玄武巖纖維增強輕骨料混凝土力學性能試驗

方江華，王鳳瑤，黃曉雯，羅欣豪，王 浩

(1.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001；2.北京住總集團有限責任公司，北京 100101)

高層混凝土建筑是緩解當前因城市人口集中導致的用地緊張、地價上漲等問題的重要途徑[1]。由于普通混凝土因其自重大難以滿足現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展需求，輕骨料混凝土應運而生[2]。輕骨料混凝土相較于普通混凝土具有輕質(zhì)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在高層建筑材料領域有著廣泛的應用前景[3]。但隨著強度的提高，輕骨料混凝土的脆性相較于普通混凝土會更加明顯，當應用在一些較高的受拉和剪切部位時存在著較大的安全隱患，因此，改善輕骨料混凝土的脆性、提升輕骨料混凝土的強度成為近年來工程界研究的熱點[4-5]。

將纖維摻入輕骨料混凝土中利用纖維與混凝土基體的橋接作用來改善混凝土的內(nèi)部結構，減少由于混凝土收縮引起的微裂縫，同時抑制裂縫的發(fā)展來改善輕骨料混凝土的脆性且提升輕骨料混凝土的強度[6]。郭榮鑫等[7]將不同長度的聚丙烯纖維以不同體積摻量加入到輕骨料混凝土中，研究表明摻入適量聚丙烯纖維能提高輕骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度。吳振華[8]通過試驗研究證實，摻入鋼纖維后的輕骨料混凝土抗壓強度和抗拉強度均有所提高，且隨著鋼纖維體積率的增大，混凝土彈性模量也平緩增加。王鈞等[9]研究玄武巖纖維長度對輕骨料混凝土強度的影響，試驗表明隨著纖維長度的增長，輕骨料混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度都得到了提高。吳曉斌[10]將玄武巖纖維以不同體積率摻入輕骨料混凝土，試驗表明隨纖維摻量在一定范圍內(nèi)的增大，玄武巖纖維輕骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折種強度均增大。

現(xiàn)通過將玄武巖纖維以不同的體積率摻入輕骨料混凝土中，并以陶砂替代部分細骨料，陶粒替代部分粗骨料，制備玄武巖纖維輕骨料混凝土(basalt fiber lightweight aggregate concrete,BF-LAC)，應用正交試驗法研究玄武巖纖維、陶砂和陶粒3種材料對BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度的影響，以期為BF-LAC的推廣提供參考和理論支撐。

1 試驗概述

1.1 試驗材料

玄武巖纖維采用短切玄武巖纖維，如圖1(a)所示；水泥：采用淮南八公山牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：采用粒徑為5～20 mm的碎石；砂子：采用天然河砂，細度模數(shù)為2.65，屬于中砂；陶砂：采用頁巖陶砂，如圖1(b)所示；陶粒：采用頁巖陶粒，如圖1(c)所示;減水劑采用HPWR型高性能減水劑，減水率為37%。水為自來水。玄武巖纖維、陶砂和陶粒基本性能參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗設計

為研究BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度性能，試驗考慮因素為：玄武巖纖維體積率、陶砂代砂率和陶粒代石子率。依據(jù)正交試驗法，每個因素各取三個水平即L9(33)，其因素水平如表2所示。正交試驗法是利用正交性來分析多因素試驗的一種數(shù)理統(tǒng)計方法，其原理是根據(jù)正交性從全試驗中選出具有代表性的點進行試驗，具有壓縮試驗次數(shù)且效率高等優(yōu)點[11]。參照 《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55—2011)確定基準混凝土配合比，如表3所示。

圖1 纖維、陶砂和陶粒外觀Fig.1 Appearance of fiber、ceramic sand and ceramsite

表1 實驗材料基本性能參數(shù)Table 1 Basic performance parameters of test materials

表2 因素水平表Table 2 Factors level table

表3 BF-LWC基準配合比Table 3 Mix proportion of BF-LWC

1.3 試件制作及試驗方法

試件制作流程如圖2所示。試件制作完成后在飽和的氫氧化鈣溶液養(yǎng)護28 d，隨后進行BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度試驗，試驗儀器采用WAW-2000微機控制電液伺服萬能試驗機，試驗方法依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行。

圖2 BF-LAC試件制作流程圖Fig.2 Flow chart of BF-LAC specimen production

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度試驗結果如表4所示。根據(jù)試驗結果(表4)可知，第8組即玄武巖纖維摻量為0.3%、陶砂代砂子率為7%、陶粒代石子率為8%時，試件力學性能最佳，其抗壓強度為36.8 MPa、劈裂抗拉強度為5.23 MPa，抗折強度7.43 MPa。

表4 BF-LAC強度試驗結果Table 4 Test results of strength of BF-LAC

2.2 極差分析

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，對BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度進行極差分析，結果如表5所示，3因素對BF-LAC的3種強度影響曲線如圖3所示。

表5 BF-LAC強度極差分析結果Table 5 Results of the intensity extreme difference analysis of BF-LAC

2.3 方差分析

方差分析可區(qū)分由不同因素和水平引起的試驗結果之間的差異及誤差，故對表4中3種強度試驗結果在極差分析的基礎上作方差分析。BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度的方差分析結果如表6所示。

根據(jù)方差分析結果(表6)可以看出，玄武巖纖維摻量對BF-LAC抗壓強度的影響非常顯著，陶砂代砂子率對抗壓強度有一定影響，陶粒代石子率對抗壓強度有顯著影響，且重要性與極差分析結論相同；玄武巖纖維摻量對BF-LAC的劈裂抗拉強度有顯著影響，陶砂代砂子率對劈裂抗拉強度的影響不顯著，陶粒代石子率對劈裂抗拉強度有一定影響；玄武巖纖維摻量對BF-LAC的抗折強度的影響顯著，陶砂代砂子率對抗折強度的影響不顯著，陶粒代石子率對抗折強度有一定影響。BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度受玄武巖纖維摻量的影響最顯著，受陶砂代砂子率的影響最弱，與極差分析結果一致。

圖3 三因素對BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度的影響趨勢Fig.3 Trend chart of the influence of three factors on the BF-LAC compressive strength，split tensile strength and flexural strength

表6 BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度方差分析結果Table 6 Variance analysis of BF-LAC compressive strength,split tensile strength and flexural strength

2.4 功效函數(shù)法分析

功效函數(shù)法依據(jù)目標規(guī)劃原理，對每一項評價指標確定一個滿意值和不允許值，根據(jù)滿意值和不允許值計算各指標實現(xiàn)滿意值的程度，并以此確定各指標的分數(shù)[12]。BF-LAC的強度功效函數(shù)分析結果如表7所示。

依據(jù)表7中功效函數(shù)法分析結果的對比，綜合抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度3種評價指標，最佳配合比組合為第八組，即A3B1C2，具體為玄武巖纖維摻量(因素A)為0.3%，陶砂代砂子率(因素B)為7%，陶粒代石子率(因素C)為8%。

3 理論分析

隨著玄武巖纖維摻量的不斷增加，使得BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度都得到了不同程度的加強。適量的玄武巖纖維在混凝土結構內(nèi)亂向分布均勻，空間上形成了良好的網(wǎng)狀結構，這些網(wǎng)狀結構中分散的玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部的孔隙之間起到了很好的填充、橋接作用，提升了混凝土結構的整體性，抑制了因混凝土收縮引起的微裂縫，從而提高輕骨料混凝土的輕度。但當玄武巖纖維摻量達到一定程度后繼續(xù)增加纖維摻量，3種強度的增幅明顯減小，這是因為當混凝土內(nèi)玄武巖纖維含量過多，這些纖維難免出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，砂漿無法將每一根纖維充分包裹，致使混凝土和纖維之間的連接變得松散，混凝土孔隙率增加，因而輕骨料混凝土的3種強度增幅都有所下降。

隨著陶砂和陶粒的不斷加入，最終都會導致BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度發(fā)生不同程度上的降低，原因在于：①陶粒和陶砂是多孔材料，會吸收大量水分致使混凝土和易性降低并影響水化物的產(chǎn)生，致使混凝土內(nèi)部孔隙增多；②隨著陶砂代砂子率和陶粒代石子率的持續(xù)增大，陶砂和砂子、陶粒和石子共同作為骨料的作業(yè)越來越顯著，而陶砂和陶粒的強度明顯小于砂子和石子，因而BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度都有所降低。

4 強度預測模型

假定BF-LAC的強度由混凝土基體強度、玄武巖纖維增強項、陶砂代替砂子增強項和陶粒代替石子增強項共同組成。假設強度回歸模型為

f=a0+a1x1+a2x2+a3x3+φ

(1)

式(1)中：f為混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度或抗折強度，MPa；a0為混凝土基體抗壓強度、劈裂抗拉強度或抗折強度，MPa；a1、a2、a3為回歸系數(shù)；φ為試驗參數(shù)；x1為玄武巖纖維體積率，%；x2為陶砂代砂子率,%；x3為陶粒代石子率，%。

表7 功效函數(shù)法分析結果Table 7 BF-LAC power coefficient analysis results

將表4中試驗數(shù)據(jù)代入回歸模型(1)中，用最小二乘法對α進行估計，得出BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度的回歸方程分別為

fc=24.22+4 700x1-1.2x2-31.2x3，

R2=0.944 2

(2)

fs=3.766+612x1-2.1x2-34.8x3，

R2=0.887 7

(3)

ff=3.854+127 8x1+0.3x2-13.1x3，

R2=0.859 4

(4)

式中：fc為BF-LAC抗壓強度，MPa；fs為BF-LAC劈裂抗拉強度,MPa；ff為BF-LAC抗折強度，MPa；R2為決定系數(shù)。

圖4(a)為BF-LAC抗壓強度擬合值與實測值對比圖，圖4(b)為BF-LAC劈裂抗拉強度擬合值與實測值對比圖，圖4(c)為BF-LAC抗折強度擬合值與實測值對比圖。綜合比較，可知誤差最大的是第7組，抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度誤差值達到了3.88%、7.02%、6.42%，說明該強度模型具有較高的精度，本文模型預測結果具有一定的工程實踐參考價值。

5 結論

通過對BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度進行分析探討后，得出以下結論。

(1)針對輕骨料混凝土強度小、脆性大的現(xiàn)狀，利用正交試驗摻入玄武巖纖維、陶砂和陶粒配制出一種玄武巖纖維輕骨料混凝土，制出的試件抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度在23.6～36.8、3.30～5.23 、3.5～7.43 MPa，大多高于普通輕骨料混凝土的強度，最大增幅分別為23.11%、20.64%和24.17%。

(2)玄武巖纖維對BF-LAC強度影響最大，且隨纖維的摻入而逐漸提升；其次是陶粒代石子率，總體上隨著陶粒代石子率的增加BF-LAC強度逐漸降低但適量的陶粒摻入可以提升BF-LAC的劈裂抗拉強度；陶砂代砂子率對BF-LAC強度影響最小。

(3)玄武巖纖維和陶粒代石子率是BF-LAC抗壓強度的顯著因素，其中玄武巖纖維特別顯著，故適量的玄武巖纖維可以有效提升輕骨料混凝土的抗壓強度；玄武巖纖維是影響B(tài)F-LAC劈裂抗拉和抗折強度的顯著因素，陶砂代砂子率是影響B(tài)F-LAC劈裂抗拉和抗折強度的非顯著因素。

(4)分散均勻的少量玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部的孔隙之間起到很好的填充、橋接作用，使得BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度都得到不同程度的提升；但過多的纖維易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，混凝土和纖維之間連接松散，致使BF-LAC的3種強度的增幅明顯減小；多孔的陶砂和陶粒因吸水性強致使混凝土和易性降低，從而導致BF-LAC的3種強度不同程度上的降低。

圖4 BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度擬合值與實測值圖Fig.4 BF-LAC compressive strength,tensile splitting,rapture fit and measured value plots

(5)通過功效函數(shù)法確定最佳配比為A3B1C2，即玄武巖纖維體積率為0.3%、陶砂代砂子率為7%、陶粒代石子率為8%；建立的BF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度與玄武巖纖維體積率、陶砂代砂子率和陶粒代石子率之間的預測模型具有較高精確度，為工程實際提高輕骨料混凝土強度提供參考。