī)律及其影響因素，最終提出最優(yōu)配合比，可為水利工程中橡膠纖維的推廣應(yīng)用及水工混凝土配合比設(shè)計(jì)提供一定數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料性能

1)水泥。考慮到水工混凝土早期水化熱聚集可能造成的開裂問題，試驗(yàn)選用低水化熱渾河P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測，水泥樣品的各性能指標(biāo)均符合線性規(guī)范要求，水泥的性能指標(biāo)，見表1。

表1 水泥的性能指標(biāo)

2)粉煤灰。采用高質(zhì)量粉煤灰替代部分水泥既可以減緩水化反應(yīng)速度，還能夠保證后期強(qiáng)度，在一定程度上改善混凝土抗裂性，故試驗(yàn)選用綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測，粉煤灰樣品的各性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，粉煤灰的性能指標(biāo)，見表2。

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

3)粗、細(xì)骨料。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范和試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，選用5～30mm連續(xù)級(jí)配的石灰質(zhì)碎石，其石粉含量忽略不計(jì)，表觀密度2740kg/m3，針片狀含量6%，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測，各性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。細(xì)骨料選用細(xì)骨料選用天然河砂，表觀密度2650kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.60。

4)外加劑。外加劑選用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，摻量取膠凝材料用量的1.0%～2.0%，減水率20%。

5)橡膠和纖維。試驗(yàn)選用10目、20目、40目三種橡膠顆粒，所對應(yīng)的表觀密度分別為1150kg/m3、1130kg/m3和1140kg/m3，試驗(yàn)選用束狀單絲聚丙烯纖維，摻量1kg/m3，纖維長度12mm。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以C40混凝土為基準(zhǔn)，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》合理確定基準(zhǔn)混凝土原材料用量，然后按照等體積的方式摻入橡膠集料替代部分細(xì)骨料，將聚丙烯纖維以外摻的方式加入拌合物中。為確定最佳組合，本試驗(yàn)按3個(gè)水平優(yōu)化設(shè)計(jì)每種因素的配合比，設(shè)計(jì)3個(gè)水平的正交試驗(yàn)，見表3。

表3 設(shè)計(jì)3個(gè)水平的正交試驗(yàn)

試驗(yàn)采用X1～X3、Y1～Y3、Z1～Z3分別代表纖維摻量、橡膠摻量和橡膠粒徑的3個(gè)水平，然后以L9正交試驗(yàn)確定9組橡膠纖維水工混凝土配合比和坍落度100～120mm、砂率42%、水灰比0.4配制的C40基準(zhǔn)混凝土配合比，配合比設(shè)計(jì)，見表4。

表4 配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

為了減少工作量，對橡膠纖維水工混凝土利用正交試驗(yàn)方法測試其力學(xué)性能，主要包括28d抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等，通過分析其關(guān)鍵影響因素合理確定最優(yōu)配合比。根據(jù)表4中的各組配合比和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，配制橡膠纖維水工混凝土和C40基準(zhǔn)混凝土兩組試樣，為保證試驗(yàn)精準(zhǔn)度每組3個(gè)石塊。采用100mm×100mm×400mm長方柱和150mm×150mm×150mm立方體石塊測定混凝土抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及其抗壓強(qiáng)度。

首先，將預(yù)先稱量好的各項(xiàng)原材料倒入強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合，設(shè)定攪拌時(shí)間180s，攪拌均勻后倒入試模，抹平表面多余混合料后放置到振動(dòng)臺(tái)振實(shí)成型；然后，在室內(nèi)靜置24h后拆模，標(biāo)記好編號(hào)并放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28d，標(biāo)養(yǎng)環(huán)境中的濕度≥95%、溫度20℃±2℃；最后，將養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的試件取出，按試驗(yàn)規(guī)范依次測定各組試件的力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測定各組混凝土試件的28d劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折和抗壓強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出拉壓比和折壓比，試驗(yàn)檢測混凝土力學(xué)性能，見表5。

表5 試驗(yàn)檢測混凝土力學(xué)性能

由表5可知，橡膠纖維水工混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，其28d劈拉、抗折和抗壓強(qiáng)度有所下降，但折壓比和拉壓比明顯增加，橡膠纖維的摻入增強(qiáng)了混凝土的抗裂性和韌性[8]。

2.2 對比分析

極差分析水工混凝土正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，極差分析，見表6。從表6可以看出，從低到高橡膠粒徑Z、橡膠摻量Y和聚丙烯纖維摻量X對混凝土強(qiáng)度的影響主次排序?yàn)椋篨

表6 極差分析

方差分析水工混凝土正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，方差分析，見表7。從表7可以看出，Y因素對抗壓強(qiáng)度的影響高度顯著，而X、Z因素對抗壓強(qiáng)度不具備顯著性；Y因素對抗折強(qiáng)度的影響高度顯著，Z因素對抗折強(qiáng)度的影響顯著，X因素對抗折強(qiáng)度不具備顯著性；Y因素對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響極度顯著，Z因素對劈裂抗壓強(qiáng)度的影響高度顯著，而X因素對劈裂抗拉強(qiáng)度不具備顯著性。因此，對于水工混凝土力學(xué)性能，其主要影響因素是橡膠摻量Y、其次為橡膠粒徑Z，聚丙烯纖維摻量X的影響均不顯著。X、Y因素對折壓比的影響均高度顯著，屬于主要因素，3個(gè)因素對拉壓比的影響均不具備顯著性。因此，方差分析與極差分析確定的各因素主次順序保持一致。

表7 方差分析

通過以上極差、方差以及各性能指標(biāo)交叉試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知：對于折壓比纖維摻量X的影響高度顯著，并且摻量X2性能最優(yōu)，對其它指標(biāo)均不具備顯著性；對于28d抗拉、抗折和抗壓強(qiáng)度三個(gè)指標(biāo)，橡膠摻量Y的影響為極度和高度顯著，并且摻量Y1性能最優(yōu)；對于28d抗拉和抗折強(qiáng)度，橡膠粒徑Z的影響顯著，并且摻量Z1的性能最優(yōu)，對其它指標(biāo)均不具備顯著性。綜上分析，可以確定橡膠纖維水工混凝土最優(yōu)配合比為X2Y1Z1組。

3 結(jié) 論

文章利用正交試驗(yàn)探討了橡膠粒徑、橡膠和聚丙烯纖維摻量3個(gè)因素對水工混凝土力的影響，通過極差和方差分析各組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出橡膠纖維混凝土最優(yōu)配合比，主要結(jié)論如下：

1)橡膠纖維水工混凝土的28d劈裂、抗折和抗壓強(qiáng)度，較基準(zhǔn)混凝土而言均有一定的下降，但抗折比和抗拉比明顯提高，摻橡膠纖維明顯增強(qiáng)了混凝土的抗裂性和韌性。

2)通過設(shè)計(jì)配合比和制作混凝土試件，利用正交試驗(yàn)法揭示了3個(gè)因素對混凝土力學(xué)性能的影響，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。然而，受人力、時(shí)間和試驗(yàn)條件限制，本試驗(yàn)僅探討了基本的力學(xué)性能，未來仍需進(jìn)一步研究橡膠纖維水工混凝土的耐久性能。