纤维和硅灰对混凝土基本力学性能影响的研究

宗 翔 豆庆歌

(安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

混凝土在现代建筑材料中，发挥着十分重要的作用，但由于其存在自重大、抗拉强度较低、抗冲击性较差、脆性大等缺点，在一些特殊工程中的应用受到限制。研究发现，在混凝土中加入不同种类的纤维，有利于提高混凝土的各项性能。目前，在混凝土中加入的纤维主要包括尼龙、碳纤维、钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维等[1-3]。刘永胜、杨雯雯等人研究发现将不同纤维加入到混凝土中，混凝土的力学性能得到不同程度的提高，其中，加入钢纤维的效果最好，但钢纤维容易发生锈蚀、不耐高温[4-5]。吴钊贤、秦毓雯等人通过大量实验发现，在混凝土中加入玄武岩纤维，不但能使混凝土的抗压、抗拉强度等性能得到较大程度提高，同时能够抑制氯离子对混凝土的侵蚀，其抗渗性能也较好[6-7]。大量实验表明，将不同掺量的硅灰加入到混凝土中，混凝土的抗压强度得到不同程度的提高[8-10]。

掺入钢纤维可以提高混凝土的抗压强度，提高混凝土遭到破坏时的延性；玄武岩纤维可以提高混凝土的耐温性和抗侵蚀性；硅灰可使混凝土性能更优。纤维在混凝土中随机分布，掺入纤维过多将会导致其在混凝土中的分布不均匀。

1 混凝土性能实验

1.1 实验材料

实验所用水泥，为安徽省淮南市八公山PO 42.5级普通硅酸盐水泥。所用石子为连续级配的碎石，粒径为4～20 mm，各项性能均满足规范要求。所用的砂为淮河中砂，细度模数为2.72，堆积密度为 1 441 kg/m3，表观密度为2 533 kg/m3。所用的硅灰为河南省义翔新材料公司生产的微硅粉，其比表面积为19.1 m2/g，SiO2含量约为96.30%，氯离子含量约为0.07%。所用的水为自来水。所用的纤维为衡水骏晔路桥养护公司生产的钢纤维及汇祥纤维工厂生产的玄武岩纤维，其基本参数如表1所示。

表1 实验所用纤维的基本参数

1.2 实验准备

1.2.1 原料准备

石子粒径大小不同，含有沙子、土等杂质，需要对其进行处理。将石子清洗后，放置在阴凉处，晾10 d左右后，用滤网对其进行过滤筛选。

砂中含有贝壳碎片和云母等杂质，需要对其进行处理。将砂晾干后，用滤网对其进行过滤筛选。

1.2.2 正交实验设计

对于钢纤维(SF)、玄武岩纤维(BF)和硅灰(Si)等3个影响因素，采用正交实验的方法来确定其最佳配合比[11]。针对这3个因素分别考虑3个水平：钢纤维采用质量掺量为20、30、40 kg/m3；玄武岩纤维采用体积掺量为0.05%、0.10%、0.15%；硅灰对水泥的代替率为5%、10%、15%。实验因素水平表如表2所示。

表2 实验因素水平表

1.2.3 实验配合比设计

本次实验配制的是C35级混凝土，根据《普通混凝土配合比设计规程》的要求，确定其水胶比为0.52，砂率为35%。按照100 mm×100 mm×100 mm的标准试块进行配制，基准混凝土配合比，如表3所示；根据实验因素水平，共设计9组实验，其混凝土配合比，如表4所示。

表3 基准混凝土配合比 单位：(kg/m3)

表4 实验混凝土配合比 单位：(kg/m3)

本次研究9组实验中，每组6个试块，其中3个试块进行抗压强度测试，另外3个试块进行劈裂抗拉测试。实验的试块由100 mm×100 mm×100 mm的模具浇筑而成，放置24 h后拆模，将拆模后的试块放入Ca(OH)2溶液中，在温度为20 ℃的条件下养护28 d后取出晾干。

用计算机控制的电液伺服万能实验机，对试块进行抗压、劈裂抗拉强度实验(见图1、图2)。抗压强度实验的加载速度位移为2 mm/min；劈裂抗拉强度实验的加载速度位移为 1 mm/min。在劈裂抗拉测试中，掺入钢纤维和玄武岩纤维的混凝土，其劈裂抗拉强度先增大再小幅减小，而后再增大，结果会出现2个极值。这说明钢纤维和玄武岩纤维在劈裂抗拉的过程中发挥着十分重要的作用，混凝土没有发生脆性破坏，纤维和混凝土之间的黏结使其具有更大的延性。

图1 抗压强度加载

图2 劈裂抗拉强度加载

2 实验结果分析

对实验数据进行处理分析，得到混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，结果如表5所示。混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度满足要求。

表5 不同混凝土的抗压、劈裂抗拉强度 单位：MPa

为了探讨钢纤维、玄武岩纤维及硅灰等掺入物对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响程度，采用IBM SPSS数据分析软件，对实验结果进行极差和方差分析。

2.1 极差分析

实验数据的极差分析结果，如表6所示。对混凝土抗压强度而言，钢纤维(SF)对其影响最大，玄武岩纤维(BF)对其影响次之，对其影响最小的是硅灰(Si)。随着3种掺入物掺量的增加，混凝土的抗压强度均呈先降低后增长的趋势(见图3)。钢纤维、玄武岩纤维以及硅灰对混凝土的抗压强度都有较为明显的积极作用。

图3 不同混凝土28 d抗压强度

对混凝土劈裂抗拉强度而言，硅灰对水泥的代替率对其影响最大，钢纤维对其影响次之，对其影响最小的是玄武岩纤维(见表6)。随着钢纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度大幅增加；随着玄武岩纤维、硅灰掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度均呈先增大后减小趋势(见图4)。钢纤维、玄武岩纤维、硅灰等对混凝土的劈裂抗拉强度都有较为明显的作用，其中钢纤维对其影响最为显著。

表6 不同混凝土28 d抗压强度、劈裂抗拉强度极差 单位：MPa

图4 不同混凝土28 d劈裂抗拉强度

不同混凝土的抗压强度方差分析结果，如表7所示。钢纤维、玄武岩纤维以及硅灰对混凝土抗压强度均有显著性影响。对混凝土抗压强度影响程度由强到弱为：钢纤维、玄武岩纤维、硅灰。此结果与极差分析一致。

表7 不同混凝土抗压强度方差

不同混凝土劈裂抗拉强度方差结果，如表8所示。钢纤维、玄武岩纤维以及硅灰对混凝土劈裂抗拉强度均有显著性影响。对混凝土劈裂抗拉强度影响程度由强到弱为硅灰、钢纤维、玄武岩纤维。此结果与极差分析一致。

表8 不同混凝土劈裂抗拉强度方差

2.3 最优配合比的确定

采用极差分析法，得到混凝土抗压强度最优配合比组合为A3B3C3，与表5所示实验结果相一致；得到混凝土劈裂抗拉强度最优配合比组合为A3B2C2,而实验结果显示，混凝土最大劈裂抗拉强度配合比组合为A2B2C2。考虑在实际工程中混凝土受压更多，在高效、方便、经济的原则下，确定最优配合比组合为A3B3C3：钢纤维质量掺量为40 kg/m3，玄武岩纤维体积掺量为0.15%，硅灰对水泥的代替率为15%。

3 结 语

经过实验研究表明，掺入物对混凝土抗压强度的影响程度由强到弱为钢纤维、玄武岩纤维、硅灰；对混凝土劈裂抗拉强度的影响程度由强到弱为硅灰、钢纤维、玄武岩纤维。钢纤维对混凝土抗压强度的影响有较高显著性，硅灰对混凝土劈裂抗拉强度的影响有较高显著性。对于C35混凝土，最优配合比组合为A3B3C3：钢纤维质量掺量为40 kg/m3，玄武岩纤维体积掺量为0.15%，硅灰对水泥的代替率为15%。