宗 翔 豆慶歌

(安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

混凝土在現(xiàn)代建筑材料中，發(fā)揮著十分重要的作用，但由于其存在自重大、抗拉強度較低、抗沖擊性較差、脆性大等缺點，在一些特殊工程中的應用受到限制。研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入不同種類的纖維，有利于提高混凝土的各項性能。目前，在混凝土中加入的纖維主要包括尼龍、碳纖維、鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維等[1-3]。劉永勝、楊雯雯等人研究發(fā)現(xiàn)將不同纖維加入到混凝土中，混凝土的力學性能得到不同程度的提高，其中，加入鋼纖維的效果最好，但鋼纖維容易發(fā)生銹蝕、不耐高溫[4-5]。吳釗賢、秦毓雯等人通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入玄武巖纖維，不但能使混凝土的抗壓、抗拉強度等性能得到較大程度提高，同時能夠抑制氯離子對混凝土的侵蝕，其抗?jié)B性能也較好[6-7]。大量實驗表明，將不同摻量的硅灰加入到混凝土中，混凝土的抗壓強度得到不同程度的提高[8-10]。

摻入鋼纖維可以提高混凝土的抗壓強度，提高混凝土遭到破壞時的延性；玄武巖纖維可以提高混凝土的耐溫性和抗侵蝕性；硅灰可使混凝土性能更優(yōu)。纖維在混凝土中隨機分布，摻入纖維過多將會導致其在混凝土中的分布不均勻。

1 混凝土性能實驗

1.1 實驗材料

實驗所用水泥，為安徽省淮南市八公山PO 42.5級普通硅酸鹽水泥。所用石子為連續(xù)級配的碎石，粒徑為4～20 mm，各項性能均滿足規(guī)范要求。所用的砂為淮河中砂，細度模數(shù)為2.72，堆積密度為 1 441 kg/m3，表觀密度為2 533 kg/m3。所用的硅灰為河南省義翔新材料公司生產的微硅粉，其比表面積為19.1 m2/g，SiO2含量約為96.30%，氯離子含量約為0.07%。所用的水為自來水。所用的纖維為衡水駿曄路橋養(yǎng)護公司生產的鋼纖維及匯祥纖維工廠生產的玄武巖纖維，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 實驗所用纖維的基本參數(shù)

1.2 實驗準備

1.2.1 原料準備

石子粒徑大小不同，含有沙子、土等雜質，需要對其進行處理。將石子清洗后，放置在陰涼處，晾10 d左右后，用濾網對其進行過濾篩選。

砂中含有貝殼碎片和云母等雜質，需要對其進行處理。將砂晾干后，用濾網對其進行過濾篩選。

1.2.2 正交實驗設計

對于鋼纖維(SF)、玄武巖纖維(BF)和硅灰(Si)等3個影響因素，采用正交實驗的方法來確定其最佳配合比[11]。針對這3個因素分別考慮3個水平：鋼纖維采用質量摻量為20、30、40 kg/m3；玄武巖纖維采用體積摻量為0.05%、0.10%、0.15%；硅灰對水泥的代替率為5%、10%、15%。實驗因素水平表如表2所示。

表2 實驗因素水平表

1.2.3 實驗配合比設計

本次實驗配制的是C35級混凝土，根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的要求，確定其水膠比為0.52，砂率為35%。按照100 mm×100 mm×100 mm的標準試塊進行配制，基準混凝土配合比，如表3所示；根據(jù)實驗因素水平，共設計9組實驗，其混凝土配合比，如表4所示。

表3 基準混凝土配合比 單位：(kg/m3)

表4 實驗混凝土配合比 單位：(kg/m3)

本次研究9組實驗中，每組6個試塊，其中3個試塊進行抗壓強度測試，另外3個試塊進行劈裂抗拉測試。實驗的試塊由100 mm×100 mm×100 mm的模具澆筑而成，放置24 h后拆模，將拆模后的試塊放入Ca(OH)2溶液中，在溫度為20 ℃的條件下養(yǎng)護28 d后取出晾干。

用計算機控制的電液伺服萬能實驗機，對試塊進行抗壓、劈裂抗拉強度實驗(見圖1、圖2)?？箟簭姸葘嶒灥募虞d速度位移為2 mm/min；劈裂抗拉強度實驗的加載速度位移為 1 mm/min。在劈裂抗拉測試中，摻入鋼纖維和玄武巖纖維的混凝土，其劈裂抗拉強度先增大再小幅減小，而后再增大，結果會出現(xiàn)2個極值。這說明鋼纖維和玄武巖纖維在劈裂抗拉的過程中發(fā)揮著十分重要的作用，混凝土沒有發(fā)生脆性破壞，纖維和混凝土之間的黏結使其具有更大的延性。

圖1 抗壓強度加載

圖2 劈裂抗拉強度加載

2 實驗結果分析

對實驗數(shù)據(jù)進行處理分析，得到混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，結果如表5所示。混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度滿足要求。

表5 不同混凝土的抗壓、劈裂抗拉強度 單位：MPa

為了探討鋼纖維、玄武巖纖維及硅灰等摻入物對混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響程度，采用IBM SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，對實驗結果進行極差和方差分析。

2.1 極差分析

實驗數(shù)據(jù)的極差分析結果，如表6所示。對混凝土抗壓強度而言，鋼纖維(SF)對其影響最大，玄武巖纖維(BF)對其影響次之，對其影響最小的是硅灰(Si)。隨著3種摻入物摻量的增加，混凝土的抗壓強度均呈先降低后增長的趨勢(見圖3)。鋼纖維、玄武巖纖維以及硅灰對混凝土的抗壓強度都有較為明顯的積極作用。

圖3 不同混凝土28 d抗壓強度

對混凝土劈裂抗拉強度而言，硅灰對水泥的代替率對其影響最大，鋼纖維對其影響次之，對其影響最小的是玄武巖纖維(見表6)。隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度大幅增加；隨著玄武巖纖維、硅灰摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度均呈先增大后減小趨勢(見圖4)。鋼纖維、玄武巖纖維、硅灰等對混凝土的劈裂抗拉強度都有較為明顯的作用，其中鋼纖維對其影響最為顯著。

表6 不同混凝土28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度極差 單位：MPa

圖4 不同混凝土28 d劈裂抗拉強度

不同混凝土的抗壓強度方差分析結果，如表7所示。鋼纖維、玄武巖纖維以及硅灰對混凝土抗壓強度均有顯著性影響。對混凝土抗壓強度影響程度由強到弱為：鋼纖維、玄武巖纖維、硅灰。此結果與極差分析一致。

表7 不同混凝土抗壓強度方差

不同混凝土劈裂抗拉強度方差結果，如表8所示。鋼纖維、玄武巖纖維以及硅灰對混凝土劈裂抗拉強度均有顯著性影響。對混凝土劈裂抗拉強度影響程度由強到弱為硅灰、鋼纖維、玄武巖纖維。此結果與極差分析一致。

表8 不同混凝土劈裂抗拉強度方差

2.3 最優(yōu)配合比的確定

采用極差分析法，得到混凝土抗壓強度最優(yōu)配合比組合為A3B3C3，與表5所示實驗結果相一致；得到混凝土劈裂抗拉強度最優(yōu)配合比組合為A3B2C2,而實驗結果顯示，混凝土最大劈裂抗拉強度配合比組合為A2B2C2?？紤]在實際工程中混凝土受壓更多，在高效、方便、經濟的原則下，確定最優(yōu)配合比組合為A3B3C3：鋼纖維質量摻量為40 kg/m3，玄武巖纖維體積摻量為0.15%，硅灰對水泥的代替率為15%。

3 結 語

經過實驗研究表明，摻入物對混凝土抗壓強度的影響程度由強到弱為鋼纖維、玄武巖纖維、硅灰；對混凝土劈裂抗拉強度的影響程度由強到弱為硅灰、鋼纖維、玄武巖纖維。鋼纖維對混凝土抗壓強度的影響有較高顯著性，硅灰對混凝土劈裂抗拉強度的影響有較高顯著性。對于C35混凝土，最優(yōu)配合比組合為A3B3C3：鋼纖維質量摻量為40 kg/m3，玄武巖纖維體積摻量為0.15%，硅灰對水泥的代替率為15%。