纖維和硅灰對(duì)混凝土基本力學(xué)性能影響的研究

宗 翔 豆慶歌

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)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(qiáng)度較低、抗沖擊性較差、脆性大等缺點(diǎn)，在一些特殊工程中的應(yīng)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(xiàng)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(xué)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(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度等性能得到較大程度提高，同時(shí)能夠抑制氯離子對(duì)混凝土的侵蝕，其抗?jié)B性能也較好[6-7]。大量實(shí)驗(yàn)表明，將不同摻量的硅灰加入到混凝土中，混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，提高混凝土遭到破壞時(shí)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(jī)分布，摻入纖維過(guò)多將會(huì)導(dǎo)致其在混凝土中的分布不均勻。

1 混凝土性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用水泥，為安徽省淮南市八公山PO 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。所用石子為連續(xù)級(jí)配的碎石，粒徑為4～20 mm，各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范要求。所用的砂為淮河中砂，細(xì)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(chǎn)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(lái)水。所用的纖維為衡水駿曄路橋養(yǎng)護(hù)公司生產(chǎn)的鋼纖維及匯祥纖維工廠生產(chǎn)的玄武巖纖維，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用纖維的基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 原料準(zhǔn)備

石子粒徑大小不同，含有沙子、土等雜質(zhì)，需要對(duì)其進(jìn)行處理。將石子清洗后，放置在陰涼處，晾10 d左右后，用濾網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾篩選。

砂中含有貝殼碎片和云母等雜質(zhì)，需要對(duì)其進(jìn)行處理。將砂晾干后，用濾網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾篩選。

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于鋼纖維(SF)、玄武巖纖維(BF)和硅灰(Si)等3個(gè)影響因素，采用正交實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定其最佳配合比[11]。針對(duì)這3個(gè)因素分別考慮3個(gè)水平：鋼纖維采用質(zhì)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(duì)水泥的代替率為5%、10%、15%。實(shí)驗(yàn)因素水平表如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.2.3 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)配制的是C35級(jí)混凝土，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行配制，基準(zhǔn)混凝土配合比，如表3所示；根據(jù)實(shí)驗(yàn)因素水平，共設(shè)計(jì)9組實(shí)驗(yàn)，其混凝土配合比，如表4所示。

表3 基準(zhǔn)混凝土配合比 單位：(kg/m3)

表4 實(shí)驗(yàn)混凝土配合比 單位：(kg/m3)

本次研究9組實(shí)驗(yàn)中，每組6個(gè)試塊，其中3個(gè)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，另外3個(gè)試塊進(jìn)行劈裂抗拉測(cè)試。實(shí)驗(yàn)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(hù)28 d后取出晾干。

用計(jì)算機(jī)控制的電液伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)試塊進(jìn)行抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖1、圖2)?？箟簭?qiáng)度實(shí)驗(yàn)的加載速度位移為2 mm/min；劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的加載速度位移為 1 mm/min。在劈裂抗拉測(cè)試中，摻入鋼纖維和玄武巖纖維的混凝土，其劈裂抗拉強(qiáng)度先增大再小幅減小，而后再增大，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)2個(gè)極值。這說(shuō)明鋼纖維和玄武巖纖維在劈裂抗拉的過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的作用，混凝土沒(méi)有發(fā)生脆性破壞，纖維和混凝土之間的黏結(jié)使其具有更大的延性。

圖1 抗壓強(qiáng)度加載

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度加載

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度滿足要求。

表5 不同混凝土的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度 單位：MPa

為了探討鋼纖維、玄武巖纖維及硅灰等摻入物對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度，采用IBM SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析。

2.1 極差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果，如表6所示。對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度而言，鋼纖維(SF)對(duì)其影響最大，玄武巖纖維(BF)對(duì)其影響次之，對(duì)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(qiáng)度均呈先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。鋼纖維、玄武巖纖維以及硅灰對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度都有較為明顯的積極作用。

圖3 不同混凝土28 d抗壓強(qiáng)度

對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度而言，硅灰對(duì)水泥的代替率對(duì)其影響最大，鋼纖維對(duì)其影響次之，對(duì)其影響最小的是玄武巖纖維(見(jiàn)表6)。隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度均呈先增大后減小趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。鋼纖維、玄武巖纖維、硅灰等對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度都有較為明顯的作用，其中鋼纖維對(duì)其影響最為顯著。

表6 不同混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度極差 單位：MPa

圖4 不同混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

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

表7 不同混凝土抗壓強(qiáng)度方差

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

表8 不同混凝土劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度最優(yōu)配合比組合為A3B3C3，與表5所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致；得到混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最優(yōu)配合比組合為A3B2C2,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，混凝土最大劈裂抗拉強(qiáng)度配合比組合為A2B2C2?？紤]在實(shí)際工程中混凝土受壓更多，在高效、方便、經(jīng)濟(jì)的原則下，確定最優(yōu)配合比組合為A3B3C3：鋼纖維質(zhì)量摻量為40 kg/m3，玄武巖纖維體積摻量為0.15%，硅灰對(duì)水泥的代替率為15%。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，摻入物對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度由強(qiáng)到弱為鋼纖維、玄武巖纖維、硅灰；對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度由強(qiáng)到弱為硅灰、鋼纖維、玄武巖纖維。鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響有較高顯著性，硅灰對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響有較高顯著性。對(duì)于C35混凝土，最優(yōu)配合比組合為A3B3C3：鋼纖維質(zhì)量摻量為40 kg/m3，玄武巖纖維體積摻量為0.15%，硅灰對(duì)水泥的代替率為15%。