隔热纤维混凝土力学性能研究

樊文广

（同济大学土木工程系，上海 200082）

0 引言

随着我国基础设施建设技术的不断进步相应地对混凝土的性能提出了更高的要求，如在保证混凝土强度足够高的同时，尽量具有轻质化、性价比高、有更好的韧性、耐久性等性能。而将高性能纤维增强材料按照一定的掺量加入传统混凝土中形成的纤维基混凝土，其众性能都优于传统混凝土[1]。如彭苗等[2]的研究表明，玄武岩纤维混凝土在抗压强度、抗拉强度、抗折强度上要优于传统混凝土；赵卓等[3]的研究表明，掺聚乙烯醇纤维（以下简称PVA纤维）混凝土的韧性和抗拉性等性能有所提高。但加入某种纤维只能定向改善或者加强混凝土的某项性能，而掺入两种及两种以上不同性能的纤维时，由于不同纤维在混凝土中发挥增强增韧的作用的时候是处于不同的受荷阶段和不同的结构层次，故能综合改善或者加强混凝土的多项性能[4-5]。

陶粒混凝土作为一种轻骨料混凝土，虽具有自重小、环保经济等优点，但其抗折强度和抗拉强度相对较低[7]。由于玄武岩纤维和PVA纤维本身具有优越的力学性能，笔者通过在陶粒混凝土中掺入适量纤维用于提高其力学性能和导热性能，且造价较为低廉。正交试验是一种通过多因素多水平实验从而降低实验成本和实验复杂程度并且能够达到实验目的有效方法。本文以正交试验为研究方法，辅以玄武岩纤维、PVA纤维和陶粒三种物质的掺量对混杂纤维混凝土力学性能和导热系数的影响为研究内容。设计出三因素三水平的正交实验设计，通过极差与方差分析，得出影响其性能的因素和掺量。

1 试验部分

1.1 原材料

本文实验采用八公山牌P.O42.5级普通水泥使用木电厂生产的以及粉煤灰替代部分水泥从而降低混凝土水化热；砂子选普通中砂，并使用表观密度为2543kg/m3的陶砂代替部分细集料。粗骨料选取平均粒径为12mm的卵石并使用表观密度为600kg/m3的陶粒替代部分卵石。玻化微珠采用淮南某公司生产，用与增加混凝土保温隔热的能力，在使用前需进行淋水处理。玄武岩纤维的物理及力学性能如表1所示。PVA纤维的性能参数如表2所示。

表1 武岩纤维物理及力学性能

表2 PVA纤维性能参数

1.2 试验设计

根据混凝土设计规范计算得到基准混凝土的配比为水泥:砂子:石子:水=1:1.75:1.75:0.45。本次试验其主要考虑因素和水平为：陶粒掺量A（7%、14%、21%）；玄武岩纤维掺量B（0.1%、0.2%、0.3%）；PVA纤维掺量C（0.1%、0.2%、0.3%）。根据用正交表安排试验的原理，取用9组配合比，其1m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比 单位：kg·m-3

1.3 试块制备

根据《混凝土结构设计规范》要求，利用卧式搅拌机进行试块制备，首先加入粗细骨料与各种纤维进行干拌，拌匀后分三次将水与减水剂倒入搅拌机中进行湿拌。之后将制成的试块以标准养护条件下进行28d养护。

2 实验结果与分析

本文通过使用电液伺服万能试验机和导热系数测定仪对所制备混杂纤维混凝土的力学性能和导热系数进行测量，结果如表4所示。然后对试验结果进行极差分析和方差分析，分析结果如表5～表6所示。

表4 试验测定结果

表5 极差分析

表6 方差分析

2.1 抗压强度

由表5和表6可知：①对混凝土的抗压强度的影响程度最大的是玄武岩纤维，且为高度显著性影响因素；PVA的影响程度次之且为显著性影响因素；陶粒掺量的影响程度最小且为不显著性影响因素；②陶粒掺量从7%增加到14%，抗压强度降低3.19%；从14%增加到21%，抗压强度降低7.23%；③玄武岩掺量从0.1%增加到0.2%，抗压强度提高0.070%；从0.2%增加到0.3%，抗压强度降低15.30%；④PVA掺量从0.1%增加到0.2%，抗压强度降低10.60%；从0.2%增加到0.3%，抗压强度增加7.94%。

试块抗压强度随着玄武岩纤维的掺入呈现出先增加后降低的趋势，说明合理的玄武岩纤维掺入量可有效改善混凝土的抗压性能，而掺入量过高时却适得其反，抗压性能反而下降。其原因主要是因为在混凝土形成初期，由于内部水化反应未完全进行，导致体积发生收缩从而出现微裂缝。掺入适量玄武岩纤维之后，当裂缝出现时，分散均匀的玄武岩纤维既可以通过桥接裂缝来传递荷载，减少应力集中并减缓裂缝的进一步扩大，同时又可以与混凝土基体形成一定量的粘接力，可以提高混凝土的抗裂性能。另外，纤维在混凝土内部所形成的非定向支撑体系可以帮助分担混凝土承力骨架的。故适量的掺入量可有效提高混凝土抗压性能。但过多的纤维却在混凝土内部成团聚集，使内部微裂缝和气孔增加并形成应力集中点，反而导致抗压强度降低。

2.2 抗拉强度

由表5和表6可知：①对试块抗拉性能的影响程度最大的是陶粒掺量，且为高度显著性影响因素；PVA掺量的影响程度次之且为高度显著性影响因素；玄武岩掺量的影响程度最小且为显著性影响因素；②陶粒掺量从7%增加到14%，抗拉强度降低8.97%；从14%增加到21%，抗拉强度降低19.51%；③玄武岩掺量从0.1%增加到0.2%，抗拉强度降低2.83%；从0.2%增加到0.3%，抗拉强度降低5.24%；④PVA掺量从0.1%增加到0.2%，抗拉强度降低4%；从0.2%增加到0.3%，抗拉强度降低13.83%.

由于试块受拉产生裂缝之时，裂缝会先沿着混凝土内部薄弱区，即粗骨料与砂浆的连接处发展，故砂浆基体与骨料的粘结强度显著影响试块的抗拉强度。随着混凝土外部所受荷载的增大，粗骨料作为主要的承力会先被拉断，出现微小裂缝，而由于陶粒的内部结构为细密蜂窝状微孔，导致陶粒受拉时会产生应力集中现象，孔洞边缘受集中力的作用首先发生破坏。且陶粒相比于普通石子其强度较低。故随着陶粒掺量的增加，相比于传统混凝土，陶粒混凝土的主要承力结构强度减小，抗拉强度逐渐降低。

2.3 抗剪强度

由表5和表6可知：①对试块抗剪强度的影响程度最大的是玄武岩掺量，且为高度显著性影响因素；陶粒掺量的影响程度次之且为显著性影响因素；PVA掺量的影响程度最小且为显著性影响因素；②陶粒掺量从7%增加到14%，抗剪强度降低14.02%；从14%增加到21%，抗剪强度降低7.07%；③玄武岩掺量从0.1%增加到0.2%，抗剪强度降低21.09%；从0.2%增加到0.3%，抗剪强度增加3.14%；④PVA掺量从0.1%增加到0.2%，抗剪强度降低5.35%；从0.2%增加到0.3%，抗剪强度降低1.65%。

由于混凝土的强度和弹性模量随着陶粒体积掺量的增加呈现逐渐减小的趋势，而玄武岩纤维和PVA纤维的掺入会在空间组成网状结构，在混凝土受到剪切力作用下发生横向变形时，网状结构能增强其抗裂性，降低变形量，从而增加其抗剪强度，所以造成试块抗剪强度降低的主要原因是陶粒掺量的增加。从表5可知，试块的抗剪强度随着玄武岩掺量的增加呈先降低后提高的趋势，随着PVA掺量的增加逐渐降低，但降低的幅度明显减小，证明了两种纤维的增加可以改善陶粒混凝土的抗剪强度。

2.4 导热系数

由表5和表6可知：①对试块导热系数的影响程度最大的是陶粒掺量，且为高度显著性影响因素；PVA纤维掺量的影响程度次之且为高度显著性影响因素；玄武岩掺量的影响程度最小且为不显著性影响因素；②陶粒掺量从7%增加到14%，导热系数提高0.35%；从14%增加到21%，导热系数降低5.25%；③玄武岩掺量从0.1%增加到0.2%，导热系数提高1.46%；从0.2%增加到0.3%，导热系数降低1.25%；④PVA掺量从0.1%增加到0.2%，导热系数降低1.01%；从0.2%增加到0.3%，导热系数降低1.42%。

陶粒内部由于空气被包裹进壳内而形成许多封闭的微孔，使其内部呈现蜂窝状，掺入混凝土之后可增加混凝土的含气量，也相当于减小了混凝土的气孔尺寸和增多了混凝土的气孔数量，而上述的变化均能有效降低混凝土的导热系数，故陶粒掺量的增加会导致试块导热系数的不断下降。

3 结论

（1）陶粒掺量高度显著性影响着混凝土的导热系数和抗拉强度，且随着陶粒掺量的增加，混凝土导热系数和抗拉强度均减小。因此陶粒掺量不宜过高，但建议在满足强度要求的前提之下可尽量提高陶粒掺量，从而改善混凝土的保温隔热的能力。

（2）玄武岩掺量高度显著性影响着混凝土的抗压和抗剪强度。PVA掺量高度显著性影响着混凝土的抗拉强度和导热系数。在适宜的掺量范围内，这两种纤维的掺入能改善陶粒混凝土的力学性能，但若掺量过高则会由于纤维结团出现负效应反而使混凝土的力学性能有所降低。

（3）由于玄武岩掺量对抗压性能的影响最大，且当玄武岩纤维掺量为0.2%时，混凝土的抗压强度最大。故对于抗压强度而言，玄武岩-PVA混杂纤维混凝土的合理掺量（以下简写为（陶粒掺量，玄武岩掺量，PVA掺量））为（14%、0.2%、0.3%）。同理得对于抗拉强度而言，合理掺量（7%、0.1%、0.1%）；对于抗剪强度而言，合理掺量为（7%、0.1%、0.1%）；对于导热系数而言，合理掺量（21%、0.1%、0.1%）。