隔熱纖維混凝土力學性能研究

樊文廣

（同濟大學土木工程系，上海 200082）

0 引言

隨著我國基礎設施建設技術的不斷進步相應地對混凝土的性能提出了更高的要求，如在保證混凝土強度足夠高的同時，盡量具有輕質化、性價比高、有更好的韌性、耐久性等性能。而將高性能纖維增強材料按照一定的摻量加入傳統混凝土中形成的纖維基混凝土，其眾性能都優于傳統混凝土[1]。如彭苗等[2]的研究表明，玄武巖纖維混凝土在抗壓強度、抗拉強度、抗折強度上要優于傳統混凝土；趙卓等[3]的研究表明，摻聚乙烯醇纖維（以下簡稱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混凝土的某項性能，而摻入兩種及兩種以上不同性能的纖維時，由于不同纖維在混凝土中發揮增強增韌的作用的時候是處于不同的受荷階段和不同的結構層次，故能綜合改善或者加強混凝土的多項性能[4-5]。

陶粒混凝土作為一種輕骨料混凝土，雖具有自重小、環保經濟等優點，但其抗折強度和抗拉強度相對較低[7]。由于玄武巖纖維和PVA纖維本身具有優越的力學性能，筆者通過在陶?；炷林袚饺脒m量纖維用于提高其力學性能和導熱性能，且造價較為低廉。正交試驗是一種通過多因素多水平實驗從而降低實驗成本和實驗復雜程度并且能夠達到實驗目的有效方法。本文以正交試驗為研究方法，輔以玄武巖纖維、PVA纖維和陶粒三種物質的摻量對混雜纖維混凝土力學性能和導熱系數的影響為研究內容。設計出三因素三水平的正交實驗設計，通過極差與方差分析，得出影響其性能的因素和摻量。

1 試驗部分

1.1 原材料

本文實驗采用八公山牌P.O42.5級普通水泥使用木電廠生產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。?；⒅椴捎没茨夏彻旧a，用與增加混凝土保溫隔熱的能力，在使用前需進行淋水處理。玄武巖纖維的物理及力學性能如表1所示。PVA纖維的性能參數如表2所示。

表1 武巖纖維物理及力學性能

表2 PVA纖維性能參數

1.2 試驗設計

根據混凝土設計規范計算得到基準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%）。根據用正交表安排試驗的原理，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《混凝土結構設計規范》要求，利用臥式攪拌機進行試塊制備，首先加入粗細骨料與各種纖維進行干拌，拌勻后分三次將水與減水劑倒入攪拌機中進行濕拌。之后將制成的試塊以標準養護條件下進行28d養護。

2 實驗結果與分析

本文通過使用電液伺服萬能試驗機和導熱系數測定儀對所制備混雜纖維混凝土的力學性能和導熱系數進行測量，結果如表4所示。然后對試驗結果進行極差分析和方差分析，分析結果如表5～表6所示。

表4 試驗測定結果

表5 極差分析

表6 方差分析

2.1 抗壓強度

由表5和表6可知：①對混凝土的抗壓強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%，抗壓強度降低3.19%；從14%增加到21%，抗壓強度降低7.23%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗壓強度提高0.070%；從0.2%增加到0.3%，抗壓強度降低15.30%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗壓強度降低10.60%；從0.2%增加到0.3%，抗壓強度增加7.94%。

試塊抗壓強度隨著玄武巖纖維的摻入呈現出先增加后降低的趨勢，說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，而摻入量過高時卻適得其反，抗壓性能反而下降。其原因主要是因為在混凝土形成初期，由于內部水化反應未完全進行，導致體積發生收縮從而出現微裂縫。摻入適量玄武巖纖維之后，當裂縫出現時，分散均勻的玄武巖纖維既可以通過橋接裂縫來傳遞荷載，減少應力集中并減緩裂縫的進一步擴大，同時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，纖維在混凝土內部所形成的非定向支撐體系可以幫助分擔混凝土承力骨架的。故適量的摻入量可有效提高混凝土抗壓性能。但過多的纖維卻在混凝土內部成團聚集，使內部微裂縫和氣孔增加并形成應力集中點，反而導致抗壓強度降低。

2.2 抗拉強度

由表5和表6可知：①對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%，抗拉強度降低8.97%；從14%增加到21%，抗拉強度降低19.51%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗拉強度降低2.83%；從0.2%增加到0.3%，抗拉強度降低5.24%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗拉強度降低4%；從0.2%增加到0.3%，抗拉強度降低13.83%.

由于試塊受拉產生裂縫之時，裂縫會先沿著混凝土內部薄弱區，即粗骨料與砂漿的連接處發展，故砂漿基體與骨料的粘結強度顯著影響試塊的抗拉強度。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先被拉斷，出現微小裂縫，而由于陶粒的內部結構為細密蜂窩狀微孔，導致陶粒受拉時會產生應力集中現象，孔洞邊緣受集中力的作用首先發生破壞。且陶粒相比于普通石子其強度較低。故隨著陶粒摻量的增加，相比于傳統混凝土，陶粒混凝土的主要承力結構強度減小，抗拉強度逐漸降低。

2.3 抗剪強度

由表5和表6可知：①對試塊抗剪強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%，抗剪強度降低14.02%；從14%增加到21%，抗剪強度降低7.07%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗剪強度降低21.09%；從0.2%增加到0.3%，抗剪強度增加3.14%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗剪強度降低5.35%；從0.2%增加到0.3%，抗剪強度降低1.65%。

由于混凝土的強度和彈性模量隨著陶粒體積摻量的增加呈現逐漸減小的趨勢，而玄武巖纖維和PVA纖維的摻入會在空間組成網狀結構，在混凝土受到剪切力作用下發生橫向變形時，網狀結構能增強其抗裂性，降低變形量，從而增加其抗剪強度，所以造成試塊抗剪強度降低的主要原因是陶粒摻量的增加。從表5可知，試塊的抗剪強度隨著玄武巖摻量的增加呈先降低后提高的趨勢，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粒混凝土的抗剪強度。

2.4 導熱系數

由表5和表6可知：①對試塊導熱系數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%，導熱系數提高0.35%；從14%增加到21%，導熱系數降低5.25%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，導熱系數提高1.46%；從0.2%增加到0.3%，導熱系數降低1.25%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，導熱系數降低1.01%；從0.2%增加到0.3%，導熱系數降低1.42%。

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

3 結論

（1）陶粒摻量高度顯著性影響著混凝土的導熱系數和抗拉強度，且隨著陶粒摻量的增加，混凝土導熱系數和抗拉強度均減小。因此陶粒摻量不宜過高，但建議在滿足強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度。PVA摻量高度顯著性影響著混凝土的抗拉強度和導熱系數。在適宜的摻量范圍內，這兩種纖維的摻入能改善陶?；炷恋牧W性能，但若摻量過高則會由于纖維結團出現負效應反而使混凝土的力學性能有所降低。

（3）由于玄武巖摻量對抗壓性能的影響最大，且當玄武巖纖維摻量為0.2%時，混凝土的抗壓強度最大。故對于抗壓強度而言，玄武巖-PVA混雜纖維混凝土的合理摻量（以下簡寫為（陶粒摻量，玄武巖摻量，PVA摻量））為（14%、0.2%、0.3%）。同理得對于抗拉強度而言，合理摻量（7%、0.1%、0.1%）；對于抗剪強度而言，合理摻量為（7%、0.1%、0.1%）；對于導熱系數而言，合理摻量（21%、0.1%、0.1%）。