基于正交试验玄武岩纤维混凝土性能指标影响因素研究

罗 坤， 陈 锦

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

基于正交试验玄武岩纤维混凝土性能指标影响因素研究

罗 坤， 陈 锦

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

由于普通混凝土存在抗折强度较低、易发生脆性破坏等缺点，目前越来越多的纤维掺加技术应用在水泥混凝土领域，来进一步地提高水泥混凝土的抗折强度和改善其脆性。玄武岩纤维作为一种常用于掺加在混凝土中的材料，相比于钢纤维、聚丙烯等纤维拥有更高的性价比，主要是其改善抗折强度和抗裂性能更好。采用正交试验方法，分析纤维掺量、纤维长度、纤维直径和水灰比四因素对混凝土的抗压强度和抗折强度的影响程度。研究结果表明水灰比改善水泥混凝土抗压强度性能最为明显，纤维掺量在改善水泥混凝土的抗弯拉性能方面较其他因素更为明显。

玄武岩纤维； 混凝土； 正交试验； 抗折强度

0 引言

普通混凝土广泛应用在土木工程领域，但是其存在着抗折强度低、易开裂等脆性材料难以避免的缺点，目前对于结构的抗折强度有较高要求的工程，都可以通过外掺纤维技术来提高其强度，同时又能改善其脆性。因此对于纤维掺加技术和掺量等研究便成了水泥混凝土领域的热点研究方向之一。

本文研究的掺加纤维为玄武岩纤维，它是由玄武岩矿石在高温熔融状态下，经拉丝而成的新型无机纤维材料，其抗拉强度高、耐高温和化学稳定性好。这与传统的钢纤维、合成纤维比较，玄武岩纤维能克服钢纤维难以搅拌均匀、流动性差和难以泵送的缺点，但它又能发挥其单丝抗拉强度高的优势。而相比合成纤维，它在抗拉强度、弹性模量和抗冻融性能上表现得更优。所以目前玄武岩纤维在我国工程建设上已经得到一定程度的应用。但是关于玄武岩纤维最优掺量、纤维长度和直径等因素对混凝土各项性能的提升程度还有待进一步研究。故本文通过设计四因素三水平正交试验方案，分析纤维掺量、纤维长度、纤维直径和水灰比四因素对混凝土的抗压强度和抗折强度的影响程度，这对该材料的实际应用有一定的指导和借鉴意义。

1 正交试验方案

1.1 原材料试验

1) 水泥：益阳南方水泥有限公司P.O42.5普通硅酸盐水泥，试验结果见表1。

2) 粗集料、细集料：永兴金星采石场，粗集料试验结果见表2。

3) 玄武岩纤维：东莞市俄金玄武岩纤维有限公司，主要性能试验结果见表3。

4) 减水剂：聚羧酸高效减水剂HSPC-8W型，减水剂掺量为1.0%。

表1 水泥性能试验结果表品牌品种比表面积/(m2·kg-1)细度/%初凝时间/(h：min)终凝时间/(h：min)抗压强度/MPa3d28d益阳南方PO425370183：255：05307463

表2 粗集料试验结果表品种颗粒级配/mm含泥量/%吸水率/%表观密度/(kg·m-3)压碎值/%针片状含量/%孔隙率/%碎石475～950606327011656642395～190604526961654841319～26504036269816542408

表3 玄武岩纤维主要性能试验结果表密度/(g·cm-3)抗折强度/MPa纤维直径/μm纤维长度/mm极限伸长率/%272430013/17/2118/20/2231

1.2 试验因素的选择及配合比的确定

由于混凝土的性能指标会受到多方面因素的影响，而正交试验是研究多因素多水平共同作用下的一种设计方法，它可以通过设计具有代表性的水平进行分析，研究各个因素对试验结果的影响程度。本文采用四因素三水平的正交试验方案对玄武岩纤维混凝土强度性能影响程度进行分析。

试验目标配合比强度等级为C40，进行配合比设计，水胶比为0.29。由于设计方案中水胶比为考虑因素，所以正交试验表中配合比只需调整水泥

和水的用量，C40混凝土配合比见表4。

表4 C40混凝土配合比(kg·m-3)水泥用量砂碎石475～95mm95～19mm19～265mm水减水剂406685244487487118406 注：水胶比为029。

1.3 正交试验方案

参考国内外学者的研究，选择纤维掺量、纤维长度、纤维直径和水灰比四因素，每个因素设计三个水平。抗折试验采用150 mm×150 mm×550 mm标准抗折试模进行成型，浇筑完24 h后对试样拆模养护，在7 d和28 d龄期时测试其抗折强度，对折断的试件进行抗压试验，具体参数及结果见表5。

表5 正交试验方案及其结果试验编号因素抗折强度/MPa抗压强度/MPaA纤维掺量/(kg·m-3)B水胶比C纤维长度/mmD纤维直径/μm7d28d7d28d115027181358468141751321502920175666613925043150312221569662366493419027202159767842152451902922135816744155046190311817542658386491723027221757465040850382302918215666453804899230312013541641367467 注：水胶比变化时除水泥和水的质量变化，其他配比不变。

2 正交试验结果及分析

2.1 正交试验结果直观分析

对表5中四因素下的三个水平进行和值分析，并绘制图1、图2，和值越大表示该因素的影响程度越大，对性能指标的作用幅度也越大。从图1中的试验结果可以看出：

1) 纤维掺量对抗折强度的影响程度最大，其影响程度随着玄武岩纤维掺量的增加呈现出先增后减的趋势，通过分析曲线可以确定最优纤维掺量。水胶比对玄武岩纤维混凝土的抗折强度影响幅度也较大，图1中可以看出随着水胶比的增大，抗折强度逐渐降低。纤维长度和纤维直径对抗折强度都会产生影响，其影响曲线基本上相似，但从具体数值上来看，纤维直径对混凝土抗折强度影响程度更明显一些。

图1 各因素对28 d抗折强度和值的影响

图2 各因素对28 d抗压强度和值的影响

2) 对于玄武岩纤维混凝土抗压强度的影响程度顺序为：水胶比>纤维掺量>纤维直径>纤维长度。从曲线上分析来看，纤维掺量和水胶比两者对混凝土抗压强度的作用幅度远比其它两因素大。水胶比是影响抗压强度的主要因素，随着水胶比的增大，抗压强度呈现出与抗折强度一样的趋势。纤维掺量对于增强混凝土的抗压性能有一定的作用，但是强度会随着掺量的逐渐增加呈现先增后减的变化规律，而纤维长度和直径对抗压强度增强的作用不是很明显。

2.2 不同因素的方差和极差分析

从图1、图2可以直观地看出各因素不同水平下对玄武岩纤维混凝土抗折、抗压强度的影响趋势，但是它无法准确地反映各项指标的影响程度。

故下面采用方差极差分析方法，将其影响程度进行量化，具体数据见表6。

表6 不同因素下28d抗折、抗压强度方差和极差影响因素28d抗折强度28d抗压强度方差极差方差极差纤维掺量01690741047060水胶比00580481981089纤维长度0001006013007纤维直径0018027124022

可以看出，玄武岩纤维混凝土的抗折性能影响程度最大的因素为纤维掺量，水胶比则对其抗压强度性能作用幅度最大，这与上节的分析相互验证。纤维的加入可以提高混凝土的抗折和抗压性能，但不是一味地提高掺量都有利于混凝土性能的提升，当掺量达到最优时，再加入纤维会降低混凝土的性能。主要是因为过多的纤维会增加比表面积，使混凝土内部密实度降低，从而易产生缺陷和气孔。

3 玄武岩纤维对混凝土性能指标提升的影响

本文在前期的研究基础上，设计玄武岩纤维混凝土和普通水泥混凝土两组试验进行对比分析，研究其对力学性能的增强幅度。

试验方案：

第①组为素混凝土，采用表4中的配和比。

第②组为玄武岩纤维混凝土，纤维掺量为1.5 kg/m3、纤维直径采用17 μm、纤维长度为20 mm，其他材料与正交试验中相同。对两组混凝土的各龄期下的抗折强度和抗压强度进行试验，并计算玄武岩纤维混凝土相比素混凝土的提高率。

由表7可见，玄武岩纤维混凝土的抗折强度、抗压强度较素混凝土都有一定幅度的提高，掺量为1.5 kg/m3时7 d和28 d龄期的抗折强度分别提高了9.11%和17.18%，抗压强度提升幅度相对较

表7 玄武岩纤维混凝土强度提高率混凝土种类7d28d抗折强度抗压强度抗折强度抗压强度试验值/MPa提高率/%试验值/MPa提高率/%试验值/MPa提高率/%试验值/MPa提高率/%玄武岩纤维混凝土5519．1140．23．886．4817．1850．53．48素混凝土50538．75．5348．8

小，但也达到3.88%和3.48%。分析其原因，主要是玄武岩纤维的加入，改善了混凝土的内部结构，形成了一种更优的网状结构，这种结构体系能与骨料一起受力，并且能够承担一部分应力集中的对混凝土产生的破坏，从而大幅度地提升混凝土的抗弯拉性能。

4 结语

本文采用正交试验，分析纤维掺量、水胶比、纤维长度和纤维直径四因素对玄武岩纤维混凝土性能的提升幅度。

1) 对于玄武岩纤维混凝土抗压强度的影响程度顺序为：水胶比>纤维掺量>纤维直径>纤维长度。

2) 对于玄武岩纤维混凝土抗折强度的影响程度顺序为：纤维掺量>水胶比>纤维直径>纤维长度。

3) 本研究通过正交试验得出的最优掺量下，所配制的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的28 d抗压强度和抗折强度分别提高3.48%和17.18%。

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