砂石用量对玄武岩纤维混凝土力学性能的影响

魏重阳

（北京玄泽新材料科技有限公司，北京 100022）

0 引言

纤维混凝土是将短而细的分散性纤维均匀地分布在混凝土中而形成的一种新型混凝土，掺入纤维可有效抑制混凝土的早期开裂，改善混凝土的脆性，提高混凝土的抗拉、抗弯折、抗冲击性能；当混凝土出现微细裂缝后，纤维在裂缝间通过桥接作用，为混凝土提供延展性，见图1。据统计，全国约有2/3的纤维混凝土用于道路工程，另外1/3 的则应用于喷射混凝土、预制构件及其他特殊构件中[1]。

图1 纤维混凝土桥接作用示意

玄武岩纤维（basalt fiber）是一种以天然玄武岩拉制的连续纤维[2]，其生产过程中无其他物质介入，是一种新型环保的无机高性能纤维。玄武岩纤维不仅强度高，还具有电绝缘、耐高温、耐腐蚀等多种优异性能，将其掺入到混凝土中，能有效地增强其力学性能[3]，但在实际应用中，仅调整玄武岩纤维的用量无法起到很好的效果，因此，为进一步探究玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响规律[4]，本文以掺加玄武岩纤维后骨料的总量、砂率和石子中细石所占的比例作为调整的参数，对混凝土配合比进行正交试验，通过检测试块抗压强度，选出最优配合比，为玄武岩纤维混凝土中砂石用量的调整提供一定的理论依据。

1 试验研究

1.1 混凝土原材料与配合比

本试验采用P·O42.5水泥、F类Ⅱ级粉煤灰、细度模数为2.6的Ⅱ区中砂、粒径为5～10mm的连续级配细石、粒径为5～20mm的连续级配碎石、聚羧酸高性能减水剂、普通自来水。基准混凝土配合比如表1所示。

表1 玄武岩纤维混凝土基准配合比（单位：kg）

1.2 试验影响因素选择

为探究骨料总量、砂率和石子中细石所占的比例对混凝土性能造成的影响，从而初步获得掺入玄武岩纤维后骨料体系的调整趋势而设计正交试验，验证骨料中各因素对混凝土性能的影响水平，见表2。

1.3 混凝土配合比计算

按照表2中的参数设计的配合比见表3。

表2 因素-水平表

表3 混凝土配合比（单位：kg）

1.4 试验方法

玄武岩纤维混凝土抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm，试验按《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）[5]进行。搅拌时使用强制式搅拌机，投料顺序为砂、石子、水泥、粉煤灰，干料先搅拌30s，搅拌均匀后再加入玄武岩纤维，再搅拌30s，最后加入水和外加剂搅拌2min；试件成型后至拆模前置于温度为20±5℃、相对湿度大于50%的室内，试件拆模后即转入标养室进行标准养护。

2 试验结果与分析

各配合比试块成型时，均留置5 组试块，分别检测1d、3d、7d、14d、28d 的抗压强度，主要分析28d 抗压强度，混凝土抗压强度见表4。28d 抗压强度极差和方差分析见表5、表6。

表4 混凝土立方体抗压强度值

表5 28d抗压强度极差分析

表6 28d强度方差分析

从表5 可以看出，“总容重”导致的极差最大，为2.8MPa；其次是“细石∶碎石”，为2.3MPa；最小极差为“砂率”引起的，仅0.7MPa。从表6 可以看出，“总容重”的F值也是最大，且超过了其他两项之和，但是三个因素的F 值均未超过F0.2（2,2），因此无法明确判断各因素的显著性，仅能判断“容重”和“细石∶碎石”在三项因素中属于较显著的因素。

3 结束语

本文研究了不同设计容重、砂率以及细石在石子中的比例对玄武岩纤维混凝土强度的影响，并进行主次因素的排序，找到最优配合比及调整思路，结论如下：

（1）玄武岩纤维混凝土抗压强度按影响效果的显著程度大小排序为：设计容重＞细石∶碎石＞砂率；其中设计容重在其中的效果最为明显，且F值高于其他两者之和。

（2）经过验证，各组配比的实际容重均为2370kg/m3左右，与设计容重2400kg/m3有1.25%的误差，虽然位于2%的误差范围内，但由于玄武岩纤维的掺入，使得混凝土的工作性和强度都更敏感，因此，保持合理的容重也是保证玄武岩纤维混凝土抗压强度的关键因素。

（3）当水泥用量、用水量、粉煤灰用量以及外加剂用量固定为表1中的值时，综合判断最佳设计方案为容重2380kg/m3，砂率43%，细石∶碎石=50∶50；但是混凝土作为多相多组分的材料，属于比较复杂的体系，且不具备重复试验的条件，因此，正交试验仅可筛选主次要影响因素，全面试验才可以找出最佳的混凝土配合比。