陶?；祀s纖維混凝土強度正交試驗研究

沈恒祥，孔 云，龐建勇

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

1 研究背景

隨著人口密度的逐漸提高，我國建筑物逐漸向高層與大跨度的方向發(fā)展，建筑物的自重隨之提高。據(jù)研究，輕質(zhì)高強混凝土的使用可降低鋼筋混凝土40%左右的自重[1]。陶?；炷岭m然能有效地降低建筑物自重，但畢建靜和高震[2]發(fā)現(xiàn)陶?；炷帘旧淼牧W(xué)性能相對于普通混凝土有著明顯的不足。另外，邵永健等[3]的研究表明，陶?；炷疗鰤K的抗剪強度最大值出現(xiàn)在軸壓比為0.5左右時，比普通混凝土提前0.1左右，在陶粒混凝土未發(fā)生脆性破壞的時候，先發(fā)生剪切破壞；班永周[4]認(rèn)為較低彈性模量的輕骨料會導(dǎo)致混凝土的彈性模量較低，且抗剪能力較弱。

針對上述問題，一些專家及學(xué)者開展了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明在輕骨料混凝土中摻入一定量的混雜纖維能夠提高混凝土的力學(xué)性能[5-7]。周航等[8]指出玄武巖纖維具有優(yōu)越的力學(xué)性能，并且與混凝土具有天然的相容性；張?zhí)m芳等[9]、阮明和和劉宏偉[10]的試驗表明隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增強，并且混凝土的脆性逐漸降低。其他一些研究也表明在輕骨料混凝土中摻入聚丙烯纖維，有助于提高輕骨料混凝土的抗壓強度并改善其脆性[11-14]。已有研究表明將玄武巖纖維與聚丙烯纖維摻入混凝土能提高輕骨料混凝土的力學(xué)性能，但需有待開展進一步系統(tǒng)的量化研究。

本文對陶粒、玄武巖纖維和聚丙烯纖維進行三因素三水平的正交試驗，研究其對混凝土抗壓強度及最大抗剪強度的影響，對于解決目前輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能不足的問題具有一定的參考和借鑒意義。

2 試驗材料與設(shè)計

2.1 原材料

玄武巖纖維采用的是平均長度15 mm、單絲直徑為12.2 μm的短切玄武巖纖維，其物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 玄武巖纖維物理及力學(xué)性能

試驗所用的水泥為淮南八公山牌PO 42.5級普通硅酸水泥，砂子為普通中砂，細度模數(shù)為2.8，并在其中摻雜最大粒徑5 mm、表觀密度2 543 kg/m3的陶砂，其目的是減少混凝土重度，并增加混凝土抗酸雨、保溫隔熱的能力。所選石子為最大粒徑<15 mm的卵石，以滿足混凝土的流動性，并使用陶粒代替部分卵石來減少混凝土的重度并增加混凝土保氣隔水的能力。陶粒粒徑大小為5～20 mm，為頁巖陶粒，由淮南市金瑞建材廠生產(chǎn)，其松散密度為600 kg/m3，筒壓強度為3 MPa，孔隙率>37%，吸水率<16%。?；⒅槊芏葹?00 kg/m3，閉孔率>85%，成球率60%～80%，粒徑0.15～0.5 mm，吸水率約200 %。由于玻化微珠吸水率過高，在使用前需進行淋水處理，防止在攪拌混凝土?xí)r過度吸水。粉煤灰采用淮南某電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰，其作用是節(jié)省水泥和細骨料用量，降低用水量，增強混凝土拌和物的和易性，減少混凝土的徐變和提高混凝土抗?jié)B能力。為了提高早期混凝土強度，使用聚羧酸高性能減水劑作為外加劑。

聚丙烯纖維采用山東泰安市現(xiàn)代塑料有限公司開發(fā)生產(chǎn)的束狀單絲聚丙烯纖維。其物理力學(xué)性能如表2所示。

表2 束狀單絲聚丙烯纖維物理及力學(xué)性能

2.2 試驗設(shè)計

參考混凝土設(shè)計規(guī)范，本試驗中基準(zhǔn)混凝土的水泥、砂子、石子、水配比取為1∶1.75∶1.75∶0.45。正交試驗是安排多因素多水平試驗的一種有效方法，其原理是根據(jù)正交性從全面試驗中挑出有代表性、典型性的點進行分析，以達到高效、快速和經(jīng)濟的目的[15]。本次試驗主要考慮因素為：①陶粒摻量Af(7%、14%、21%)，對應(yīng)因素水平為A1、A2、A3；②玄武巖纖維摻量Bg(0.1%、0.2%、0.3%)，對應(yīng)因素水平為B1、B2、B3；③聚丙烯纖維摻量Cv(0.1%、0.2%、0.3%)，對應(yīng)因素水平為C1、C2、C3。按照正交試驗的要求取用9組配合比，進行三因素三水平的設(shè)計，1 m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比

2.3 試塊制備

按照試驗規(guī)范，首先加入砂石與各種膠材對其進行干拌，然后加入水和減水劑，同時均勻地撒入纖維進行濕拌。每組配合比制備3塊邊長100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件用于抗壓強度試驗，同時每組制備3塊邊長50 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件用于測試其最大抗剪荷載。

3 試驗結(jié)果與分析

將試塊按照試驗規(guī)范要求養(yǎng)護28 d后進行強度試驗，測得其抗壓強度與最大抗剪荷載如表4所示。為了探究陶粒、玄武巖纖維和聚丙烯纖維對于混凝土抗壓強度與最大抗剪荷載的影響，利用統(tǒng)計分析軟件SPSS對其進行極差計算和方差分析。

表4 抗壓強度與最大抗剪荷載

3.1 極差分析

由表5、圖1可知，陶粒摻量對混雜纖維混凝土的抗壓強度影響最大，極差R為5.00 MPa；玄武巖纖維次之，極差R為2.27 MPa；聚丙烯纖維對混雜纖維混凝土抗壓強度的影響最小，極差R為1.53 MPa。Af從7%增長到14%，其抗壓強度降低了14.3%；Af從7%增長到21%，其抗壓強度降低了18.3%。這是由于陶粒代替了部分石子作為粗骨料，而陶粒本身是疏松多孔的結(jié)構(gòu)，在減輕混凝土自重的同時也降低了混凝土本身的抗壓強度。Bg從0.1%增大到0.2%，其抗壓強度增大了4.4%；Bg從0.1%增大到0.3%，其抗壓強度增大了9.7%。Cv從0.1%增大到0.2%，其抗壓強度減少了0.7%；Cv從0.1%增大到0.3%，其抗壓強度增大了5.7%。陶粒摻量對混雜纖維混凝土有明顯的反向影響；玄武巖纖維摻量與聚丙烯纖維摻量對于混雜纖維混凝土的抗壓強度都有較為明顯的正向影響。

表5 抗壓、抗剪荷載極差分析

圖1 28 d抗壓強度效應(yīng)曲線

由圖2、表5數(shù)據(jù)可知，玄武巖纖維對混雜纖維混凝土的最大抗剪荷載影響最大，極差R為17.40 kN；陶粒其次，極差R為11.27 kN；聚丙烯纖維對最大抗剪荷載的影響最小，極差R為6.83 kN。Bg從0.1%增長到0.2%，其最大抗剪荷載增長了17.6%；Bg從0.1%增長到0.3%，其最大抗剪荷載增長了36.2%。Cv從0.1%增長到0.2%，其最大抗剪荷載增長了11.9%；Cv從0.1%增長到0.3%，其最大抗剪荷載增長了13.1%。這是由于玄武巖纖維與聚丙烯纖維本身就有一定的彈性模量并具有良好的抗剪能力，在混凝土結(jié)構(gòu)中交織組成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效地提高混凝土的抗剪能力。Af從7%增長到14%，其最大抗剪荷載降低了6.7%；Af從7%增長到21%，其最大抗剪荷載增高了13.7%?？梢婋S玄武巖纖維摻量與聚丙烯纖維摻量的增加，混雜混凝土的抗剪荷載在增加。

圖2 28 d最大抗剪荷載效應(yīng)曲線

3.2 方差分析

如表6所示，通過方差分析可知，各因素對28 d混雜纖維混凝土的抗壓強度的影響順序為：陶粒>玄武巖纖維>聚丙烯纖維。此結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，其中陶粒摻量對抗壓強度的影響為高度顯著，而玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量對于抗壓強度的影響為顯著。再根據(jù)主成分分析法分析各因素的相關(guān)性可知，陶粒摻量與混雜纖維混凝土抗壓強度的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為-0.833；玄武巖纖維次之，相關(guān)系數(shù)為0.373；聚丙烯纖維最小，相關(guān)系數(shù)為0.228。隨著玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土的抗壓強度有所提高，其相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

表6 28 d抗壓強度方差分析與各因素相關(guān)性分析

由表7可知，根據(jù)方差分析得到的混雜纖維混凝土的最大抗剪荷載影響結(jié)果與極差分析一致，即玄武巖纖維>陶粒>聚丙烯纖維。其中玄武巖纖維對于最大抗剪荷載的影響為高度顯著，陶粒與聚丙烯纖維對于最大抗剪荷載的影響為顯著。由主成分分析法可知玄武巖纖維摻量與混雜纖維混凝土抗壓強度的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.778；陶粒其次，相關(guān)系數(shù)為0.335；聚丙烯纖維最小，相關(guān)系數(shù)為0.302。玄武巖纖維、陶粒、聚丙烯纖維的相關(guān)性分析與方差分析結(jié)果均相同。

4 強度模型的建立與檢測

4.1 抗壓強度預(yù)測模型的建立

利用SPSS軟件的多元線性回歸模塊對混雜纖維混凝土的抗壓強度進行回歸分析，采用后退分析法并以陶粒摻量、玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量3種因素作為影響混雜纖維混凝土抗壓強度的影響因素。

表7 最大抗剪荷載方差分析與各因素相關(guān)性分析

由前述可知，對于混雜纖維混凝土的抗壓強度影響為高度顯著的因素為陶粒摻量，顯著因素為玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論，將陶粒纖維混凝土看作基體相，玄武巖纖維相和聚丙烯纖維相作為組成三相基體復(fù)合材料[16]。所以，在混雜纖維混凝土的抗壓強度包含陶粒增強項、玄武巖纖維增強項、聚丙烯纖維增強項和基體相(常量)這4個部分。這4部分的模型系數(shù)以及模型系數(shù)的檢驗如表8所示，其中X為模型中Af、Bg、Cv、m(常量)前的系數(shù)。

表8 各因素的模型系數(shù)及檢驗結(jié)果

根據(jù)表8中顯著性的分析，模型1中陶粒摻量的顯著性水平明顯低于模型2和模型3，因而選擇-0.357作為陶粒摻量這一因素的模型系數(shù)。同理可得，玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量的模型系數(shù)分別為11.727和8.788。常數(shù)項m則選擇模型1中的常量。最終得到抗壓強度fcu的預(yù)測模型，即

fcu=25.427-0.357Af+11.727Bg+8.788Cv，

R2=0.94 。

(1)

4.2 最大抗剪荷載預(yù)測模型的建立

基于復(fù)合材料理論，利用SPSS軟件的多元線性回歸功能，建立混雜纖維混凝土的最大抗剪荷載的預(yù)測模型，系數(shù)的選取與抗壓強度預(yù)測模型的系數(shù)選取一致。以此為基礎(chǔ)得到最大抗剪荷載fv預(yù)測模型，即

fv=22.430+0.54Af+89.215Bg+49.036Cv，

R2=0.96 。

(2)

陶?；祀s纖維混凝土的抗壓強度以及最大抗剪荷載的試驗值與預(yù)測值如表9所示，其中抗壓強度的試驗值與預(yù)測值的相對誤差保持在6.2%以內(nèi)，說明抗壓強度預(yù)測模型具有良好的精度。雖然最大抗剪荷載模型預(yù)測在第2組、第4組和第6組的相對誤差的絕對值>9%，但最大抗剪荷載預(yù)測模型的平均相對誤差為2.2%，證明預(yù)測模型具有較好的精度。部分組相對誤差較大的原因如圖2所示，雖然陶粒摻量對于混雜纖維混凝土的最大抗剪荷載的影響較為顯著，但表現(xiàn)得極不規(guī)律，這就是最大抗剪荷載預(yù)測模型產(chǎn)生較大誤差的原因。

表9 混雜纖維混凝土抗壓強度及最大抗剪荷載的實測值、預(yù)測值和相對誤差

5 結(jié) 論

本文通過玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土力學(xué)性能的正交試驗研究，得出如下結(jié)論：

(1)陶粒摻量、玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量對于混雜纖維混凝土的抗壓強度和最大抗剪荷載都有著顯著影響。通過極差分析得到對于抗壓強度的影響順序為：陶粒摻量>玄武巖纖維摻量>聚丙烯纖維摻量；對于最大抗剪荷載的影響順序為：玄武巖纖維摻量>陶粒摻量>聚丙烯纖維摻量。

(2)當(dāng)陶粒摻量從7%增長到21%時，混雜纖維混凝土的抗壓強度降低了18.3%，說明陶粒摻量與混雜纖維混凝土抗壓強度之間表現(xiàn)出負相關(guān)性。

(3)通過方差分析可知，陶粒摻量、玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量對于混雜纖維混凝土的抗壓強度與最大抗剪荷載有顯著性的影響，特別是陶粒摻量在抗壓強度上具有高度顯著性影響，玄武巖纖維在最大抗剪荷載上具有高度顯著性影響；同時玄武巖纖維和聚丙烯纖維在對混雜纖維混凝土強度的影響中表現(xiàn)出正相關(guān)性，在混雜纖維混凝土中摻雜玄武巖纖維能有效提高其抗剪荷載性能，摻雜玄武巖纖維和聚丙烯纖維能有效地提高陶?；祀s纖維混凝土的抗壓強度。

(4)建立的關(guān)于混雜纖維混凝土抗壓強度及最大抗剪荷載的預(yù)測模型能夠精確地預(yù)測其抗壓強度以及最大抗剪荷載，對混雜纖維混凝土的力學(xué)性能研究具有一定的參考意義。