基于正交试验探究硅灰对混杂纤维混凝土力学性能的影响

姜君蓓 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232000）

混凝土在工程中被广泛应用于各种建筑物，例如大坝、桥梁、隧道等，然而普通混凝土本身存在着自重大、韧性差、抗拉压强度低、抗冲击性能差等缺点。为了解决这一难点，国内外学者们做了大量试验，发现在普通混凝土中加入一定量的纤维，可以改善混凝土性能，其中钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维在土木工程行业中备受关注。李德超等人通过试验发现随着玄武岩纤维的掺入，混凝土的抗压强度得到一定程度的增强，但并非成线性增长，达到增强临界值之后继续掺入玄武岩纤维，抗压强度呈下降趋势。Jince等人发现聚丙烯纤维具有强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀等优点，在沥青混凝土中掺入聚丙烯纤维可以提高抗永久变形能力。鞠彦忠斌等人研究发现掺入玄武岩—聚丙烯纤维可以有效地改善活性粉末混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。由于浅色硅灰粒径较小，可以很好地填充水泥间的缝隙，增加水泥密实性，提高混凝土强度，而将硅灰同聚玄武岩—聚丙烯纤维混合掺入混凝土的力学性能研究较少，故本文通过正交试验法探讨硅灰，按照一定比例代替部分水泥后对玄武岩—聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 使用材料

采用安徽淮南生产的“海螺”牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料采用普通中砂，粗骨料选用粒径5mm～15mm的普通碎石，浅色硅灰（S）采用由河南郑州华英净化材料提供，细度平均粒径0.1μm～0.3μm，比 表 面 积 约 20m²/g～28m²/g，其化学成分见表1所示，玄武岩纤维（B）和聚丙烯纤维（P）分别由湖南长沙汇祥纤维工厂提供，两种纤维的物理及力学性能见表2所示。

硅灰的化学组成部分 表1

玄武岩纤维和聚丙烯纤维物理及力学性能 表2

混凝土配合比试验掺量设计 表3

正交试验因素—水平表 表4

抗压强度和劈裂抗拉强度实测值 表5

抗压、劈裂抗拉强度极差结果分析 表6

1.2 试验配合比及正交试验方案

根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011），基准组设计强度为C35，其配合比为水泥、水、砂子、石子=389：210：648：1103，kg/m³浇 筑 成100mm×100mm×100mm非标准立方体，配合比详见表3所示，每组浇筑6块，3块测抗压强度，3块测抗拉强度，采用正交试验设计方法，将浅色硅灰按照水泥比例进行内掺，玄武岩纤维和聚丙烯纤维以混凝土的比例进行外掺，正交试验方案见表4所示。

2 试验结果与软件分析

2.1 抗压强度和劈裂抗拉强度确定

待试件达到28d龄期后采用微机控制电液伺服万能试验机进行单轴抗压和劈裂抗拉试验，参照规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019），抗压强度以3个试块实测强度平均值乘以尺寸换算系数0.95，抗拉强度以3个试块实测强度平均值乘以0.85的尺寸换算系数。试验抗压强度和劈裂抗拉强度实测值详见表5所示。

2.2 极差值结果分析

通过SPSS进行极差分析，由表6可得在实测28d抗压强度时，首先浅色硅灰影响最为明显，极差值R为7.2MPa；其次玄武岩纤维，极差值R为2.5MPa；影响最小的是聚丙烯纤维，极差值R为0.5MPa。对于劈裂抗拉强度，首先玄武岩纤维影响最为明显，极差值R为1.1MPa；其次聚丙烯纤维，极差值R为0.9MPa；影响最小的是浅色硅灰，极差值R为0.7MPa。三种掺合物掺量与混凝土强度曲线见图1、图2所示。

由图1、表6可知，抗压强度会随着浅色硅灰的增加而逐渐增加，可以看出，掺入浅色硅灰可以提高混凝土的抗压强度，当内掺量从5%增加到15%，混凝土抗压强度由48.9MPa依次增长了9%、14.7%，其原因在于硅灰可以充分填充孔隙，使骨料和胶凝材料之间接触面粘结性得到加强，从而提高混凝土抗压强度。玄武岩纤维、聚丙烯纤维掺量与混凝土抗压强度变化规律基本相似，随着玄武岩纤维、聚丙烯纤维的掺量逐渐增加，抗压强度总体上呈现出逐渐增加的趋势，当达到0.2%之后，混凝土的抗压强度达到峰值，当掺量为0.3%时，其抗压强度开始降低。由图2、表6可知，混凝土劈裂抗拉强度随浅色硅灰掺量的增加而呈先增后减趋势，当浅色硅灰达到10%时，劈裂抗拉强度达到最大，随着浅色硅灰掺量的继续加大，劈裂抗拉强度又逐渐减小，当浅色硅灰掺量达到15%时，抗拉强度达到最小值。随着玄武岩纤维掺量增加，混凝土劈裂抗拉强度呈上升趋势，玄武岩纤维掺量从0.1%增加到0.3%，混凝土劈裂抗拉强度由6.5MPa依次增长了10.8%、16.9%，分析认为混凝土在受到外力作用下产生微小裂痕，这时玄武岩纤维参与工作，使混凝土结构内部应力重新分布，延缓裂痕发展，从而提高混凝土的劈裂抗拉强度。而对于聚丙烯纤维掺量从0.1%增加到0.3%，劈裂抗拉强度先减后增趋势。

图1 28d抗压强度因素指标趋势图

图2 28d抗拉强度因素指标趋势图

混凝土抗压强度方差和各个因素相关性分析 表7

混凝土劈裂抗拉强度方差和各个因素相关性分析 表8

2.3 方差值结果分析

通过SPSS进行方差分析，由表7可得在实测28d抗压强度时，各个因素影响结果同极差一致。其中浅色硅灰对试块抗压强度的影响产生较高显著性，玄武岩纤维和聚丙烯纤维为显著性影响。再通过统计相关分析法可知，浅色硅灰的内掺量与试块的抗压强度之间的相关性最大，相关性参数为0.893；其次是玄武岩纤维的外掺量，相关性参数为-0.183；最后是聚丙烯纤维的外掺量，相关性参数为-0.037。

由表8可得在实测28d劈裂抗拉强度时，各个因素影响结果同极差一致。其中玄武岩纤维对试块抗拉强度的影响产生较高显著性，聚丙烯纤维和浅色硅灰为显著性影响。再通过统计相关分析法可知，玄武岩纤维的外掺量与试块抗拉强度之间的相关性最大，相关性参数为0.624；其次是聚丙烯纤维的外掺量，相关性参数为-0.443；最后是浅色硅灰的内掺量，相关性参数为-0.322。

3 结论

本文基于正交试验方法探究浅色硅灰、玄武岩纤维、聚丙烯纤维这三种因素的不同掺量对于混凝土力学性能的影响，得出以下结论。

①各因素对混凝土28d抗压强度的影响主次序为：浅色硅灰＞玄武岩纤维＞聚丙烯纤维；对于混凝土28d劈裂抗拉强度的影响主次序为玄武岩纤维＞聚丙烯纤维＞浅色硅灰。

②通过方差分析可得，浅色硅灰的内掺量对混凝土的抗压强度起到正效应的作用，为较高显著性，而另外两个因素根据掺量的增加呈负效应；玄武岩纤维的外掺量对混凝土劈裂抗拉的强度起着正效应的作用，为较高显著性，而另外两个因素根据掺量的增加呈负效应。

③综合考虑，由表6可知试块抗压强度各因素水平最优掺量选取SBP，试块劈裂抗拉强度最优掺量选取SBP，由于在工程实践中混凝土主要是起到抗压作用，所以最佳掺量以抗压为主，选取为SBP。