不同纤维形状SFRC抗压强度的正交试验研究

周楠　贾风辉　王超　乔一

摘 要：选取水胶比、砂率、钢纤维体积产量和钢纤维形状共4个因素分4个水平，通过正交试验方法研究了不同钢纤维形状的钢纤维混凝土（SFRC）静态抗压强度的差异，并进行最优化分析。结果表明，试验范围内，掺量越高越好，水胶比和砂率两种因素均存在最优水平；不同类型的钢纤维对混凝土抗压强度的影响各异，其中以弓形钢纤维的增强效果最好，其次是平直形钢纤维，压棱形和波纹形对抗压强度的提高效果均不太明显。

关键词：钢纤维混凝土；正交试验；抗压强度；钢纤维形状

中图分类号：U444 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）08-111-02

引言

已有研究表明，较普通混凝土而言，钢纤维混凝土能将抗压强度提高0～25%之间，但抗压韧性却大幅度提高，不同类型的钢纤维对混凝土抗压强度的增强效果也各不相同。本文通过MTS815电液伺服岩石力学试验系统上进行全应力-应变曲线试验，探究各正交因素对钢纤维混凝土抗压性能的影响。

1 试验方案和试验装置

1.1 正交试验设计

钢纤维混凝土组成材料较多，影响因素比较复杂，试验周期较长，按常规的试验方法很难在较短时间内找出既符合设计和施工要求又经济合理的最佳试验组合。因此，采用正交试验来分析各个因素对钢纤维混凝土的强度的影响规律，既能减少试验次数，又能提供足够丰富的试验信息，并得到全面的结论。

正交表的选择原则是在能够安排试验因素和交互作用的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少试验次数。本文考察的正交因素有水胶比、砂率、钢纤维体积产量和钢纤维形状共4个因素，各因素相互独立。依据以上原则和条件，选用正交表L16（45）安排试验。正交因素水平表如表1所示。

1.2 试件材料和装置

本文钢纤维混凝土的材料组分主要包括：徐州中盛水泥有限公司生产的P.C 42.5级复合硅酸盐水泥、徐州当地碎石，取样10～20mm作为粗集料、常规建筑用II类砂标准，细度模数2.6的中砂、北京科宁的“聚羧酸”减水剂、徐州市自来水，以及上海盾坚钢纤维厂生产的平直形、压棱形、弓形、波纹形钢纤维。

试验采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统（见图1）进行钢纤维混凝土的抗压强度试验。该系统由美国MTS公司生产，包括加载系统、控制器、测量系统等部分，其轴向最大垂直压力1700kN，加载速率范围10-2～10-7s-1，最大围压45MPa，属当前较先进的室内岩石力学试验设备之一。Station Manage软件操作界面见图2。

2试验结果和数据分析

本文依照《钢钎维混凝土试验方法》共进行16组试验，实测48块试件的静态抗压强度值。试验结果如表2所示。

本试验中，M-10组的静态抗压强度最大，达到了80.4MPa。极差从大到小排列即得到影响钢纤维混凝土强度各因素的主次排序。根据表3中的极差计算结果可知，在本试验中钢纤维体积掺量对钢纤维混凝土的静态抗压强度影响最大，水胶比的影响次之，随后是钢纤维类型和砂率，即钢纤维体积掺量→水胶比→钢纤维类型→砂率。

通常情况下，水胶比是影响混凝土抗压强度的首要因素。而在本文的研究中，钢纤维体积掺量的影响强于水胶比，这主要是由于各因素的水平差异造成的。本文试验中水胶比的水平变化范围较小，各组间的水胶比仅相差0.03～0.04，故在极差计算时，其影响力较钢纤维体积掺量而言稍弱，但仍旧强于钢纤维类型和砂率的影响。钢纤维类型不同，纤维长径比存在差异，与混凝土中其他组分的粘结效果也有较大差异，然而，上述差异主要影响到混凝土的抗拉和抗折强度，对于抗压强度的影响不太明显。砂率主要影响钢纤维混凝土拌合物的和易性，因此对抗压强度的影响最弱。

显然，使钢纤维混凝土静态抗压强度最大的组合是A3B3C4D3，即采用水胶比0.36，砂率37，掺入体积分数2.25%的弓形钢纤维混凝土静态抗压强度达到最优。值得指出的是，在水泥标号相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料的粘结力也愈大，混凝土的强度就随之增高；但如果水灰比太小或用水量偏少，拌合物过于干硬，在一定的振动成型条件下，无法保证振实效果，混凝土中会出现较多的蜂窝、孔洞，强度也会因此下降。本试验中，水胶比较低的A1、A2两种水平下，混凝土的抗压强度下降，正是由于上述原因造成的。

4 结语

综上所述，掺入一定的钢纤维对混凝土的抗压强度有较为明显的提高，且在试验范围内，掺量越高越好。不同类型的钢纤维对混凝土抗压强度的影响各异，其中以弓形钢纤维的增强效果最好，其次是平直形钢纤维，压棱形和波纹形对抗压强度的提高效果相对而言均不太明显。而试验范围内，水胶比和砂率两种因素均有各自的最优水平，不宜过高或过低。