玄武岩纤维增强轻骨料混凝土力学性能试验

方江华，王凤瑶，黄晓雯，罗欣豪，王 浩

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；2.北京住总集团有限责任公司，北京 100101)

高层混凝土建筑是缓解当前因城市人口集中导致的用地紧张、地价上涨等问题的重要途径[1]。由于普通混凝土因其自重大难以满足现代高层建筑结构的发展需求，轻骨料混凝土应运而生[2]。轻骨料混凝土相较于普通混凝土具有轻质、节能环保等优点，在高层建筑材料领域有着广泛的应用前景[3]。但随着强度的提高，轻骨料混凝土的脆性相较于普通混凝土会更加明显，当应用在一些较高的受拉和剪切部位时存在着较大的安全隐患，因此，改善轻骨料混凝土的脆性、提升轻骨料混凝土的强度成为近年来工程界研究的热点[4-5]。

将纤维掺入轻骨料混凝土中利用纤维与混凝土基体的桥接作用来改善混凝土的内部结构，减少由于混凝土收缩引起的微裂缝，同时抑制裂缝的发展来改善轻骨料混凝土的脆性且提升轻骨料混凝土的强度[6]。郭荣鑫等[7]将不同长度的聚丙烯纤维以不同体积掺量加入到轻骨料混凝土中，研究表明掺入适量聚丙烯纤维能提高轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度。吴振华[8]通过试验研究证实，掺入钢纤维后的轻骨料混凝土抗压强度和抗拉强度均有所提高，且随着钢纤维体积率的增大，混凝土弹性模量也平缓增加。王钧等[9]研究玄武岩纤维长度对轻骨料混凝土强度的影响，试验表明随着纤维长度的增长，轻骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度都得到了提高。吴晓斌[10]将玄武岩纤维以不同体积率掺入轻骨料混凝土，试验表明随纤维掺量在一定范围内的增大，玄武岩纤维轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折种强度均增大。

现通过将玄武岩纤维以不同的体积率掺入轻骨料混凝土中，并以陶砂替代部分细骨料，陶粒替代部分粗骨料，制备玄武岩纤维轻骨料混凝土(basalt fiber lightweight aggregate concrete,BF-LAC)，应用正交试验法研究玄武岩纤维、陶砂和陶粒3种材料对BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响，以期为BF-LAC的推广提供参考和理论支撑。

1 试验概述

1.1 试验材料

玄武岩纤维采用短切玄武岩纤维，如图1(a)所示；水泥：采用淮南八公山牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；石子：采用粒径为5～20 mm的碎石；砂子：采用天然河砂，细度模数为2.65，属于中砂；陶砂：采用页岩陶砂，如图1(b)所示；陶粒：采用页岩陶粒，如图1(c)所示;减水剂采用HPWR型高性能减水剂，减水率为37%。水为自来水。玄武岩纤维、陶砂和陶粒基本性能参数如表1所示。

1.2 试验设计

为研究BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度性能，试验考虑因素为：玄武岩纤维体积率、陶砂代砂率和陶粒代石子率。依据正交试验法，每个因素各取三个水平即L9(33)，其因素水平如表2所示。正交试验法是利用正交性来分析多因素试验的一种数理统计方法，其原理是根据正交性从全试验中选出具有代表性的点进行试验，具有压缩试验次数且效率高等优点[11]。参照 《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)确定基准混凝土配合比，如表3所示。

图1 纤维、陶砂和陶粒外观Fig.1 Appearance of fiber、ceramic sand and ceramsite

表1 实验材料基本性能参数Table 1 Basic performance parameters of test materials

表2 因素水平表Table 2 Factors level table

表3 BF-LWC基准配合比Table 3 Mix proportion of BF-LWC

1.3 试件制作及试验方法

试件制作流程如图2所示。试件制作完成后在饱和的氢氧化钙溶液养护28 d，随后进行BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验，试验仪器采用WAW-2000微机控制电液伺服万能试验机，试验方法依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。

图2 BF-LAC试件制作流程图Fig.2 Flow chart of BF-LAC specimen production

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验结果如表4所示。根据试验结果(表4)可知，第8组即玄武岩纤维掺量为0.3%、陶砂代砂子率为7%、陶粒代石子率为8%时，试件力学性能最佳，其抗压强度为36.8 MPa、劈裂抗拉强度为5.23 MPa，抗折强度7.43 MPa。

表4 BF-LAC强度试验结果Table 4 Test results of strength of BF-LAC

2.2 极差分析

根据表4中数据，对BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度进行极差分析，结果如表5所示，3因素对BF-LAC的3种强度影响曲线如图3所示。

表5 BF-LAC强度极差分析结果Table 5 Results of the intensity extreme difference analysis of BF-LAC

2.3 方差分析

方差分析可区分由不同因素和水平引起的试验结果之间的差异及误差，故对表4中3种强度试验结果在极差分析的基础上作方差分析。BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的方差分析结果如表6所示。

根据方差分析结果(表6)可以看出，玄武岩纤维掺量对BF-LAC抗压强度的影响非常显著，陶砂代砂子率对抗压强度有一定影响，陶粒代石子率对抗压强度有显著影响，且重要性与极差分析结论相同；玄武岩纤维掺量对BF-LAC的劈裂抗拉强度有显著影响，陶砂代砂子率对劈裂抗拉强度的影响不显著，陶粒代石子率对劈裂抗拉强度有一定影响；玄武岩纤维掺量对BF-LAC的抗折强度的影响显著，陶砂代砂子率对抗折强度的影响不显著，陶粒代石子率对抗折强度有一定影响。BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度受玄武岩纤维掺量的影响最显著，受陶砂代砂子率的影响最弱，与极差分析结果一致。

图3 三因素对BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响趋势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抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度方差分析结果Table 6 Variance analysis of BF-LAC compressive strength,split tensile strength and flexural strength

2.4 功效函数法分析

功效函数法依据目标规划原理，对每一项评价指标确定一个满意值和不允许值，根据满意值和不允许值计算各指标实现满意值的程度，并以此确定各指标的分数[12]。BF-LAC的强度功效函数分析结果如表7所示。

依据表7中功效函数法分析结果的对比，综合抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度3种评价指标，最佳配合比组合为第八组，即A3B1C2，具体为玄武岩纤维掺量(因素A)为0.3%，陶砂代砂子率(因素B)为7%，陶粒代石子率(因素C)为8%。

3 理论分析

随着玄武岩纤维掺量的不断增加，使得BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度都得到了不同程度的加强。适量的玄武岩纤维在混凝土结构内乱向分布均匀，空间上形成了良好的网状结构，这些网状结构中分散的玄武岩纤维在混凝土内部的孔隙之间起到了很好的填充、桥接作用，提升了混凝土结构的整体性，抑制了因混凝土收缩引起的微裂缝，从而提高轻骨料混凝土的轻度。但当玄武岩纤维掺量达到一定程度后继续增加纤维掺量，3种强度的增幅明显减小，这是因为当混凝土内玄武岩纤维含量过多，这些纤维难免出现团聚现象，砂浆无法将每一根纤维充分包裹，致使混凝土和纤维之间的连接变得松散，混凝土孔隙率增加，因而轻骨料混凝土的3种强度增幅都有所下降。

随着陶砂和陶粒的不断加入，最终都会导致BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度发生不同程度上的降低，原因在于：①陶粒和陶砂是多孔材料，会吸收大量水分致使混凝土和易性降低并影响水化物的产生，致使混凝土内部孔隙增多；②随着陶砂代砂子率和陶粒代石子率的持续增大，陶砂和砂子、陶粒和石子共同作为骨料的作业越来越显著，而陶砂和陶粒的强度明显小于砂子和石子，因而BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度都有所降低。

4 强度预测模型

假定BF-LAC的强度由混凝土基体强度、玄武岩纤维增强项、陶砂代替砂子增强项和陶粒代替石子增强项共同组成。假设强度回归模型为

f=a0+a1x1+a2x2+a3x3+φ

(1)

式(1)中：f为混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度或抗折强度，MPa；a0为混凝土基体抗压强度、劈裂抗拉强度或抗折强度，MPa；a1、a2、a3为回归系数；φ为试验参数；x1为玄武岩纤维体积率，%；x2为陶砂代砂子率,%；x3为陶粒代石子率，%。

表7 功效函数法分析结果Table 7 BF-LAC power coefficient analysis results

将表4中试验数据代入回归模型(1)中，用最小二乘法对α进行估计，得出BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的回归方程分别为

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为BF-LAC抗压强度，MPa；fs为BF-LAC劈裂抗拉强度,MPa；ff为BF-LAC抗折强度，MPa；R2为决定系数。

图4(a)为BF-LAC抗压强度拟合值与实测值对比图，图4(b)为BF-LAC劈裂抗拉强度拟合值与实测值对比图，图4(c)为BF-LAC抗折强度拟合值与实测值对比图。综合比较，可知误差最大的是第7组，抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度误差值达到了3.88%、7.02%、6.42%，说明该强度模型具有较高的精度，本文模型预测结果具有一定的工程实践参考价值。

5 结论

通过对BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度进行分析探讨后，得出以下结论。

(1)针对轻骨料混凝土强度小、脆性大的现状，利用正交试验掺入玄武岩纤维、陶砂和陶粒配制出一种玄武岩纤维轻骨料混凝土，制出的试件抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度在23.6～36.8、3.30～5.23 、3.5～7.43 MPa，大多高于普通轻骨料混凝土的强度，最大增幅分别为23.11%、20.64%和24.17%。

(2)玄武岩纤维对BF-LAC强度影响最大，且随纤维的掺入而逐渐提升；其次是陶粒代石子率，总体上随着陶粒代石子率的增加BF-LAC强度逐渐降低但适量的陶粒掺入可以提升BF-LAC的劈裂抗拉强度；陶砂代砂子率对BF-LAC强度影响最小。

(3)玄武岩纤维和陶粒代石子率是BF-LAC抗压强度的显著因素，其中玄武岩纤维特别显著，故适量的玄武岩纤维可以有效提升轻骨料混凝土的抗压强度；玄武岩纤维是影响BF-LAC劈裂抗拉和抗折强度的显著因素，陶砂代砂子率是影响BF-LAC劈裂抗拉和抗折强度的非显著因素。

(4)分散均匀的少量玄武岩纤维在混凝土内部的孔隙之间起到很好的填充、桥接作用，使得BF-LAC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度都得到不同程度的提升；但过多的纤维易出现团聚现象，混凝土和纤维之间连接松散，致使BF-LAC的3种强度的增幅明显减小；多孔的陶砂和陶粒因吸水性强致使混凝土和易性降低，从而导致BF-LAC的3种强度不同程度上的降低。

图4 BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度拟合值与实测值图Fig.4 BF-LAC compressive strength,tensile splitting,rapture fit and measured value plots

(5)通过功效函数法确定最佳配比为A3B1C2，即玄武岩纤维体积率为0.3%、陶砂代砂子率为7%、陶粒代石子率为8%；建立的BF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度与玄武岩纤维体积率、陶砂代砂子率和陶粒代石子率之间的预测模型具有较高精确度，为工程实际提高轻骨料混凝土强度提供参考。