隔熱纖維混凝土力學(xué)性能研究

樊文廣

（同濟(jì)大學(xué)土木工程系，上海 200082）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步相應(yīng)地對(duì)混凝土的性能提出了更高的要求，如在保證混凝土強(qiáng)度足夠高的同時(shí)，盡量具有輕質(zhì)化、性價(jià)比高、有更好的韌性、耐久性等性能。而將高性能纖維增強(qiáng)材料按照一定的摻量加入傳統(tǒng)混凝土中形成的纖維基混凝土，其眾性能都優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土[1]。如彭苗等[2]的研究表明，玄武巖纖維混凝土在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度上要優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土；趙卓等[3]的研究表明，摻聚乙烯醇纖維（以下簡(jiǎn)稱PVA纖維）混凝土的韌性和抗拉性等性能有所提高。但加入某種纖維只能定向改善或者加強(qiáng)混凝土的某項(xiàng)性能，而摻入兩種及兩種以上不同性能的纖維時(shí)，由于不同纖維在混凝土中發(fā)揮增強(qiáng)增韌的作用的時(shí)候是處于不同的受荷階段和不同的結(jié)構(gòu)層次，故能綜合改善或者加強(qiáng)混凝土的多項(xiàng)性能[4-5]。

陶?；炷磷鳛橐环N輕骨料混凝土，雖具有自重小、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但其抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低[7]。由于玄武巖纖維和PVA纖維本身具有優(yōu)越的力學(xué)性能，筆者通過(guò)在陶?；炷林袚饺脒m量纖維用于提高其力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，且造價(jià)較為低廉。正交試驗(yàn)是一種通過(guò)多因素多水平實(shí)驗(yàn)從而降低實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度并且能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠行Х椒?。本文以正交試?yàn)為研究方法，輔以玄武巖纖維、PVA纖維和陶粒三種物質(zhì)的摻量對(duì)混雜纖維混凝土力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)的影響為研究?jī)?nèi)容。設(shè)計(jì)出三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)極差與方差分析，得出影響其性能的因素和摻量。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

本文實(shí)驗(yàn)采用八公山牌P.O42.5級(jí)普通水泥使用木電廠生產(chǎn)的以及粉煤灰替代部分水泥從而降低混凝土水化熱；砂子選普通中砂，并使用表觀密度為2543kg/m3的陶砂代替部分細(xì)集料。粗骨料選取平均粒徑為12mm的卵石并使用表觀密度為600kg/m3的陶粒替代部分卵石。玻化微珠采用淮南某公司生產(chǎn)，用與增加混凝土保溫隔熱的能力，在使用前需進(jìn)行淋水處理。玄武巖纖維的物理及力學(xué)性能如表1所示。PVA纖維的性能參數(shù)如表2所示。

表1 武巖纖維物理及力學(xué)性能

表2 PVA纖維性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到基準(zhǔn)混凝土的配比為水泥:砂子:石子:水=1:1.75:1.75:0.45。本次試驗(yàn)其主要考慮因素和水平為：陶粒摻量A（7%、14%、21%）；玄武巖纖維摻量B（0.1%、0.2%、0.3%）；PVA纖維摻量C（0.1%、0.2%、0.3%）。根據(jù)用正交表安排試驗(yàn)的原理，取用9組配合比，其1m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比 單位：kg·m-3

1.3 試塊制備

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，利用臥式攪拌機(jī)進(jìn)行試塊制備，首先加入粗細(xì)骨料與各種纖維進(jìn)行干拌，拌勻后分三次將水與減水劑倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行濕拌。之后將制成的試塊以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文通過(guò)使用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀對(duì)所制備混雜纖維混凝土的力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表4所示。然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，分析結(jié)果如表5～表6所示。

表4 試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

表5 極差分析

表6 方差分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

由表5和表6可知：①對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響程度最大的是玄武巖纖維，且為高度顯著性影響因素；PVA的影響程度次之且為顯著性影響因素；陶粒摻量的影響程度最小且為不顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，抗壓強(qiáng)度降低3.19%；從14%增加到21%，抗壓強(qiáng)度降低7.23%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗壓強(qiáng)度提高0.070%；從0.2%增加到0.3%，抗壓強(qiáng)度降低15.30%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗壓強(qiáng)度降低10.60%；從0.2%增加到0.3%，抗壓強(qiáng)度增加7.94%。

試塊抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維的摻入呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明合理的玄武巖纖維摻入量可有效改善混凝土的抗壓性能，而摻入量過(guò)高時(shí)卻適得其反，抗壓性能反而下降。其原因主要是因?yàn)樵诨炷列纬沙跗?，由于?nèi)部水化反應(yīng)未完全進(jìn)行，導(dǎo)致體積發(fā)生收縮從而出現(xiàn)微裂縫。摻入適量玄武巖纖維之后，當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí)，分散均勻的玄武巖纖維既可以通過(guò)橋接裂縫來(lái)傳遞荷載，減少應(yīng)力集中并減緩裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)又可以與混凝土基體形成一定量的粘接力，可以提高混凝土的抗裂性能。另外，纖維在混凝土內(nèi)部所形成的非定向支撐體系可以幫助分擔(dān)混凝土承力骨架的。故適量的摻入量可有效提高混凝土抗壓性能。但過(guò)多的纖維卻在混凝土內(nèi)部成團(tuán)聚集，使內(nèi)部微裂縫和氣孔增加并形成應(yīng)力集中點(diǎn)，反而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 抗拉強(qiáng)度

由表5和表6可知：①對(duì)試塊抗拉性能的影響程度最大的是陶粒摻量，且為高度顯著性影響因素；PVA摻量的影響程度次之且為高度顯著性影響因素；玄武巖摻量的影響程度最小且為顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，抗拉強(qiáng)度降低8.97%；從14%增加到21%，抗拉強(qiáng)度降低19.51%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗拉強(qiáng)度降低2.83%；從0.2%增加到0.3%，抗拉強(qiáng)度降低5.24%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗拉強(qiáng)度降低4%；從0.2%增加到0.3%，抗拉強(qiáng)度降低13.83%.

由于試塊受拉產(chǎn)生裂縫之時(shí)，裂縫會(huì)先沿著混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)，即粗骨料與砂漿的連接處發(fā)展，故砂漿基體與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度顯著影響試塊的抗拉強(qiáng)度。隨著混凝土外部所受荷載的增大，粗骨料作為主要的承力會(huì)先被拉斷，出現(xiàn)微小裂縫，而由于陶粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為細(xì)密蜂窩狀微孔，導(dǎo)致陶粒受拉時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，孔洞邊緣受集中力的作用首先發(fā)生破壞。且陶粒相比于普通石子其強(qiáng)度較低。故隨著陶粒摻量的增加，相比于傳統(tǒng)混凝土，陶?；炷恋闹饕辛Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度減小，抗拉強(qiáng)度逐漸降低。

2.3 抗剪強(qiáng)度

由表5和表6可知：①對(duì)試塊抗剪強(qiáng)度的影響程度最大的是玄武巖摻量，且為高度顯著性影響因素；陶粒摻量的影響程度次之且為顯著性影響因素；PVA摻量的影響程度最小且為顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，抗剪強(qiáng)度降低14.02%；從14%增加到21%，抗剪強(qiáng)度降低7.07%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗剪強(qiáng)度降低21.09%；從0.2%增加到0.3%，抗剪強(qiáng)度增加3.14%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗剪強(qiáng)度降低5.35%；從0.2%增加到0.3%，抗剪強(qiáng)度降低1.65%。

由于混凝土的強(qiáng)度和彈性模量隨著陶粒體積摻量的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而玄武巖纖維和PVA纖維的摻入會(huì)在空間組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在混凝土受到剪切力作用下發(fā)生橫向變形時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)其抗裂性，降低變形量，從而增加其抗剪強(qiáng)度，所以造成試塊抗剪強(qiáng)度降低的主要原因是陶粒摻量的增加。從表5可知，試塊的抗剪強(qiáng)度隨著玄武巖摻量的增加呈先降低后提高的趨勢(shì)，隨著PVA摻量的增加逐漸降低，但降低的幅度明顯減小，證明了兩種纖維的增加可以改善陶?；炷恋目辜魪?qiáng)度。

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

由表5和表6可知：①對(duì)試塊導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度最大的是陶粒摻量，且為高度顯著性影響因素；PVA纖維摻量的影響程度次之且為高度顯著性影響因素；玄武巖摻量的影響程度最小且為不顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，導(dǎo)熱系數(shù)提高0.35%；從14%增加到21%，導(dǎo)熱系數(shù)降低5.25%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，導(dǎo)熱系數(shù)提高1.46%；從0.2%增加到0.3%，導(dǎo)熱系數(shù)降低1.25%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，導(dǎo)熱系數(shù)降低1.01%；從0.2%增加到0.3%，導(dǎo)熱系數(shù)降低1.42%。

陶粒內(nèi)部由于空氣被包裹進(jìn)殼內(nèi)而形成許多封閉的微孔，使其內(nèi)部呈現(xiàn)蜂窩狀，摻入混凝土之后可增加混凝土的含氣量，也相當(dāng)于減小了混凝土的氣孔尺寸和增多了混凝土的氣孔數(shù)量，而上述的變化均能有效降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，故陶粒摻量的增加會(huì)導(dǎo)致試塊導(dǎo)熱系數(shù)的不斷下降。

3 結(jié)論

（1）陶粒摻量高度顯著性影響著混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和抗拉強(qiáng)度，且隨著陶粒摻量的增加，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和抗拉強(qiáng)度均減小。因此陶粒摻量不宜過(guò)高，但建議在滿足強(qiáng)度要求的前提之下可盡量提高陶粒摻量，從而改善混凝土的保溫隔熱的能力。

（2）玄武巖摻量高度顯著性影響著混凝土的抗壓和抗剪強(qiáng)度。PVA摻量高度顯著性影響著混凝土的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。在適宜的摻量范圍內(nèi)，這兩種纖維的摻入能改善陶粒混凝土的力學(xué)性能，但若摻量過(guò)高則會(huì)由于纖維結(jié)團(tuán)出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)反而使混凝土的力學(xué)性能有所降低。

（3）由于玄武巖摻量對(duì)抗壓性能的影響最大，且當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.2%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。故對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，玄武巖-PVA混雜纖維混凝土的合理?yè)搅浚ㄒ韵潞?jiǎn)寫(xiě)為（陶粒摻量，玄武巖摻量，PVA摻量））為（14%、0.2%、0.3%）。同理得對(duì)于抗拉強(qiáng)度而言，合理?yè)搅浚?%、0.1%、0.1%）；對(duì)于抗剪強(qiáng)度而言，合理?yè)搅繛椋?%、0.1%、0.1%）；對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)而言，合理?yè)搅浚?1%、0.1%、0.1%）。