C30玄武岩纤维自密实混凝土配制试验

许天成, 赵柏冬, 俞　萧

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳　110044)



C30玄武岩纤维自密实混凝土配制试验

许天成, 赵柏冬, 俞萧

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳110044)

摘要:在考虑混凝土工作性能和力学性能的条件下进行玄武岩纤维自密实混凝土配合比设计.通过正交实验法进行C30玄武岩纤维自密实混凝土配合比优选,从而得到C30玄武岩纤维自密实混凝土的最优配合比.

关键词:玄武岩纤维自密实混凝土; 配合比; 工作性能; 力学性能; 正交试验

自密实混凝土(Self-CompactingConcrete,简称SCC) 拌和物具有良好的工作性,在密集配筋条件下,无需振捣,仅靠混凝土自重,便能均匀密实成型.自密实混凝土的应用可以解决传统混凝土施工的漏振、过振,以及钢筋密集难以振捣等问题,还将大大降低施工噪声,减少能源消耗,改善工作安全性,提高生产效率.因此,自密实混凝土是高性能钢筋混凝土发展的热门课题之一[1-2].自密实混凝土和普通混凝土一样存在着抗拉强度低、韧性差等缺点,这在一定程度上阻碍了其推广和应用.为了弥补这一缺点,纤维混凝土得到了较广泛的应用.研究表明[3],在混凝土基材中掺入钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等,可有效提高混凝土的强度及抗裂性能.

玄武岩纤维(BasaltFiber,简写BF)以天然玄武岩矿石作为原料, 将其破碎后加入熔窑中,在 1 450～1 500 ℃熔融后, 通过铂铑合金拉丝漏板制成连续纤维[4].与碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等其他高科技纤维相比,BF性价比最优, 如具有突出的力学性能、耐高温、可在-269～650 ℃范围内连续工作、耐酸碱、吸湿性低,且绝缘性好、绝热隔音性能优异、透波性能良好等优点.玄武岩熔化过程中没有硼、砷和其他碱金属氧化物排出,使玄武岩连续纤维的制造过程对环境无害,无工业垃圾,不向大气排放有害气体,是21世纪新型的环保型纤维.而且由于生产玄武岩纤维的原材料储量大,生产工艺成熟,与其他纤维材料相比,玄武岩纤维具有显著的价格优势[4-6].鉴于此,本研究拟确定C30玄武岩纤维自密实混凝土的最优配合比,为相关规范的制定提供技术参考.

1试验原材料

1.1骨料的选择

粗骨料.本试验选自沈阳某搅拌站的碎石.碎石粒径5～20mm,颗粒级配连续.其颗粒筛分结果和主要技术性能指标分别见表1和表2.

细骨料.本试验选自沈阳某搅拌站的河砂.其颗粒筛分结果和主要技术指标分别见表3和表4.

表1　碎石筛分试验结果

表2　碎石的主要技术性能指标

表3　河砂筛分结果

表4　砂的主要技术性能指标

经计算可知砂的细度模数为2.77,属于中砂.

1.2胶凝材料、外加剂、玄武岩纤维和水的选择

水泥.选择沈阳市冀东水泥厂生产的强度等级为42.5的矿渣硅酸盐水泥.其技术性能指标见表5.

粉煤灰.选择产自沈阳市沈北热电厂的Ⅰ级粉煤灰.其技术性能指标见表6.

表5　水泥材料性能指标

表6　粉煤灰的性能指标

减水剂.选用大连西卡公司生产的聚羧酸高效减水剂,减水率为30%～40%.

玄武岩纤维.选择产自四川航天拓鑫玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩短切纤维,直径为18μm,长度为10mm.其主要物理力学性能指标见表7.

表7　玄武岩纤维物理力学性能指标

水.选自沈阳大学结构工程试验室自来水,其性能符合《混凝土用水标准》[7]中的相关规定.

2玄武岩纤维自密实混凝土配合比设计方法

本文参考《自密实混凝土设计与施工指南》[8]中自密实混凝土的配制方法,同时结合纤维混凝土的配制经验,采用全计算法进行配合比计算.本研究采用在自密实混凝土中按照质量分数掺入玄武岩纤维的方法配制玄武岩纤维自密实混凝土.通过正交试验,优选出满足工作性能和力学性能要求的混凝土配合比.自密实混凝土配合比设计的主要参数包括拌合物中的粗骨料松散体积、砂浆中砂的体积、浆体的水胶比、胶凝材料中矿物掺合料用量.根据《自密实混凝土设计与施工指南》[8]中的规定可知:水胶比宜不大于0.45,胶凝材料用量范围为400～550kg/m3.具体计算步骤为:

(1) 确定每立方米中粗骨料的体积Vg;

(2) 计算粗骨料的质量mg=Vg×ρg;

(3) 计算砂浆体积Vm=1-Vg;

(4) 确定砂浆中砂的体积分数φs;

(5) 计算砂的体积Vs=Vm×φs,砂的质量ms=Vs×ρs;

(6) 浆体体积:Vρ=Vm-Vs;

(8) 配制强度:按照《普通混凝土配合比设计规程》[9]计算;

(12) 粉煤灰质量mm=mb·β;

(13) 水泥质量mc=mb-mm.

式中:ρg为碎石的表观密度;ρs为砂的表观密度;ρm为矿物掺合料表观密度;ρc为水泥的表观密度;β为每立方米混凝土中矿物掺合料占胶凝材料的质量分数;fce为水泥胶砂28d抗压强度;γ为矿物掺合料影响系数;fcu,o为混凝土配制强度.

3正交试验设计法确定玄武岩纤维自密实混凝土的最优配合比

3.1试验采用的配合比

因为正交实验能够有规律地减少实验次数,通过几组具有代表性的实验对影响实验结果指标的多个因素进行对比分析,评价不同影响因素对于实验结果指标的影响程度,得出正确结论的同时能够大幅度减少实验工作量,因此本文选用全计算法进行配合比计算,再运用正交试验方法进行配合比优化,通过测定玄武岩纤维自密实混凝土的工作性能和力学性能,得出最优配合比.

正交试验选取石子堆积体积、砂子体积含量、水胶比、纤维的质量掺量四个因素,每个因素取三个水平,对C30玄武岩纤维自密实混凝土进行配合比试验研究.C30玄武岩纤维自密实混凝土选取的因素与水平见表8.

为了拌制均匀的玄武岩纤维自密实混凝土,本研究采取了增加搅拌时间以及控制投料顺序的方法确保玄武岩纤维能够均匀地分散在混凝土中.具体的投料顺序为:

粗细骨料(搅拌1 min)→玄武岩纤维(搅拌1 min)→胶凝材料→水和减水剂.

具体试验数据见表9.

表8　C30玄武岩纤维自密实混凝土配合比因素与水平列表

表9　C30玄武岩纤维自密实混凝土配合比正交试验列表

3.2试验结果与分析

本研究采用极差分析法和直观分析法分析不同因素对目标的影响程度.分别测试了以上九种配合比的玄武岩纤维自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度、28 d立方体抗压强度.

3.2.1玄武岩纤维自密实混凝土坍落度试验方法与结果

参照普通混凝土坍落度的测试方法对玄武岩纤维自密实混凝土进行坍落度测定.步骤如下:

(1) 把底板放置在坚实的水平面上,并把筒放置在底板中心,然后润湿坍落度筒和底板,保持坍落度筒内壁和底板上无明水.

(2) 将拌制的玄武岩纤维自密实混凝土试样分三层均匀地装入筒内,每层高度为筒高的1/3左右,静置30 s后继续装入下层混凝土,装至顶层后,用抹刀刮去多余的混凝土,并用抹刀抹平.

(3) 清除筒边底板上的混凝土后,垂直平稳地拔起坍落度筒.坍落度筒的提离过程应在5～10 s内完成,从开始装料到提起坍落度筒的整个过程应连续进行,并在150 s内完成.

(4) 提起坍落度筒后,测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差,即为该混凝土拌合物的坍落度值.

坍落度试验结果见表10.

坍落度极差分析结果见表11.

表10　坍落度试验结果

表11　坍落度极差分析结果

从试验结果可得知:

(1) 混凝土第7组的坍落度最大,为235mm,其配合比为A3B1C3D2.

(2) 因素A碎石的堆积体积对应的三组均值K中,K3值最大,说明当碎石的堆积体积取第三水平(0.52)时,混凝土坍落度最大.当碎石的堆积体积减小时,混凝土坍落度小幅度降低,在第一水平(0.48)到第二水平(0.5),混凝土坍落度降幅一样大.

(3) 因素B砂的体积含量对应的三组均值K中,K1值最大,说明砂的体积含量为第一水平(0.41)时,混凝土坍落度最大.因素B对混凝土坍落度影响较大,随着砂的体积含量增大,混凝土坍落度减小,但减幅较小.

(4) 因素C水胶比增大,混凝土坍落度呈现较明显的增大趋势,水胶比的K3值最大,说明当水胶质量比为0.39时,混凝土坍落度最大.根据极差分析结果可知,因素C对混凝土坍落度的影响最大.

(5) 因素D纤维的质量掺量增加,混凝土坍落度基本保持不变,说明纤维掺量对混凝土的坍落度影响较小.

(6) 经过对混凝土坍落度对比分析,各因素影响顺序为C最大,B次之,A和D的影响几乎一样,最优配合比为A3B1C3D1.

3.2.2玄武岩纤维自密实混凝土坍落扩展度试验方法与结果

玄武岩纤维自密实混凝土坍落扩展度与坍落度的测试方法相同.区别在于坍落扩展度的试验结果为:用钢尺测量混凝土扩展后最终的扩展直径,测量在相互垂直的两个方向上进行,并计算两个所测直径的平均值.

混凝土坍落扩展度试验结果见表12.

混凝土坍落扩展度极差分析结果见表13.

表12　坍落扩展度试验结果

表13　坍落扩展度极差分析结果

从试验结果可得知:

(1) 混凝土第7组的坍落扩展度最大,为641mm,其配合比为A3B1C3D2.

(2) 因素A碎石的堆积体积对应的三组均值K中,K2值最大,说明当碎石的堆积体积取第二水平(0.5)时,混凝土坍落扩展度最大.当碎石的堆积体积增大时,混凝土坍落扩展度先增大而后减小.

(3) 因素B砂的体积含量对应的三组均值K中,K1值最大,说明砂的体积含量为第一水平(0.41)时,混凝土坍落扩展度最大.因素B对混凝土坍落度影响较大,随着砂的体积含量增大,混凝土坍落扩展度先减小而后增大.

(4) 因素C水胶比增大,混凝土坍落扩展度呈现较明显的增大趋势,水胶比的K3值最大,说明当水胶比为0.39时,混凝土坍落扩展度最大.根据极差分析结果可知,因素C对混凝土坍落度的影响最大.

(5) 因素D纤维的质量掺量增加,混凝土坍落扩展度逐渐减小,当纤维掺量为第一水平时,混凝土的坍落扩展度最大.

(6) 经过对混凝土坍落扩展度对比分析,各因素影响顺序为C>B>D>A,最优配合比为A2B1C3D1.

3.2.3玄武岩纤维自密实混凝土28d立方体抗压强度试验方法与结果

本研究根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10],每种配合比选取三块尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体标准试块,在标准养护条件下分别测定其28d龄期的立方体抗压强度.实验采用长春新特试验机厂生产的YAW-5000型微机控制电液伺服压力试验机.该试验机的量程为500t,控制模式分为自动控制和手动控制.在本次试验中采用自动控制模式,选择0.5MPa/s的负荷加载速度直至试块破坏.计算每组三个试块的抗压强度平均值作为该种配合比的强度.

混凝土28d立方体抗压强度试验结果见表14.

混凝土28d立方体抗压强度极差分析结果见表15.

表14　混凝土28 d立方体抗压强度试验结果

表15　混凝土28 d立方体抗压强度极差分析结果

从试验结果可得知:

(1) 混凝土第6组的28 d立方体抗压强度最大,为39.4 MPa,其配合比为A2B3C1D2.

(2) 因素A碎石的堆积体积对应的三组均值K中,K3值最大,说明当碎石的堆积体积取第三水平(0.52)时,混凝土28 d立方体抗压强度最大.当碎石的堆积体积增大时,混凝土28 d立方体抗压强度先减小而后增大.

(3) 因素B砂的体积含量对应的三组均值K中,K3值最大,说明砂的体积含量为第三水平(0.43)时,混凝土28 d立方体抗压强度最大.因素B对混凝土28 d立方体抗压强度影响较小.

(4) 因素C水胶比增大,混凝土28 d立方体抗压强度呈现较明显的减小趋势,水胶比的K1值最大,说明当水胶比为0.35时,混凝土28 d立方体抗压强度最大.根据极差分析结果可知,因素C对混凝土28 d立方体抗压强度的影响最大.

(5) 因素D纤维的质量掺量增加,混凝土28 d立方体抗压强度先增大后减小,当纤维掺量为第二水平时,混凝土的28 d立方体抗压强度最大.

(6) 经过对混凝土28 d立方体抗压强度对比分析,各因素影响顺序为C>D>B>A,最优配合比为A3B3C1D2.

4结论

本文通过正交试验方法设计了玄武岩纤维自密实混凝土配合比试验,通过极差分析法和直观分析法分析了碎石的堆积体积、砂的体积含量、水胶比和纤维的质量掺量对其工作性能和力学性能的影响因素.得出如下结论:

(1) 经过对混凝土坍落度对比分析,各因素影响顺序为C最大,B次之,A和D的影响几乎一样,最优配合比为A3B1C3D1.

(2) 经过对混凝土坍落扩展度对比分析,各因素影响顺序为C>B>D>A,最优配合比为A2B1C3D1.

(3) 经过对混凝土28 d立方体抗压强度对比分析,各因素影响顺序为C>D>B>A,最优配合比为A3B3C1D2.

(4) 从混凝土28 d立方体抗压强度的极差分析结果可知,各因素对混凝土的立方体抗压强度影响都较小,又因玄武岩纤维自密实混凝土的工作性能指标主要为坍落扩展度,所以本文的C30玄武岩纤维自密实混凝土的最优配合比为A2B1C3D1.

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【责任编辑: 祝颖】

Experimental Study on Mix Proportion of C30 Basalt Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete

XuTiancheng,ZhaoBaidong,YuXiao

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:Considering the working performance and mechanical properties of concrete, the basalt fiber reinforced self-compacting concrete mixture ratio is designed. Through the orthogonal experiment method, the optimization for C30 basalt fiber reinforced self-compacting concrete mix proportion is made and the most optimal mixture ratio of C30 basalt fiber reinforced self-compacting concrete is obtained.

Key words:basalt fiber reinforced self-compacting concrete; mixture ratio; working performance; mechanical properties; orthogonal test

文章编号:2095-5456(2016)03-0244-06

收稿日期:2016-01-13

作者简介:许天成(1990-),男,河南平顶山人,沈阳大学硕士研究生; 赵柏冬(1962-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授.

中图分类号:TU 528.57

文献标志码:A