混杂纤维协同增强轻骨料混凝土力学性能试验研究

郝绍菊，马 竞

(1.河南开放大学，河南 郑州 450046; 2.郑州大学，河南 郑州 450001)

0 引 言

轻骨料混凝土是指由人工制作或天然形成的轻质骨料替代普通混凝土中部分骨料的混凝土且其表观密度不大于1 950 kg/m3，轻骨料混凝土具有轻质、高强等特点，是当前高层及大跨度结构的重要建筑材料[1-2]。但轻骨料混凝土相对于普通混凝土强度低、脆性大，很大程度上限制了其工程应用，因此增强轻骨料的强度、改善其脆性成为近年来的研究热点[3-5]。

基于轻骨料混凝土的缺陷，混杂纤维混凝土应运而生，其是将两种或两种以上纤维掺入轻骨料混凝土中得到的新型轻骨料混凝土[6-7]。姜猛等[8]研究了塑钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土的抗冲击性能，结果显示掺入混杂纤维后轻骨料混凝土具有较好的韧性和抗多次冲击能力；董喜平等[9]通过将聚丙烯纤维和玻璃纤维单一掺入及两者混杂掺入轻骨料混凝土中研究其对轻骨料混凝土的力学性能影响，结果表明混杂纤维掺入轻骨料混凝土中表现出良好的正混杂效应且极大地提升了轻骨料混凝土的力学性能；霍俊芳等[10]研究了钢-聚丙烯纤维二元混杂纤维轻骨料混凝土的力学性能，结果表明混杂纤维能在保证强度且不增加其表观密度的前期下有效改善轻骨料混凝土的脆性。

钢纤维具有高弹性模量的特点且增强效应显著，但价格高昂，而聚丙烯纤维虽然弹性模量较低但价格低廉，故本文设计将钢-聚丙烯纤维混杂纤维和轻骨料掺入混凝土中，制备钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土(HF-LAC)，以期两种纤维发生“正混杂效应”，为HF-LAC在工程中的应用和相关研究提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。石子：粒径为5～20 mm的碎石。砂子：中砂，细度模数天然河砂为2.65。轻骨料采用陶粒和陶砂，性能参数见表1。纤维：剪切波浪线型钢纤维和单丝束状聚丙烯纤维，表观和微观如图1所示，具体性能指标见表2。减水剂：HPWR型高性能减水剂，减水率为37%。水：自来水。

表1 陶粒和陶砂主要性能指标

图1 纤维外观及微观

1.2 试验设计

在开展多因素多水平的试验时通常采用正交试验法，选取具有代表性和典型性的点进行试验，从而有效降低试验次数且提高效率和准确性[11]。为了研究纤维和轻骨料对HF-LAC力学性能的影响，考虑因素为：因素A-钢纤维体积率(0%、0.1%、0.2%、0.3%)、因素B-聚丙烯纤维体积率(0%、0.1%、0.2%、0.3%)、因素C-陶粒代石子率(0%、7%、14%、21%)、因素 D-陶砂代砂子率 (0%、5%、10%、15%)，采用L16(44)正交表进行四因素四水平正交试验设计，同时参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》设计HF-LAC配合比，如表3所示。

表3 HF-LAC配合比 kg/m3

1.3 试件制备及试验方法

试件制作时，先将称量好的石子和砂子混合干拌 1 min，然后倒入陶粒和陶砂继续干拌 1 min，然后倒入钢纤维纤维和聚丙烯纤维继续干拌1 min，接着加入继续干拌1 min，最后加入水和减水剂搅拌3 min，制作完成HF-LAC。抗压强度及劈裂抗拉强度试验每组各制作 3 个 100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，随后放入室温为（20±2）℃的不流动的饱和氢氧化钙溶液中养护 28 d。按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，运用WAW-2000电液伺服万能试验机进行HF-LWC抗压强度和劈裂抗拉强度试验。

2 试验结果与分析

试验得到的16组HF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度及计算得出的拉压比结果如表4所示，并基于表4中数据运用分析软件SPSS进行极差和方差分析，结果分别如表5、表6所示。

表4 HF-LAC强度试验结果

表5 HF-LAC强度极差分析结果

表6 HF-LAC强度方差分析结果1）

根据表5中对HF-LAC强度极差分析的结果绘制四种因素对HF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的水平趋势图如图2所示。

2.1 HF-LAC抗压强度

从表5中对HF-LAC抗压强度极差分析结果可知，聚丙烯纤维对HF-LAC的抗压强度影响最大，极差为2.7 MPa，其次是钢纤维、陶粒和陶砂，极差分别为 2.07 MPa、1.77 MPa 和 0.33 MPa，由此可见四因素对HF-LAC抗压强度影响大小依次为B＞A＞C＞D。基于图2(a)可知，钢纤维体积率从0%增加到0.2%时，抗压强度提升幅度最大，为5.69%钢纤维体积率从0.2%增加到0.3%时，抗压强度反而出现下降；聚丙烯纤维体积率从0%增加到0.2%时，抗压强度提升幅度最大，为7.46%，与钢纤维表现一致，聚丙烯纤维体积率从0.2%增加到0.3%时，抗压强度也出现下降，这表明适量的纤维掺入有利于HF-LAC抗压强度的提升即发生“正混杂效应”，但过量的纤维掺入会导致抗压强度降低，发生“负混杂效应”；陶粒代石子率从0%增加到7%时，抗压强度提升0.1%，效果并不明显，之后随着陶粒代石子率的增加，抗压强度出现下降，当陶粒代石子率为21%时，相较于0%的代石子率抗压强度降低4.53%；陶砂对HF-LAC抗压强度的影响与陶粒表现一致，整体变化幅度在0.9%以内，这说明少量轻骨料掺入混凝土中在一定程度上能够提升混凝土抗压强度影响，但随着掺量的增加强度会出现较为明显的降低，这是因为少量的轻骨料能够改善细骨料的级配，填充混凝土内部的孔隙，使得混凝土内部更加密实，从而提升了HF-LAC的抗压强度，但由于少量轻骨料掺入混凝土中并不能发挥轻骨料混凝土轻质的特点，故这也是本文研究的立足点。综合上述对HF-LAC抗压强度的极差分析可知，若仅此提升HF-LAC抗压强度角度考虑，四因素的最佳组合为A3B3C1D2。

图2 HF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的水平趋势图

根据表6中对HF-LAC抗压强度的方差分析系结果可知，聚丙烯纤维体积率是影响HF-LAC抗压强度的特别显著因素，钢纤维体积率和陶粒代石子率是显著因素，但钢纤维体积率对HF-LAC抗压强度的影响大于陶粒代石子率，陶砂代砂子率是非显著因素。

2.2 HF-LAC劈裂抗拉强度

由表5可知：影响HF-LAC劈裂抗拉强度的因素依次为钢纤维 (0.480 MPa)＞陶粒 (0.220 MPa)＞聚丙烯 (0.190 MPa)＞陶砂 (0.095 MPa)。从图2(b)可以看出，四因素对HF-LAC劈裂抗拉强度的提升都呈增加趋势，当钢纤维体积率从0%增加到0.3%，劈裂抗拉强度增长11.61%，当聚丙烯纤维体积率从0%增加到0.3%，劈裂抗拉强度增长3.23%，当陶粒代石子率从0%增加到21%，劈裂抗拉强度增长5.05%，当陶砂代砂子率从0%增加到15%，劈裂抗拉强度增长0.91%。综上所述可知，一方面聚丙烯和陶粒对HF-LAC劈裂抗拉强度的影响较为接近，但陶粒的影响大于聚丙烯；另一方面纤维混杂可以表现出良好的协同作用，使得HF-LAC劈裂抗拉强度得到提升。若仅从提升HF-LAC劈裂抗拉强度角度考虑，四因素的最佳组合为A4B3C2D4。

根据表6中对HF-LAC劈裂抗拉强度的方差分析系结果可知，钢纤维体积率是影响HF-LAC劈裂抗拉强度的特别显著因素，聚丙烯纤维体积率和陶粒代石子率是显著因素，但陶粒代石子率对HFLAC劈裂抗拉强度的影响大于聚丙烯纤维体积率，陶砂代砂子率是非显著因素。

2.3 HF-LAC拉压比

基于表5中HF-LAC拉压比极差值可以看出，四因素对HF-LAC拉压比影响大小依次为钢纤维(0.111 MPa)＞陶粒 (0.007 6)＞聚丙烯 (0.004 5）＞陶砂(0.003 2)。根据图2(c)可知，HF-LAC 拉压比随着钢纤维和陶粒掺量的增加而提升，随着陶砂掺量的增加HF-LAC拉压比先降低后提升且整体上呈上升趋势，但HF-LAC拉压比随着聚丙烯纤维掺量的增加而降低，若仅此提升HF-LAC拉压比角度考虑，四因素最佳组合为A4B1C4D2。

根据表6中对HF-LAC拉压比的方差分析结果可知，钢纤维体积率是影响HF-LAC拉压比的特别显著因素，聚丙烯纤维体积率、陶粒代石子率和陶砂代砂子率是影响HF-LAC拉压比的显著因素。

2.4 功效系数分析

功效系数法是一种针对多个目标进行综合评价的方法，根据表4中16组HF-LAC抗压强度劈裂抗拉强度试验结果，依次求出每个指标的功效比，最后求出总功效系数，结果如图3所示。

图3 功效系数值

基于图3中总功效系数值的分析可知，C15组试件总功效系数最大，为97.66，因此，综合四因素对HF-LAC抗压强度、劈裂抗拉强度影响，最佳配合比组合为A4B3C2D4，即钢纤维体积率为0.3%，聚丙烯纤维体积率为0.2%，陶粒代石子率为7%，陶砂代砂子率为15%。

3 SEM微观分析

图4给出了在SEM微观扫描下纤维与基体的粘结形态，当HF-LAC承受外部荷载时，混凝土内部的微裂缝开始逐步扩展，在此阶段HF-LAC的应力主要是由混凝土基体承担，随着荷载的继续增大，混凝土内部的微裂缝扩展成贯穿的小裂缝，此时，高弹性模量的钢纤维能在混凝土基体中形成桥接作用且与混凝土基体之间的机械咬合力和黏结力承担外部荷载作用，但随着混凝土应变的增大，特别是当混凝土内部的小裂缝发展成更大的裂缝时，钢纤维的桥接作用会降低很多，此时由于聚丙烯纤维发生了一定的变形并表现其显著性，与钢纤维协同作用发生“正混杂效应”增强HF-LAC的强度，改善其脆性，但由于聚丙烯纤维的弹性模量低，所以相较于钢纤维对HF-LAC的约束作用有限，伴随着荷载的继续增加，试件强度逐渐降低最后发生破坏。

图4 图4 SEM微观扫描下纤维与基体的粘结形态

4 强度预测模型

假设HF-LAC强度由混凝土基体强度、钢纤维增强项、聚丙烯纤维增强项、陶粒代石子增强项和陶砂代砂子增强项共同组成，假定强度回归模型为：

式中：f——HF-LAC抗压强度或劈裂抗拉强度，MPa；

α0——混凝土基体抗压强度或劈裂抗拉强度，MPa；

α1,α2,a3,α4——回归系数；

φ——试验参数；

x1——钢纤维体积率，%；

x2——聚丙烯纤维体积率，%；

x3——陶粒代石子率，%；

x4——陶砂代砂子率，%。

将表4中数据代入回归模型（1）中，对 α进行最小二乘法估计得出HF-LAC抗压强度和劈裂抗拉强度的回归方程为：

其中，fs为 HF-LAC抗压强度，MPa；ft为HF-LAC劈裂抗拉强度，MPa；r2为决定系数。

5 结束语

1）HF-LAC抗压强度的特别显著因素是聚丙烯纤维，钢纤维和陶粒是影响HF-LAC抗压强度的显著因素且钢纤维大于陶粒，陶砂是HF-LAC抗压强度的非显著因素。对HF-LAC抗压强度，钢纤维最佳体积率为0.2%，聚丙烯纤维最佳体积率为0.2%，陶粒最佳代石子率为0%，陶砂最佳代砂子率为5%。

2）钢纤维体积率、聚丙烯纤维体积率、陶粒代石子率和陶砂代砂子率对HF-LAC劈裂抗拉强度的影响程度大于抗压强度。钢纤维是HF-LAC劈裂抗拉强度的特别显著因素，陶粒和聚丙烯纤维是显著因素且陶粒大于聚丙烯纤维，HF-LAC最佳配合比组合为A4B3C2D4。

3）钢纤维是HF-LAC拉压比的特别显著因素，其他三个因素均为显著因素且陶砂对HF-LAC拉压比影响最小，若仅考虑提升HF-LAC拉压比，四因素的最佳组合为A4B1C4D2。

4）基于功效系数法综合四因素对HF-LAC抗压强度和劈裂抗拉强度的影响得出试验的最佳配合比组合为A4B3C2D4，即钢纤维体积率为0.3%，聚丙烯纤维体积率为0.2%，陶粒代石子率为7%，陶砂代砂子率为15%。借助SEM微观扫描对纤维与基体之间的粘结机理进行了分析，建立了HF-LAC抗压强度和劈裂抗拉强度与四因素之间的预测模型。