基于正交设计PVA-玄武岩混杂纤维高性能混凝土力学性能研究

陈 晨，张晓东，李 曈，范锦泽

基于正交设计PVA-玄武岩混杂纤维高性能混凝土力学性能研究

陈 晨，张晓东，李 曈，范锦泽

（辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001）

通过试验研究了玄武岩纤维(BF)、聚乙烯醇纤维(PVA)、矿渣微粉3种因素对C50混凝土力学性能的影响，测试了混杂纤维高性能混凝土(HFHPC)的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与抗折强度，将试验数据进行了极差与方差分析。试验结果表明，掺入适量的玄武岩纤维、PVA纤维和矿渣微粉可有效地提高混凝土的力学性能，最终得出了玄武岩纤维、PVA纤维及矿渣微粉的最佳掺量。

玄武岩纤维；PVA纤维；矿渣微粉；高性能混凝土；力学性能

由于社会的飞速发展，人们对混凝土结构构件的力学性能、耐久性能提出了更高的要求。而高性能混凝土(HPC)由于具有更好的综合性能，已被广泛应用。如今在国内外研究中HPC采用双掺、多掺技术制备高耐久结构混凝土[1-5]已经达成共识。

HPC虽然拥有高强度、高耐久性等优势，但同时也存在着脆性高、抗拉强度低、韧性差、易开裂等问题，而目前较好的解决方法是掺入纤维，通过掺入不同种类的纤维，HPC的抗折强度、抗压强度和断裂能等力学性能都得到了提高[6-7]。掺入单一种类纤维的HPC只能提高某一特定的性能，为了全面改善力学性能，可以尝试掺入2种或2种以上纤维以提高强度和抗裂韧性。其中包括高强、高弹性模量纤维和低弹性模量、高延性的纤维，2种纤维在不同裂缝大小、不同开裂阶段发挥作用，同时产生协同作用，以达到增韧增强的目的[8-11]。

但有关资料显示纤维增强混凝土会出现正面效果也会有负面效果，混杂纤维混凝土已显示出的优势需要进行进一步探索，目前针对PVA-玄武岩纤维混凝土的研究并不多见，与之对应的理论分析也不完善。本次试验以玄武岩纤维体积分数、PVA纤维体积分数、矿渣微粉掺量为影响因素进行了正交试验设计，通过试验找到设计试验条件下的较优试验配比，找出3种因子的影响程度和显著性影响因子，以探究玄武岩纤维及PVA纤维的合理体积分数以及矿渣微粉的合理掺量。

1 试验内容

1.1 试验材料

水泥：“渤海”牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：山东汇丰新材的Ⅰ级粉煤灰，表观密度为2.55 g/cm3，烧矢质量为4.7%，细度≤45 μm，筛余率7%。

粒化高炉矿渣：安徽璋翰矿产生产，表观密度为2.9 g/cm3，烧矢质量为0.9%。

粗骨料：5～20 mm粒径连续级配碎石。

细骨料：普通河沙，细度模数为2.4～2.6，堆积密度为1 450 kg/m3。

减水剂：沈阳海达建材公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，减水率为25%。

水：清洁的城市自来水。

聚乙烯醇纤维：泰安铭颖复合材料有限公司，性能指标见表1。

玄武岩纤维：江苏省天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产，性能指标见表2。

表1 聚乙烯醇纤维指标

直径/μm长度/mm密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa拉伸强度/MPa断裂伸长率/% 18121.311.2152010

表2 玄武岩纤维性能指标

直径/μm长度/mm密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa拉伸强度/MPa断裂伸长率/% 16122.60～2.7090～1103000～35002.1

1.2 试验配合比

试验考虑不同体积分数b(0.1%、0.2%、0.3%)的玄武岩纤维、不同体积分数p(0.1%、0.2%、0.3%)PVA纤维和不同矿渣微粉掺量(10%、20%、30%)对HFHPC力学性能的影响。因此试验采用L9(33)正交表进行3因素3水平正交试验设计，共设计了9组配合比，基准组配合比见表3，试验分组详见表4。

表3 基准组配合比及材料用量 kg/m

水泥粉煤灰砂石子水减水剂水胶比 394.498.674398615950.32

表4 试验分组 %

试验编号Vb(玄武岩纤维)Vp(聚乙烯醇纤维)M(矿渣微粉掺合料) B0.1P0.1M100.10.110 B0.2P0.2M100.20.210 B0.3P0.3M100.30.310 B0.2P0.1M200.20.120 B0.3P0.2M200.30.220 B0.1P0.3M200.10.320 B0.3P0.1M300.30.130 B0.1P0.2M300.10.230 B0.2P0.3M300.20.330

1.3 试验方法

试验以CECS13:2009《纤维混凝土试验方法标准》[12]为参照，由于水胶比较低、纤维掺量大，容易造成纤维结团。因此，采用湿拌与撒纤维共同搅拌的方式，先将集料和胶材进拌再加入水、减水剂，同时加入纤维进行湿拌。立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm的试件，每组6个(3个立方体抗压、3个劈裂抗拉)。抗折试验采用100 mm×100 mm×400 mm的试件，每组3个。在标准养护条件下养护28 d。采用YAW-5000J型微机控制电液伺服压剪试验机分别测试立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形式及试验数据分析

相较于普通混凝土，HFHPC试件破坏较缓慢，伴随有轻微的响声和少量剥落现象，沿着试件的侧面出现多条裂缝逐渐贯穿混凝土上下表面，显示出一定的韧性。与不掺纤维混凝土相比，掺入玄武岩纤维和PVA纤维起到桥接作用，可以有效阻止混凝土碎片的直接破碎剥落，破坏后仍出现较好的整体性。混凝土试件的破坏形态见图1。

图1 试件破坏形态

HFHPC试块在标准条件下养护28 d后进行力学性能试验，试验结果见表5。

为考察玄武岩纤维体积分数、聚乙烯醇纤维体积分数和矿渣微粉掺量3种因素对HFHPC试块抗压强度、抗拉强度、抗折强度的影响程度，找出显著性影响因素，采用统计分析软件SPSS进行极差分析、方差分析，结果分别列于表6、表7。

表5 HFHPC试验结果

试验编号抗压试验 劈裂试验 抗折试验 fcu/MPa提高率/%fts/MPa提高率/%fcf/MPa提高率/% B0.1P0.1M1052.2453.55%7.63220.00%2.099-3.28% B0.2P0.2M1054.1177.26%7.93624.78%2.47614.10% B0.3P0.3M1056.87112.72%6.5442.89%2.68423.67% B0.2P0.1M2049.93-1.03%7.08811.45%2.066-4.79% B0.3P0.2M2050.7420.57%6.064-4.65%2.2031.51% B0.1P0.3M2048.105-4.66%6.360.00%2.2634.28% B0.3P0.1M3052.8664.78%5.232-17.74%2.034-6.30% B0.1P0.2M3045.324-10.17%5.512-13.33%2.091-3.65% B0.2P0.3M3050.4990.09%5.944-6.54%2.3297.30% 基准对照组50.4540.00%6.360.00%2.1700.00%

注：因本试验采用非标准试件，根据《纤维混凝土试验方法标准》抗压强度乘以系数0.9、抗拉强度乘以系数0.8、抗折强度乘以系数0.82。

表6 HFHPC极差分析 MPa

Indexfcu fts fcf K1K2K3RK1K2K3RK1K2K3R Vb48.55851.51653.4934.9356.5016.9895.9461.0422.1262.2902.3450.218 VP51.68148.55851.8253.2676.6506.7046.2820.4212.1042.2322.4250.320 M54.41149.59349.5634.8487.37076.5045.5621.8082.4192.1772.1640.255

表7 HFHPC方差分析

IndexFactorSSDFMSF值P值 fcu/MPaVb38.211219.10663.6210.015 VP7.37723.68912.2830.075 M43.001221.50071.5960.014 fts/MPaVb1.63320.81636.1970.027 VP0.20620.1034.5650.180 M4.90822.453108.7510.009 fcf/MPaVb0.04420.0225.7250.149 VP0.19420.09725.1940.038 M0.13220.06617.1400.055

2.1.1 立方体抗压强度

从表5、表6可知，与基准对照组相比掺入纤维能明显提高混凝土的抗压强度，提高幅度最大为12.72%。玄武岩纤维体积分数对立方体抗压强度影响最大，极差值(R)为4.935 MPa；粉煤灰掺量的影响次之，极差为4.848 MPa；PVA纤维体积分数最小，极差为3.549 MPa，所以影响HFHPC抗压强度的因素依次为b(玄武岩体纤维积分数)>(矿渣微粉掺量)>p(PVA纤维体积分数)。由此可见，玄武岩纤维的掺入对HFHPC抗压强度的提升较为明显，而矿渣微粉由于取代大量水泥而导致HFHPC的抗压强度降低，PVA纤维对HFHPC的抗压强度影响不大。

选择各因素值中方体抗压强度的最大值作为每个因素的最佳水平，可得到抗压强度的最优配比为b3P31(其中b3表示玄武岩纤维体积分数为0.3%、P3表示PVA纤维体积分数为0.3%、1表示矿渣微粉体积掺量为10%，下文以此类推)。

通过表7可知，b和的显著性水平（值)小于0.05，因此HFHPC立方体抗压强度的显著性影响因素为玄武岩纤维体积分数和矿渣微粉掺量，聚乙烯醇纤维体积分数不是显著性影响因素。

由于正交试验的因素水平是给定的，所以试验得出的最优方案未必是实际的最优方案。因此需要画出因素与指标的关系趋势图(以各因素的1、2、3为纵坐标，各因素的水平为横坐标，连接各水平对应的值即为趋势图)，用来分析未限定的试验水平，从而可能找到更好的试验水平。正交实验的趋势图如图2所示(图中横坐标为各因素的水平值，1表示BF、PVA纤维体积分数为0.1%、矿渣微粉掺量为10%，其余依次类推)。

图2 抗压强度趋势图

从趋势图中可以看出，在给定的水平中，矿渣微粉的掺量在大于10%时，抗压强度的值明显减小，合适掺量应小于20%。随着玄武岩纤维体积分数的增加，混凝土的抗压强度值是增大趋势，说明玄武岩纤维的体积分数还有增加的余地，在给定水平中，0.3%体积分数为最佳。PVA体积分数增加对抗压强度的影响是先降低后增加，表明PVA纤维最佳的增强效果对应的体积分数也可以增加。

2.1.2 立方体劈拉强度

从表5、表6可知，影响HFHPC劈裂抗拉强度的因素依次为>b>p。玄武岩纤维对HFHPC的劈裂抗拉强度有明显提高作用，但是过多掺入会导致强度下降，而矿渣微粉的过量掺入会导致HFHPC的劈裂抗拉强度降低，掺量为10%时效果最好。PVA纤维对HFHPC的劈裂抗拉强度影响较小。劈拉强度最优配比为b2P21。

通过表7中劈裂抗拉的方差分析可知，b和的显著性水平(值)小于0.05，因此b和是HFHPC劈裂抗拉强度的显著性影响因素，p不是显著性影响因素。趋势图如图3所示。

图3 抗拉强度趋势图

从趋势图中可以看出，抗拉强度的K值随矿渣微粉掺量增大而减小，结果与抗压强度一致。随着玄武岩纤维、PVA体积分数的增加，抗拉强度都是先上升后下降，PVA纤维的趋势相对平缓，表明PVA纤维体积分数的变化对抗拉强度的贡献较小。2种纤维的最佳体积分数都为0.2%。

2.1.3 抗折强度

由表5、表6可知，影响HFHPC劈裂抗拉强度的因素依次为p>b>，与基准对照组相比抗折强度最大提升幅度为23.67%。PVA和玄武岩纤维对HPHPC的劈裂抗拉强度都有明显提高作用。抗折强度的最优配比为b3P31。

从表7中HFHPC抗折强度的方差分析结果可以看出，PVA纤维体积分数的值小于0.05，是HFHPC抗折强度的显著性因数，玄武岩纤维和矿渣微粉掺量的值大于0.05是非显著性因素。趋势图如图4所示。

图4 抗折强度趋势图

从趋势图中可以看出，抗折强度的K值随矿渣微粉掺量增大而减小。随着PVA、玄武岩纤维体积分数增加，抗拉强度呈现上升趋势，PVA纤维的斜率更大，表明PVA纤维体积分贡献率更大。随着2种纤维体积分数增大，抗折强度都有大幅提升，说明增加2种纤维的体积分数还有加强抗折强度的可能。在给定的试验水平中，0.3%是最佳的体积分数。

2.2 HFHPC力学性能的影响因素

2.2.1 玄武岩纤维

由试验结果可以看出，适当的纤维掺量可以提高HFHPC的强度，在初始阶段，混凝土的应力较小，主要由基体承担。在应力、应变逐渐变大、微小裂缝连通成小裂缝的过程中，高强高弹模玄武岩纤维通过黏结作用和机械咬合力，起到桥联、阻止裂缝发展的作用。随着裂缝继续扩大，此时HFHPC以纤维来承担主要荷载，纤维承受的荷载逐渐增加，从而提高了混凝土的强度。相比于素混凝土，HFHPC抗拉强度的提升很明显。由于素混凝土的脆性大，混凝土凝结硬化后内部形成孔隙和裂缝，导致素混凝土抗裂性能差，而加入玄武岩纤维后，乱向均匀分布的纤维被混凝土包围，裂缝开展时纤维从各个方向承受拉应力，增加了拉应力承受界面，阻止应力集中现象的发生，所以抗拉强度有了明显的提升。b对HFHPC抗压强度的影响程度大小表现为b3>b2>b1，对HFHPC抗拉强度的影响程度大小表现为b2>b1>b3，对HFHPC抗折强度的影响程度大小表现为b3>b2>b1。

2.2.2 聚乙烯醇纤维

在混凝土裂缝扩展到大裂缝时，玄武岩纤维的黏结作用已经降低，承担的拉应力减小，而PVA纤维发生形变后，可以承担一部分应力，提高了混凝土的强度和韧性，PVA纤维与玄武岩纤维的协同作用逐渐体现，表现出正混杂效应。但是由于强度低，对HFHPC抗压、抗拉强度增强不如玄武岩纤维明显，但对抗折强度提升效果显著，原因在于低弹性模量的PVA纤维延性大、韧性高，对较大裂缝开口有抑制作用。p对HFHPC抗压强度的影响程度大小表现为p3>p1>p2，对HFHPC抗拉强度的影响程度大小表现为p2>p1>p3，对HFHPC抗折强度的影响程度大小表现为p3>p2>p1。

2.2.3 粒化高炉矿渣

双掺矿物掺合料可以优化混凝土的工作性能、耐久性和强度[13]，也可以抑制集料碱硅酸反应[14]，并且用粉煤灰和粒化高炉矿渣取代部分水泥从而节约了水泥，更加经济环保。矿渣微粉对HFHPC立方体抗压强度、劈裂抗拉抗压强度、抗折强度的影响程度表现为1>2>3。和基准对照组相比，矿渣微粉掺入10%时HFHPC的各个强度都有明显提升，掺入20%时强度相差不大，掺入30%时强度明显降低，说明粉煤灰掺量为20%的同时，矿渣微粉最佳替代掺量在20%以下。一定掺量的矿物掺合料对混凝土强度有增强作用，超过该掺量后，增强作用减小，甚至出现负增长，主要原因是高掺量粉煤灰和矿渣微粉掺入后，水泥用料大量减少，水化作用产生的高强度凝胶材料减少，导致混凝土基体的强度大幅降低。

3 结论

(1)玄武岩纤维掺量、PVA纤维掺量、矿渣微粉掺量对HFHPC的劈裂抗拉强度和抗折强度的增强效应更加明显，各因素对HFHPC的影响程度大小具体表现为：抗压、劈裂抗拉强度，玄武岩纤维体积分数最大，粉煤灰掺量次之；抗折强度，PVA纤维体积分数最大，玄武岩纤维体积分数次之。

(2)HFHPC的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的显著性影响因数是玄武岩纤维掺量和矿渣微粉掺量。抗折强度的显著性影响因数是PVA纤维体积分数。HFHP抗压强度的最优配比为b3P31；劈拉强度最优配比为b2P21；抗折强度的最优配比为b3P31。

(3)玄武岩纤维和PVA纤维对HFHPC的3种强度指标都有增强作用，混掺玄武岩纤维和PVA纤维的HFHPC强度表现出正混杂效应，劈拉强度和抗折强度都有明显提升，但过量掺入纤维会导致劈拉强度增幅减小，甚至出现负增长。矿渣微粉的最佳掺量为10%，不宜大于20%，大量取代水泥会导致混凝土基体强度大幅下降，但是适量取代对基体强度有增强作用。

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Research on Mechanical Properties of High Performance Concrete with PVA -basalt Hybrid Fiber Based on Orthogonal Design

CHEN Chen, ZHANG Xiao-dong, LI Tong, FAN Jin-ze

（School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The effects of basalt fiber (BF), polyvinyl alcohol fiber (PVA) and slag powder on the mechanical properties of C50 concrete were studied through experiments. The cube compressive strength, splitting tensile strength and flexural strength of hybrid fiber high performance concrete (HFHPC) were tested. The test data were analyzed by range and variance. The experimental results show that the mechanical properties of concrete can be effectively improved by adding proper amount of basalt fiber, PVA fiber and slag powder. Finally, the optimal content of basalt fiber, PVA fiber and slag powder is obtained.

basalt fiber; PVA fiber; slag powder; high performance concrete; mechanical properties

10.15916/j.issn1674-3261.2022.01.012

TU528

A

1674-3261(2022)01-0060-05

2020-12-24

陈 晨(1994-)，男，浙江丽水人，硕士生。

张晓东(1971-)，男，辽宁大石桥人，教授级高级工程师。

责任编辑：孙 林