玄武巖纖維粉煤灰增強(qiáng)陶?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)研究

楊圣飛， 李海艷， 向 杰

(1. 重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，重慶 402160; 2. 石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043; 3. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

0 引 言

陶粒是由工業(yè)廢棄物制成的具有輕質(zhì)、密度小、保溫及耐火性好的骨料，將其摻入混凝土中制備陶?；炷聊苡行Ы档唾Y源浪費(fèi)，減少環(huán)境污染，符合當(dāng)下可持續(xù)發(fā)展的要求[1-2]。但由于陶?；炷僚c普通混凝土相比存在著強(qiáng)度低、脆性大等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了陶粒混凝土在高層和大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，因此，如何增強(qiáng)陶?；炷恋膹?qiáng)度、改善其脆性成為當(dāng)前工程界的研究熱點(diǎn)[3-5]。粉煤灰屬于鍋爐中燃料燃燒產(chǎn)生的工業(yè)廢物，將其作為礦物摻合料代替部分水泥摻入混凝土中能提高其社會(huì)和環(huán)境效益，同時(shí)也在一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度并改善混凝土的工作性能[6-7]。玄武巖纖維彈性模量高且價(jià)格低廉，將其摻入混凝土中能提升混凝土的強(qiáng)度和韌性、改善混凝土的脆性[8]。

夏多田等[9]研究了玄武巖纖維摻量對(duì)陶?；炷亮W(xué)性能的影響，結(jié)果表明適量的玄武巖纖維摻入陶?；炷林杏欣谄鋸?qiáng)度的提升，并改善了陶?；炷恋拇嘈浴Ｖ斐璧萚10]測(cè)試了不同齡期和不同摻量的玄武巖纖維陶?；炷恋膹?qiáng)度，結(jié)果表明在相同的齡期下，陶?；炷恋膹?qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。史永健等[11]的研究表明粉煤灰摻入陶?；炷林心茱@著增強(qiáng)其抗凍性能并在一定程度上能提升陶粒混凝土的強(qiáng)度。晏方等[12]研究了粉煤灰陶?；炷裂h(huán)受壓下的力學(xué)性能，結(jié)果表明粉煤灰摻入陶?；炷林心苎泳徠鋭偠韧嘶⒏纳铺樟；炷恋拇嘈?。

本文將玄武巖纖維、陶粒、粉煤灰摻入混凝土中設(shè)計(jì)制備的玄武巖纖維陶粒粉煤灰混凝土(BCFC)具有造價(jià)低廉和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的理論。為進(jìn)一步研究玄武巖纖維、陶粒和粉煤灰對(duì)BCFC力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)了玄武巖纖維體積率、陶粒代石子率和粉煤灰代水泥率的三因素三水平L9(33)的正交試驗(yàn)，研究其對(duì)BCFC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

玄武巖纖維采用短切玄武巖纖維，物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。水泥采用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。石子：采用粒徑為5～20 mm的碎石。砂子：采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.65，屬于中砂。陶粒采用頁(yè)巖陶粒，粒徑大小為5～20 mm，孔隙率大于34%，松散密度為600 kg/m3，吸水率小于15%。粉煤灰采用某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見(jiàn)表2。減水劑采用減水率為37%的HPWR型高性能減水劑。水為自來(lái)水。

表1 玄武巖纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 粉煤灰化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在開(kāi)展全試驗(yàn)組較多時(shí)，采用正交試驗(yàn)法能夠有效降低試驗(yàn)次數(shù)并達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)的目的。為研究玄武巖、粉煤灰和陶粒對(duì)BCFC力學(xué)性能的影響，本文考慮的因素及水平為：因素A-玄武巖纖維體積率(0.1%、0.2%、0.3%)，因素B-陶粒代石子率(4%、8%、12%)，因素C-粉煤灰代水泥率(5%、10%、15%)。采用L9(33)正交試驗(yàn)方案，配合比如表3所示。

表3 BCFC配合比 kg/m3

1.3 試件制作及試驗(yàn)方法

試件制作過(guò)程如下：將石子和砂子混合干拌1 min，然后倒入玄武巖纖維和陶粒繼續(xù)干拌1 min，接著加入水泥和粉煤灰干拌1 min，最后加入溶有減水劑的水?dāng)嚢? min，制作完成BCFC?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)每組各制作3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，抗折強(qiáng)度每組制作3個(gè) 100 mm×100 mm×400 mm 長(zhǎng)條形試件，放入室溫為20 ℃±2 ℃的不流動(dòng)的飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù) 28 d。參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度見(jiàn)表4。為了研究玄武巖纖維體積率(A)、陶粒代石子率(B)和粉煤灰代水泥率(C)3種因素對(duì)BCFC強(qiáng)度、拉壓比和折壓比的影響程度，找出顯著性影響因素，利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行極差和方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5和表6，基于表5BCFC強(qiáng)度極差分析結(jié)果繪制三因素對(duì)BCFC強(qiáng)度的影響趨勢(shì)圖見(jiàn)圖1。

表4 BCFC強(qiáng)度

表5 BCFC極差分析結(jié)果

2.1 BCFC抗壓強(qiáng)度

從表5可以看出玄武巖纖維體積率對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度的影響最大，極差為9.37 MPa，其次是粉煤灰，極差為2.67 MPa，陶粒對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度的影響最小，極差為 1.57 MPa。

從圖1(a)可知：BCFC抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維體積率的增加而提升，當(dāng)纖維摻量從0.1%增加到0.2%，BCFC抗壓強(qiáng)度提升19.66%，當(dāng)纖維摻量從0.1%增加到0.3%，BCFC抗壓強(qiáng)度提升30.52%；BCFC抗壓強(qiáng)度隨著陶粒代體積率的增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，當(dāng)陶粒摻量從4%增加到8%，BCFC抗壓強(qiáng)度降低1.24%，整體上變化不大；BCFC抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而降低，當(dāng)粉煤灰摻量從5%增加到10%，BCFC抗壓強(qiáng)度降低7.22%。

圖1 玄武巖纖維體積率、陶粒代石子率和粉煤灰代水泥率對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響水平趨勢(shì)

基于表6中對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度的方差分析可知，玄武巖纖維和粉煤灰是影響B(tài)CFC抗壓強(qiáng)度的顯著性因素，其中玄武巖纖維是特別顯著性因素，陶粒對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度有一定影響。

表6 BCFC方差分析結(jié)果1）～2）

2.2 BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度

從表5中對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度的極差分析可知，三因素對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響順序?yàn)樾鋷r纖維 (1.17 MPa)>粉煤灰 (0.383 MPa)>陶粒(0.38 MPa)。

由圖1(b)可以看出，BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度隨著玄武巖纖維體積率的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)纖維摻量從0.1%增加到0.2%，BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度增幅為22.52%，當(dāng)纖維摻量從0.1%增加到0.3%，BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度增幅為34.48%；隨著陶粒和粉煤灰摻量的增加，BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，當(dāng)陶粒摻量從4%增加到12%，BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度降幅為7.85%，當(dāng)粉煤灰摻量從5%增加到15%，BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度降幅為8.45%。

通過(guò)表6中對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度的方差分析可知，玄武巖纖維是影響B(tài)CFC劈裂抗拉強(qiáng)度的特別顯著性因素，陶粒和粉煤灰對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度有一定影響且粉煤灰對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度大于陶粒。

2.3 BCFC抗折強(qiáng)度

基于表5中對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度的極差分析結(jié)果可以看出，玄武巖纖維對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度的影響程度最大，極差為1.867 MPa，陶粒的影響程度次之，極差為0.67 MPa，粉煤灰的影響程度最小，極差為0.343 MPa。

由圖1(c)可知， BCFC抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維體積率變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度一致，均隨著纖維摻量的增加而提升，當(dāng)玄武巖纖維摻量從0.1%增加到0.3%，BCFC抗折強(qiáng)度提升34.9%，這與劈裂抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)較為接近，但整體上增幅略大于劈裂抗拉強(qiáng)度；BCFC抗折強(qiáng)度隨陶粒和粉煤灰摻量的變化與劈裂抗拉強(qiáng)度隨陶粒和粉煤灰摻量變化也較為一致，均表現(xiàn)為先增長(zhǎng)后降低，當(dāng)陶粒摻量從4%增加到8%，BCFC抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)5.08%，當(dāng)粉煤灰摻量從5%增加到10%，BCFC抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)1.94%。

從表6可知，玄武巖纖維是影響B(tài)CFC抗折強(qiáng)度的特別顯著性因素，陶粒對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度有一定影響，而粉煤灰對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度沒(méi)有影響。

綜合上述對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的極差及方差分析可以看出，三因素對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度的影響最大，其中，玄武巖纖維、陶粒和粉煤灰對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度的最大提升幅度分別為34.9%、5.08%和1.94%。

2.4 BCFC拉壓比及折壓比

基于表5可以看出，三因素對(duì)BCFC拉壓比的影響順序?yàn)椋禾樟?0.008)>粉煤灰(0.0042)>玄武巖纖維(0.0035)；三因素對(duì)BCFC折壓比的影響順序?yàn)椋盒鋷r纖維 (0.0195)>陶粒 (0.0114)>粉煤灰(0.0061)。

由表6可知，三因素對(duì)BCFC拉壓比都沒(méi)有影響，玄武巖纖維是影響B(tài)CFC折壓比的顯著性因素，陶粒對(duì)BCFC折壓比有一定影響，而粉煤灰對(duì)BCFC折壓比沒(méi)有影響。

2.5 功效系數(shù)分析

對(duì)表4中BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行功效系數(shù)分析，如圖2所示。由可知，B-8組總功效系數(shù)值最大，故本文制備的BCFC最佳組合為A3B2C1，即當(dāng)玄武巖纖維體積率為0.3%，陶粒代石子率為8%，粉煤灰代水泥率為5%時(shí)，BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度綜合表現(xiàn)最佳。

圖2 各組總功效系數(shù)值

3 玄武巖纖維增韌機(jī)理分析

混凝土的拉壓比和折壓比是衡量其脆性及韌性的重要指標(biāo)[13]。圖3給出了玄武巖纖維體積率對(duì)BCFC拉壓比和折壓比的影響趨勢(shì)圖，可以很明顯地看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，BCFC拉壓比逐漸增長(zhǎng)，折壓比先降低后增長(zhǎng)，但整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樾鋷r纖維摻入BCFC中能在混凝土基體中形成橋接作用，同時(shí)由于玄武巖纖維的彈性模量較高，通過(guò)與混凝土基體之間的機(jī)械咬合力和黏結(jié)力承擔(dān)BCFC所承受的外部荷載。綜上所述，玄武巖纖維摻入混凝土中能夠與混凝土基體共同作用增強(qiáng)BCFC的韌性，并改善BCFC的脆性。

圖3 玄武巖纖維體積率對(duì)BCFC拉壓比和折壓比的影響趨勢(shì)圖

4 BCFC強(qiáng)度回歸方程

假定BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度是由混凝土基體強(qiáng)度、玄武巖纖維增強(qiáng)項(xiàng)、陶粒增強(qiáng)項(xiàng)和粉煤灰增強(qiáng)項(xiàng)組成，運(yùn)用最小二乘法[14]得出BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的回歸方程如下所示：

式中：fc——BCFC 抗壓強(qiáng)度，MPa；

ft——BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

fu——BCFC抗折強(qiáng)度，MPa；

x1——玄武巖纖維體積率，%；

x2——陶粒代石子率，%；

x3——粉煤灰代水泥率，%；

r2——決定系數(shù)。

基于上述對(duì)BCFC強(qiáng)度擬合，計(jì)算得出BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和前文中試驗(yàn)得出的實(shí)測(cè)值如表7所示。為消除預(yù)測(cè)值對(duì)BCFC強(qiáng)度相對(duì)誤差的影響，設(shè)B-1組3種強(qiáng)度相對(duì)誤差均為0，其他各組的相對(duì)誤差均為計(jì)算相對(duì)誤差減去B-1組計(jì)算相對(duì)誤差的差值。從表中可以看出，BCFC 3種強(qiáng)度中的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為B-4組的劈裂抗拉強(qiáng)度，誤差在±12%以內(nèi)，表明回歸方程具有較高的準(zhǔn)確度，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程實(shí)踐提供參考。

表7 BCFC強(qiáng)度實(shí)測(cè)值、預(yù)測(cè)值和相對(duì)誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

1）玄武巖纖維、陶粒和粉煤灰對(duì)BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度影響程度依次為：玄武巖纖維>粉煤灰>陶粒，對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度影響大小順序?yàn)椋盒鋷r纖維>陶粒>粉煤灰，即玄武巖纖維對(duì)BCFC強(qiáng)度影響最大。當(dāng)玄武巖纖維摻量從0.1%增加到0.3%，BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提升30.52%、34.48%和 34.9%。三因素對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)大于抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，玄武巖纖維、陶粒和粉煤灰對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度最大提升幅度分別為34.9%、5.08%和1.94%。

2）玄武巖纖維體積率是影響B(tài)CFC強(qiáng)度的特別顯著性因素；陶粒代石子率對(duì)BCFC強(qiáng)度有一定影響；粉煤灰代水泥率是影響B(tài)CFC抗壓強(qiáng)度的顯著性因素，對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度有一定影響，對(duì)BCFC抗折強(qiáng)度沒(méi)有影響；另外，陶粒和粉煤灰對(duì)BCFC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度較為接近，但粉煤灰的影響程度大于陶粒。

3）三因素對(duì)BCFC拉壓比沒(méi)有影響，對(duì)BCFC折壓比的影響程度大小依次為玄武巖纖維體積率、陶粒代石子率、粉煤灰代水泥率。

4）基于對(duì)BCFC強(qiáng)度的功效系數(shù)分析結(jié)果可知，BCFC最佳組合為A3B2C1，即當(dāng)玄武巖纖維體積率為0.3%，陶粒代石子率為8%，粉煤灰代水泥率為5%時(shí)，BCFC強(qiáng)度綜合表現(xiàn)最佳，此時(shí)BCFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為41.8 MPa、4.88 MPa和 7.49 MPa。對(duì) BCFC 強(qiáng)度進(jìn)行了回歸擬合，擬合準(zhǔn)確度較高，能為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。