玄武岩纤维高性能混凝土力学性能正交试验研究

陈 峰， 陈 欣

(福州大学 环境与资源学院, 福建 福州 350108)

纤维混凝土在土木工程中的应用已经越来越广泛[1，2]，而玄武岩纤维(basalt fiber)作为一种新型无机纤维材料，其抗拉强度高、弹性模量大、耐腐蚀和化学稳定性好[3]，并且造价低廉，将其应用于增强混凝土中，纤维通过桥接裂缝可提高混凝土基体的韧性、抗压强度和抗拉强度，使混凝土所固有的脆性问题能得到改善[4,5]。但掺入纤维后会降低混凝土的流动性，影响到混凝土浇筑质量，因此需要配制玄武岩纤维高性能混凝土来同时提高混凝土施工质量及耐久性。目前关于玄武岩纤维混凝土的研究也成为了国内外的热点[6～10]，但有关玄武岩纤维高性能混凝土的研究还较少。本文通过正交试验的方法，研究了纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量、砂率和用水量对混凝土强度和工作性的影响，找到了最优的玄武岩纤维高性能混凝土配合比，并提出了相应的强度和工作性的预测模型。

1 正交试验设计

1.1 试验原材料

原材料采用福建炼石水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用花岗岩碎石，料径分布为8～20 mm；闽江中砂；清洁自来水；浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维(纤维长度为24 mm、纤维直径为17 μm)；福建永安发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；聚羧酸系高效减水剂(掺量为胶凝材料用量的1.1%)。

1.2 试验影响因素选择

正交试验中的因素是指可能对试验指标产生影响的原因，水平就是因素在试验中所处的状态和条件。根据国家规范GB/T 23265-2009《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》以及CECS 207:2006《高性能混凝土应用技术规程》的要求，本文选择了玄武岩纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量、砂率和用水量这五个因素进行研究，并且每个因素选择4个水平。根据选择的因素及水平，制作了因素-水平表(见表1)。试验指标是混凝土28 d抗压强度、28 d抗折强度和混凝土坍落度这三个方面。

表1 因素-水平

1.3 正交试验结果

本研究是5因素4水平试验，不考虑因素之间的交互作用，因此采用L16(45)正交表来安排试验。将(A)玄武岩纤维掺量、(B)水胶比、(C)粉煤灰掺量、(D)砂率、(E)用水量这五个因素放在正交表的表头上，这就形成了正交表2。

立方体抗压强度试验采用标准立方体试块150 mm×150 mm×150 mm，抗折试件尺寸为150 mm×150 mm×550mm，搅拌混凝土时测量拌合物的坍落度，试块浇筑完24 h后才拆模，在标准条件下养护28 d，然后测试28 d抗压强度和抗折强度，试验结果见表2。从表2可以看出，混凝土的坍落度为20～24.2 cm，流动性能很好。并且在试验过程中可以观察到在提高流动性的同时，混凝土未出现离析及泌水，符合CECS 207:2006《高性能混凝土应用技术规程》的要求。

表2 试验结果分析

2 正交试验结果分析

2.1 正交试验结果极差分析

在表3中，Kij表示因素j所在的列对应水平i的试验指标数据之和，i=1，2，3，4；j=A，B，C，D，E。表中Kij、kij、Rj的相互关系为：

kij=Kij/4

(1)

Rj=max{kij,k2j,k3j,k4j}-

min{kij,k2j,k3j,k4j}

(2)

表3中，Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，也说明该因素对试验指标所起的作用越大，是重要影响因素。为更直观表现各因素水平的变化对考核指标抗压强度、抗折强度以及坍落度的影响，将因素的水平变化作为横坐标，上述4个考核指标分别为纵坐标，绘出了水平和指标关系图，见图1～3，并结合表3可得如下结论：

(1)对于玄武岩纤维高性能混凝土的抗压强度，各影响因素的极差Rj的值由大到小依次排序为：E>C>D>B>A。这说明对于抗压强度，5个因素中用水量E的影响最大，其次为粉煤灰掺量C、砂率D、水胶比B，玄武岩纤维掺量A的影响最小。用水量越大，抗压强度越小；粉煤灰的掺量超过一定的比例导致了抗压强度的降低，当粉煤灰掺量超过25%以后，抗压强度开始降低；砂率对抗压强度的影响呈波动状；当水胶比超过0.30以后，抗压强度开始降低；玄武岩纤维掺量对抗压强度的影响并不显著。

表3 试验结果极差分析

图1 各因素对抗压强度的影响

图2 各因素对抗折强度的影响

图3 各因素对坍落度的影响

(2)对于玄武岩纤维高性能混凝土的抗折强度，各影响因素的极差Rj的值由大到小依次排序为：A>E>D>B>C。这说明对于抗折强度，5个因素中玄武岩纤维掺量A的影响最大，其次为用水量E、砂率D、水胶比B，粉煤灰掺量C的影响最小。由图2可知，当玄武岩纤维掺量超过1.0 kg/m3以后，抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增加而升高；当用水量超过170 kg/m3以后，抗折强度开始升高；砂率对抗折强度的影响呈波动状；水胶比与抗折强度成线性比例关系，水胶比越大，抗折强度越大；粉煤灰掺量超过一定的比例会导致抗折强度的降低，当粉煤灰掺量超过25%以后，抗折强度开始下降。

(3)对于玄武岩纤维高性能混凝土的坍落度，各影响因素的极差Rj的值由大到小依次排序为：E>A>B>D>C。这说明对于坍落度，5个因素中用水量E的影响最大，其次为玄武岩纤维掺量A、水胶比B、砂率D，粉煤灰掺量C的影响最小。由图3可以看出，用水量和玄武岩纤维掺量影响坍落度较显著，其中玄武岩纤维掺量超过1.0 kg/m3以后，坍落度开始降低；水胶比和砂率对坍落度的影响呈波动状；粉煤灰掺量对坍落度的影响甚微。

2.2 正交试验的功效系数分析

为直观体现各因素水平的变化对考核指标玄武岩纤维混凝土强度的影响，将因素的水平变化作为横坐标，考核指标ki作为纵坐标，绘出了水平和指标关系(图4)。

分析表4中的极差Rj的大小并结合图4可以得到以下结论：

表4 正交试验结果功效系数分析表

图4 考核指标ki与水平的关系

(1)对于玄武岩纤维高性能混凝土的综合性能，各影响因素的极差Rj的大小由大到小依次排序为：A>C>E>B>D。这说明对玄武岩纤维高性能混凝土来说，5个因素中玄武岩纤维掺量A的影响最大，其次为粉煤灰掺量C、用水量E、水胶比B，砂率D的影响最小。玄武岩纤维掺量显著影响着玄武岩纤维高性能混凝土的综合性能，并与混凝土的综合性能成线性关系，玄武岩纤维掺量越多，混凝土的综合性能越好；粉煤灰掺量对混凝土的综合性能的影响呈波动状；用水量是165 kg/m3时，混凝土的综合性能最差，用水量超过这个水平后，混凝土的综合性能开始升高；水胶比对混凝土的综合性能的影响呈波动状；砂率与混凝土的综合性能成线性关系，砂率越大，混凝土的综合性能越差。

(2)在五个因素影响下的玄武岩纤维高性能混凝土的综合性能的最优配合比为(用A～E的五个字母依次分别表示玄武岩纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量、砂率、用水量，下标则表示水平数)：A4C3E1B4D1。即最优的混凝土材料选择应该是：玄武岩纤维掺量为1.2 kg/m3、粉煤灰掺量为25%、用水量为160 kg/m3、水胶比为0.32、砂率为38%。

3 试验结果的线性回归分析

本文利用统计软件SPSS 13.0进行多元线性回归分析，得到了各指标的方差分析表。假设线性回归模型为：

y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5+ε

(3)

其中，βi(i=0,1,…,5)为回归系数；ε为试验误差；y为因变量(y1为抗压强度、y2为抗折强度、y3为坍落度)；x1为玄武岩纤维掺量；x2为水胶比；x3为粉煤灰掺量；x4为砂率；x5为用水量。将试验数据代入回归模型中，得到各因变量的方差分析表(表5～7)和关于β的最小二乘估计：

表5 抗压强度方差分析

β=[177.299，1.663，-39.325，0.067，-0.081，-0.639]，则回归方程为：

y1=177.299+1.663x1-39.325x2+0.067x3-0.081x4-0.639x5

(4)

表6 抗折强度方差分析

β=[-1.112，4.307，17.675，-0.014，-0.040，-0.007]，则回归方程为：

y2=-1.112+4.307x1+17.675x2-0.014x3-0.040x4-0.007x5

(5)

表7 坍落度方差分析

β=[-17.675，3.425，8.750，0.048，-0.029，0.199] ，则回归方程为：

y3=-17.675+3.425x1+8.750x2+0.048x3-0.029x4+0.199x5

(6)

用F检验方法检测回归方程的显著性，如果自变量和因变量的线性关系显著，那么回归系数不全为0，否则就全为0。即检验假设为H0：β1=β2=β3=β4=β5=0，H1：β1、β2，…，β5不全为0。对于给定的显著性水平α=0.05，查表得到Fα(k,n-k-1)=F0.05=3.33。抗压强度、抗折强度和坍落度对应的F值依次分别为：3.594、3.550和3.574，均大于F0.05(5,10)=3.33，则拒绝原假设，因此原假设多元线性回归模型都合理。而且因变量和自变量之间的关系均符合线性关系，以得到的线性回归预测模型对试验的结果进行预测。

4 结 论

(1)对于玄武岩纤维高性能混凝土的抗压强度，按各影响因素的作用大小依次排序为：用水量>粉煤灰掺量>砂率>水胶比>玄武岩纤维掺量；对于玄武岩纤维高性能混凝土的抗折强度，按各影响因素的作用大小依次排序为：玄武岩纤维掺量>用水量>砂率>水胶比>粉煤灰掺量；对于玄武岩纤维高性能混凝土的坍落度，按各影响因素的作用大小依次排序为：用水量>玄武岩纤维掺量>水胶比>砂率>粉煤灰掺量。

(2)对于玄武岩纤维高性能混凝土的综合力学性能和工作性能，按各影响因素的作用大小依次排序为：玄武岩纤维掺量>粉煤灰掺量>用水量>水胶比>砂率。在本文研究范围内，玄武岩纤维高性能混凝土的最优配合比为：玄武岩纤维掺量为1.2 kg/m3、粉煤灰掺量为25%、用水量为160 kg/m3、水胶比为0.32、砂率为38%。

(3)通过对试验结果的多元线性回归分析，可得到强度和工作性的回归方程，且回归方程的回归项和常数项的显著性都非常明显，因变量和自变量之间都符合线性关系，因此可以利用预测模型对玄武岩纤维高性能混凝土的配合比试验进行预测。

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