玄武巖纖維粉煤灰增強(qiáng)陶粒混凝土力學(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粒混凝土能有效降低資源浪費(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]。但由于陶粒混凝土與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)陶粒混凝土的強(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)陶粒混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明適量的玄武巖纖維摻入陶粒混凝土中有利于其強(qiáng)度的提升，并改善了陶粒混凝土的脆性。朱楚翔等[10]測試了不同齡期和不同摻量的玄武巖纖維陶粒混凝土的強(qiáng)度，結(jié)果表明在相同的齡期下，陶粒混凝土的強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。史永健等[11]的研究表明粉煤灰摻入陶粒混凝土中能顯著增強(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]研究了粉煤灰陶粒混凝土循環(huán)受壓下的力學(xué)性能，結(jié)果表明粉煤灰摻入陶粒混凝土中能延緩其剛度退化并改善陶粒混凝土的脆性。

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。抗壓強(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)度的影響趨勢圖見圖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)先增長后降低的趨勢，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

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，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)先增長后降低的趨勢，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)為先增長后降低，當(dāng)陶粒摻量從4%增加到8%，BCFC抗折強(qiáng)度增長5.08%，當(dāng)粉煤灰摻量從5%增加到10%，BCFC抗折強(qiáng)度增長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，折壓比先降低后增長，但整體呈現(xiàn)上升趨勢，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)測值和前文中試驗(yàn)得出的實(shí)測值如表7所示。為消除預(yù)測值對(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)測值和實(shí)測值的最大相對(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)測值、預(yù)測值和相對(duì)誤差

5 結(jié)束語

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。