镀铜钢纤维水泥基复合材料正交试验分析★

瞿哲 李斌洲 詹伟 孙林柱 杨芳

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江 温州 325035)

0 引言

在土木工程领域中，我国高层建筑的迅速增加，对新型加固材料的需求更加迫切。而且在结构及桥梁改造、工程事故、特种结构工程中，新型加固材料也具有广阔的应用前景。目前工程加固的类型主要有混凝土加固、钢结构加固、碳纤维及玻璃纤维材料加固等，本研究的新型水泥基复合加固材料，抗拉强度高、施工方便，特别对受震后、超强台风后的建筑物损伤、建筑物的劣化和常规的工程质量事故等的加固，具有重要应用价值。

国内外对镀铜钢纤维复合材料研究广泛，主要集中在混凝土的加强和水泥基材料的加强方面。如江南大学同上海大屯能源股份公司合作，探讨喷射纤维混凝土在深井地下空间支护应用[1]，以及东南大学对掺有钢纤维的水泥基复合材料的抗爆炸性能的研究[2]以及北京交通大学朋改非教授对钢纤维增强水泥基抗裂性的研究[3，4]。

本研究旨在通过试验，得到可靠的正交试验数据，并通过极差分析得到各材料用量对各项指标的影响，找出各种材料的用量与其各项主要考核指标之间的关系，综合考虑各材料用量对各项指标的影响，大致得出镀铜钢纤维水泥基复合材料的最优配合比。

采用镀铜钢纤维水泥基复合材料混掺进行研究，从水泥用量、钢纤维掺入量、普通砂用量和减水剂取得量4个主要因素出发，以抗压强度、抗折强度为考核指标，采用正交方法进行试验探讨镀铜钢纤维水泥基复合材料的配比，寻求最佳试验方案，为镀铜钢纤维水泥基复合材料的进一步改进提供基础数据。

1 试验原材料组成及各原料特性

1)水泥。水泥采用浙江虎山生产的32.5普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1。

表1 32.5级普通硅酸盐水泥的物理力学性能指标

2)镀铜钢纤维。纤维直径为0.18 mm～0.23 mm，纤维长度为(13±1)mm，抗拉强度不低于2 850 MPa，简称钢纤维。

3)普通砂。普通砂采用浙江平阳生产的普通砂，其性能指标见表2。

表2 普通砂的物理力学性能指标

4)减水剂。采用的是浙江城建混凝土外加剂厂生产的可溶性树脂型高效减水剂，减水剂为半透明棕红色液体，主要成分为三聚氰胺甲醛树脂磺酸盐，含固量为30%，掺量为2%时，减水率在25%以上。

5)可再分散胶粉。采用美国国民淀粉公司生产的可再分散胶粉。

6)硅灰。硅灰为工业冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO2和Si气体，与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种镀铜硅质粉体材料，粒径为 1.06 μm ～4.88 μm。

2 正交试验分析

2.1 试验方案

通过正交表合理地安排试验，确定因素的主次，找到较好的配料范围。根据大量的资料文献和课题试验思路，考虑把水泥用量、普通砂用量、高效减水剂取得量和镀铜钢纤维掺入量作为因素考虑。其中，水泥用量取350 kg/m3，375 kg/m3，400 kg/m3三个水平;镀铜钢纤维掺入量取胶凝材料总体积的0%，2%，4%三水平;普通砂用量取 350 kg/m3，375 kg/m3，400 kg/m3三个水平;减水剂取得量取胶凝材料总掺入质量的0.2%，0.4%，0.6%三个水平，见表3。

表3 四因素三水平全面试验方案

根据试验因素及水平个数，选取正交表L9(34)来安排试验(见表4)。

表4 镀铜钢纤维水泥基复合材料L9(34)试验方案和试验结果

2.2 试验结果与分析

根据试验测试结果，可由极差分析得到各因素的影响程度。由表5分析可知对试样抗压强度的影响顺序为:A→B→C→D，即水泥影响最大，普通砂次之，减水剂比较小，钢纤维最小。水泥用量为400 kg/m3，钢纤维掺入量为4%，普通砂用量400 kg/m3，减水剂取得量为0.2%时抗压强度最大，最优配合比为A3B3C1D3。

对考核指标为抗折强度时，对其影响顺序为:D→A→C→B，即钢纤维影响最大，水泥次之，减水剂较小，普通砂最小。即水泥用量为350 kg/m3，钢纤维掺入量4%，普通砂用量为400 kg/m3，减水剂为0.6%时最大，此时的最优配比为A1B3C3D3。

表5 L9(34)正交试验结果的极差分析

从表5分析试验结果，在考虑获得较大的抗折强度的前提下，具有一定稠度和抗压强度的最优配合比是水泥用量为400 kg/m3，钢纤维掺入量为4%，普通砂用量400 kg/m3，减水剂取得量为0.2%，即为 A1B3C3D3 组。

3 结语

镀铜钢纤维水泥基复合材料中镀铜钢纤维掺入量对试样的抗压强度影响较小，说明试样在受压过程中，由于钢纤维与混凝土的界面能较小，故其限制横向变形的能力较弱，而在抗折试验中，抗折强度在一定范围内随着镀铜钢纤维掺入量的增加而有了明显的提高，主要是因为纤维与水泥基材料的结合均参与到了受力变形中并且无数镀铜钢纤维起到了钢筋的作用，延缓了裂缝的开展，故抗折强度较大。因此说明正交试验结果和实际结构基本相符。通过极差分析，表明水泥用量和镀铜钢纤维掺入量对水泥基材料的力学性能影响比较明显，其中水泥用量对抗压强度影响较大，镀铜钢纤维掺入量对抗折强度影响较大。而普通砂、减水剂对于整体的性能影响较小。试样中随着水泥用量的增加，其抗压强度有明显的提高，而钢纤维掺入量影响不大。钢纤维掺入量对提高水泥基材料的抗折强度影响较大，同时还会降低试样的稠度。

[1] 毕远志，陈季斌，张大林，等.喷射纤维混凝土在深井地下空间支护应用关键技术[J].东南大学学报(自然科学版)，2010，40(22):229－234.

[2] 戎志丹，孙 伟，张云升，等.超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能[J].爆炸与冲击，2010，30(3):232－238.

[3] 边松华，朋改非，赵章力，等.含湿量和纤维对高性能混凝土高温性能的影响[J].建筑材料学报，2005，8(3):321－327.

[4] 黄广华.PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能影响的试验研究[D].北京:北京交通大学，2010.