玄武岩纤维水泥混凝土配合比方案研究

程　盛

(湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙　410005)



玄武岩纤维水泥混凝土配合比方案研究

程盛

(湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙410005)

近年来，随着材料科学的飞速发展，新型材料被不断应用在各个领域。玄武岩纤维水泥混凝土以其优异的抗早期裂缝性能、工作性及耐磨性而受到诸多土木科研学者的关注。通过采用3水平4因素正交试验，结合3项性能指标对玄武岩纤维水泥混凝土的配合比进行研究，结合正交试验和值、极差和图形对其进行综合分析，得出不同因素对不同指标性能的影响规律并确定最优综合配比。

；玄武岩纤维水泥混凝土；正交试验；极差分析；相对最佳配比

0　引言

随着“建设两型社会”战略的提出，绿色、环保的建筑材料受到各行各业的青睐。玄武岩纤维(Basalt Fibre，简称BF)是由天然火山岩为原材料，经过1 500 ℃的高温熔融后，通过喷丝拉拔工艺制成，是一种绿色环保高性能建筑材料。将其掺入到水泥混凝土中，能有效地增强其力学强度，改善其耐磨等多种路用性能。但目前对玄武岩纤维水泥混凝土的配制方法还没有形成系统上的定论，其生产配合比严重依赖于配置人员的实际经验，缺乏较合理的依据。随着外加剂、改性掺料的掺入使玄武岩纤维混凝土的配制更加复杂。选用正交试验进行配比，不仅能了解各影响因素对指标的影响，同时还能大大减少工作量，是研究最优配比的最佳方法。

1　原材料性能试验

1.1水泥

水泥作为混凝土的重要组成部分，遇水形成的水泥浆体硬化前起润滑作用，使拌合物具有良好的和易性，硬化后胶结骨料，将其胶结为一个整体。而在研究试验中采用湖南某水泥公司生产的袋装P.O42.5普通硅酸盐水泥，其检测结果见表1。

表1 P.O42.5水泥物检结果类别细度/(m2·kg-1)标准稠度用水量/%凝结时间/min初凝终凝安定性/mm抗折强度/MPa抗压强度/MPa3d28d3d28d规范要求≥300/≥45≤600C-A≤5≥3.5≥6.5≥17.0≥42.5检验数据39226.7222312C-A=0.95.87.827.444.1

1.2集料

集料是混凝土的重要组成成份。粗集料是混凝土的主要受力载体，起到骨架支撑的作用。而细集料是增加混凝土的耐久性、工作性的重要因素。研究试验采用的为某碎石厂生产的袋装粗集料、细集料。碎石分别由4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm三档料按2∶2∶6混合而成。合成级配碎石表观密度为2.682 kg/m3，含泥量为0.6%，针片状含量为6.4%，压碎值为20.5%。细集料根据筛分结果，经公式计算，其细度模数为2.42。其筛分数据如表2、表3。

1.3玄武岩纤维

本研究试验采用的玄武岩纤维为浙江某玄武岩有限公司提供。研究试验中玄武岩纤维采用以水泥质量百分比外掺的形式进行掺入。其样品指标检测结果见表4。

表2 合成级配碎石筛分结果表材料/mm配合成分/%通过下列筛孔(mm)重量百分数/%37.531.526.519169.54.752.3619～26.56010093.658.822.04.00.90.20.29.5～192010010010082.258.28.10.70.24.75～9.52010010010010010092.78.10.7合成级配10096.275.349.634.0 20.7 1.90.3

表3 河砂筛分结果筛孔直径/mm各筛留存质量/g分计筛余/%累计筛余/%通过率/%9.55.61.121.198.94.7532.16.427.592.52.3653.810.7618.381.71.1861.4512.2930.669.40.668.913.7844.455.60.3135.527.171.528.50.15118.023.695.14.9<0.1524.654.93100/

表4 玄武岩纤维检测结果类别密度/(g·cm-3)含水率/%公称长度/mm公称直径/μm规范要求2.60～2.80≤0.220～350～25检验数据2.6230.10023.28.3

1.4外加剂

研究试验所用减水剂为重庆某有限公司所产缓凝型高性能减水剂。本减水剂实际减水率为28%，试验确定减水剂用量为1%，各项检测指标经检测合格(表5)。

表5 减水剂技术指标检测结果类别减水率/%泌水率比/%凝结时间之差/min抗压强度比/%7d28d技术要求≥25≤70>90≥140≥130检测数据2835122148135

2　正交试验设计及试验数据采集

以水灰比、水泥用量、砂率、玄武岩纤维作为影响因素，其各影响因素设计表见表6。

表6 玄武岩纤维正交试验设计表水平数影响因素W/CSP/%C/(kg·m-3)XWY/%Ⅰ0.38344100.1Ⅱ0.42354500.2Ⅲ0.5365000.3 注:W/C为水灰比,SP为砂率,C为水泥用量,XWY为玄武岩纤维掺量百分比。

玄武岩纤维水泥混凝土各试件材料掺量正交表L9(34)如表7所示。

表7 玄武岩纤维水泥混凝土各材料掺量正交表L9(34)编号水泥/kg水/kgW/C砂/kg碎石/kg砂率/%玄武岩纤维/%外加剂/%14101560.385581083340.1124501890.425831083350.1135002500.56091083360.1144501710.386091083360.2155002100.425581083340.2164102050.55831083350.2175001900.385831083350.3184101730.426091083360.3194502250.55581083340.31

配比计算从实际出发，选用在标准条件下养护至28 d龄期试件的抗弯拉强度、抗压强度、耐磨性能这3项指标进行和值、极差综合分析。试验数据见表8。

表8 正交试验数据表编号抗弯拉强度抗压强度单位面积磨耗量试验值/MPa均值/MPa方差试验值/MPa均值/MPa方差试验值/(kg·m-2)均值/(kg·m-2)方差17.8128.8639.2248.7459.2668.8279.0988.5399.178.830.2137.241.244.842.243.841.443.539.744.542.036.121.7941.7651.8001.7021.7341.6791.7131.6431.6351.720.004

3　正交试验数据分析及最佳配合比确定

3.1和值均值统计分析

根据试验数据，计算出不同因素、不同水平下的和值。见表9。

表9 水平因素和值统计表指标影响因素水泥用量/kg玄武岩纤维掺量/%水灰比砂率/%I1-弯拉强度25.225.925.626.2I2-弯拉强度27.126.826.727.1I3-弯拉强度27.226.827.226.1I1-弯拉强度平均8.48.68.58.7I2-弯拉强度平均9.08.98.99.0I3-弯拉强度平均9.18.99.18.7I1-抗压强度118.3123.2122.9125.5I2-抗压强度127.9127.4124.7126.1I3-抗压强度132.1127.7130.7126.7I1-抗压强度平均39.441.141.041.8I2-抗压强度平均42.642.541.642.0I3-抗压强度平均44.042.643.642.2I1-耐磨性能5.1165.3595.2095.163I2-耐磨性能5.1025.1155.1425.157I3-耐磨性能5.2474.9915.1145.145I1-耐磨性能平均1.7051.7861.7361.721I2-耐磨性能平均1.7011.7051.7141.719I3-耐磨性能平均1.7491.6641.7051.715

根据表9绘制各指标随因素水平变化规律图，根据公式(1)计算出各指标各影响因素在不同水平下的差值：

σk-影响因素平均=Ik-影响因素平均-I影响因素平均

k=1，2，3

3.2抗弯拉强度指标分析

通过图1、表10可以得出，玄武岩纤维水泥混凝土抗弯强度在4种因素的影响下其变化规律如下所述：

1) 水泥用量的增加与试件抗弯拉强度存在显性递增关系。证明玄武岩纤维混凝土抗弯拉强度主要是由水泥浆体硬化生成，其影响极差最大，为0.68。

2) 抗弯拉强度随纤维掺量的水平数而增加。玄武岩纤维在水泥混凝土中形成致密、乱向分布的网状结构支撑体系，而纤维上所附带的水化产物能与水泥浆体有着更好的结合，从而提升了试件的力学强度，影响极差为0.31。

3) 而水灰比方面，弯拉强度随着水灰比水平的增加而增加。充分的水化反应能产生更多的水泥浆体，能将集料更好地胶结在一起。增加新拌试件的工作性，不显干涩。而砂率的影响因素曲线为先升高后降低。由于砂率的提高，不断提升试件密实程度，致使试件更加密实，从而力学强度得到提升。当砂率继续增加时，而作为主要承载主体的碎石质量开始降低，故抗弯拉强度开始降低。

图1　因素水平对抗弯拉强度的影响

表10 不同因素下抗弯拉性能极差数据表影响因素水平1水平2水平3最大值最小值极差水泥用量-0.450.210.240.24-0.450.68玄武岩纤维掺量-0.200.110.100.11-0.200.31水灰比-0.290.050.240.24-0.290.52砂率-0.090.21-0.120.21-0.120.33

3.3抗压强度指标分析

通过图2、表11可以得出，玄武岩纤维水泥混凝土抗压强度在4种因素的影响下其变化规律如下所述：

1) 水泥用量与抗压强度的线性关系非常明显。在此系列试件配比中，水泥用量是抗压强度形成的重要因素，极差仍最大，为4.6。

2) 玄武岩纤维水平1对试件抗压强度的形成起到了促进作用，将适当的玄武岩纤维掺入到试件中，起到类似“加筋”的作用，但随着掺量的不断增加，一定程度上影响了水泥混凝土三相的分散，特别是气相。致使试件空隙率略有提升，导致力学强度下降。

3) 水灰比对抗压强度的影响类似于对抗弯拉强度的影响。水平数的影响也较大，极差为2.60。3种砂率的选择对抗压强度的影响较小。说明取水平1的砂率就能保证试件的工作性。

图2　因素水平对抗压强度的影响

表11 不同因素下抗压性能极差数据表影响因素水平1水平2水平3最大值最小值极差水泥用量-2.600.602.002.00-2.604.60玄武岩纤维掺量-0.970.430.530.53-0.971.50水灰比-1.07-0.471.531.53-1.072.60砂率-0.200.000.200.20-0.200.40

3.4耐磨性能指标分析

通过图3、表12可以得出，玄武岩纤维水泥混凝土耐磨性能在4种因素的影响下其变化规律如下所述：

1) 试件耐磨性能随水泥用量水平数的增加出现了先降低后升高的趋势。试件因水泥浆体的不足很难完好地胶结在一起，而水泥用量的增加，保证水泥浆体的情况下，使试件胶结完好，所以磨耗量出现降低。当水泥用量的继续增加，过多浆体极易磨损，故单位面积磨耗量增加。

2) 玄武岩纤维的掺入显著地降低了水泥混凝土试件的单位磨耗量。随着水平数的提升，降低幅度开始减少。极差为0.123，是4种影响因素中对耐磨性能影响最大的因素。

3) 试件耐磨性能随水灰比水平数的增加呈降低趋势，整体下降幅度较小。水灰比的增加能够更好地保证试件的胶结，从而达到降低磨耗量的目的。而砂率对耐磨性能的影响很少，极差仅为0.006。在工作性得到保证的同时，选择较低的砂率既没有对耐磨性能造成较大的影响，同时还降低了生产成本。

图3　因素水平对耐磨性能的影响

表12 不同因素下耐磨性能极差数据表影响因素水平1水平2水平3最大值最小值极差水泥用量-0.013-0.0180.0310.031-0.0180.048玄武岩纤维掺量0.068-0.013-0.0550.068-0.0550.123水灰比0.018-0.004-0.0140.018-0.0140.032砂率0.0030.001-0.0030.003-0.0030.006

3.5相对最佳配合比的确定

再对试验数据进行和差、极差分析时，都只有对单一指标进行评价。而各指标对应配合比又各不相同。为兼顾各项指标，找出最平衡的掺配方案，就需要对各配合比进行微调。而各指标对应的最佳配合比如表13。

表13 各指标最佳配比综合表指标影响因素最佳水泥用量水平数最佳玄武岩纤维掺量水平数最佳水灰比水平数最佳砂率水平数抗弯拉强度3232抗压强度3233耐磨性能2333

表13只是单纯地从数据上进行了分析，但从图1、图2上可以看出，当水泥用量为水平数2时，其相对于水平数3降低幅度较小，所以水泥用量水平数选用2；在抗弯拉强度、抗压强度方面，玄武岩纤维掺量水平数从2增到3上，都未能对这两种指标造成显著的影响，而耐磨性能方面水平3相对于水平2有较大的提升，故玄武岩纤维水平数采用3；而砂率对3种指标造成的影响均有限，同时砂率取2时，抗弯拉强度达到最大，故砂率水平数取2。所以最终确定的配合比见表14。

表14 每1m3玄武岩水泥混凝土各材料消耗量水泥/kg水/kg水灰比砂/kg4502250.5583碎石/kg砂率/%玄武岩纤维/%外加剂/%1083350.31

4　结论

通过正交试验对玄武岩纤维水泥混凝土配合比进行了设计，通过结合正交试验和值、极差分析、图表变化规律分析探究出相对最佳配合比。力学强度的提升及耐磨性的改善，延长了路面的服务寿命，同时也验证了玄武岩纤维水泥混凝土在路面材料领域中有着更广阔的前景。

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2016-07-20

程盛(1984-)，男，工程师，主要从事高速公路建设与管理。

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