樊文廣

（同濟大學土木工程系，上海 200082）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)的不斷進步相應(yīng)地對混凝土的性能提出了更高的要求，如在保證混凝土強度足夠高的同時，盡量具有輕質(zhì)化、性價比高、有更好的韌性、耐久性等性能。而將高性能纖維增強材料按照一定的摻量加入傳統(tǒng)混凝土中形成的纖維基混凝土，其眾性能都優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土[1]。如彭苗等[2]的研究表明，玄武巖纖維混凝土在抗壓強度、抗拉強度、抗折強度上要優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土；趙卓等[3]的研究表明，摻聚乙烯醇纖維（以下簡稱PVA纖維）混凝土的韌性和抗拉性等性能有所提高。但加入某種纖維只能定向改善或者加強混凝土的某項性能，而摻入兩種及兩種以上不同性能的纖維時，由于不同纖維在混凝土中發(fā)揮增強增韌的作用的時候是處于不同的受荷階段和不同的結(jié)構(gòu)層次，故能綜合改善或者加強混凝土的多項性能[4-5]。

陶?；炷磷鳛橐环N輕骨料混凝土，雖具有自重小、環(huán)保經(jīng)濟等優(yōu)點，但其抗折強度和抗拉強度相對較低[7]。由于玄武巖纖維和PVA纖維本身具有優(yōu)越的力學性能，筆者通過在陶?；炷林袚饺脒m量纖維用于提高其力學性能和導熱性能，且造價較為低廉。正交試驗是一種通過多因素多水平實驗從而降低實驗成本和實驗復(fù)雜程度并且能夠達到實驗?zāi)康挠行Х椒?。本文以正交試驗為研究方法，輔以玄武巖纖維、PVA纖維和陶粒三種物質(zhì)的摻量對混雜纖維混凝土力學性能和導熱系數(shù)的影響為研究內(nèi)容。設(shè)計出三因素三水平的正交實驗設(shè)計，通過極差與方差分析，得出影響其性能的因素和摻量。

1 試驗部分

1.1 原材料

本文實驗采用八公山牌P.O42.5級普通水泥使用木電廠生產(chǎn)的以及粉煤灰替代部分水泥從而降低混凝土水化熱；砂子選普通中砂，并使用表觀密度為2543kg/m3的陶砂代替部分細集料。粗骨料選取平均粒徑為12mm的卵石并使用表觀密度為600kg/m3的陶粒替代部分卵石。?；⒅椴捎没茨夏彻旧a(chǎn)，用與增加混凝土保溫隔熱的能力，在使用前需進行淋水處理。玄武巖纖維的物理及力學性能如表1所示。PVA纖維的性能參數(shù)如表2所示。

表1 武巖纖維物理及力學性能

表2 PVA纖維性能參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)混凝土設(shè)計規(guī)范計算得到基準混凝土的配比為水泥:砂子:石子:水=1:1.75:1.75:0.45。本次試驗其主要考慮因素和水平為：陶粒摻量A（7%、14%、21%）；玄武巖纖維摻量B（0.1%、0.2%、0.3%）；PVA纖維摻量C（0.1%、0.2%、0.3%）。根據(jù)用正交表安排試驗的原理，取用9組配合比，其1m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比 單位：kg·m-3

1.3 試塊制備

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求，利用臥式攪拌機進行試塊制備，首先加入粗細骨料與各種纖維進行干拌，拌勻后分三次將水與減水劑倒入攪拌機中進行濕拌。之后將制成的試塊以標準養(yǎng)護條件下進行28d養(yǎng)護。

2 實驗結(jié)果與分析

本文通過使用電液伺服萬能試驗機和導熱系數(shù)測定儀對所制備混雜纖維混凝土的力學性能和導熱系數(shù)進行測量，結(jié)果如表4所示。然后對試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，分析結(jié)果如表5～表6所示。

表4 試驗測定結(jié)果

表5 極差分析

表6 方差分析

2.1 抗壓強度

由表5和表6可知：①對混凝土的抗壓強度的影響程度最大的是玄武巖纖維，且為高度顯著性影響因素；PVA的影響程度次之且為顯著性影響因素；陶粒摻量的影響程度最小且為不顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，抗壓強度降低3.19%；從14%增加到21%，抗壓強度降低7.23%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗壓強度提高0.070%；從0.2%增加到0.3%，抗壓強度降低15.30%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗壓強度降低10.60%；從0.2%增加到0.3%，抗壓強度增加7.94%。

試塊抗壓強度隨著玄武巖纖維的摻入呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，說明合理的玄武巖纖維摻入量可有效改善混凝土的抗壓性能，而摻入量過高時卻適得其反，抗壓性能反而下降。其原因主要是因為在混凝土形成初期，由于內(nèi)部水化反應(yīng)未完全進行，導致體積發(fā)生收縮從而出現(xiàn)微裂縫。摻入適量玄武巖纖維之后，當裂縫出現(xiàn)時，分散均勻的玄武巖纖維既可以通過橋接裂縫來傳遞荷載，減少應(yīng)力集中并減緩裂縫的進一步擴大，同時又可以與混凝土基體形成一定量的粘接力，可以提高混凝土的抗裂性能。另外，纖維在混凝土內(nèi)部所形成的非定向支撐體系可以幫助分擔混凝土承力骨架的。故適量的摻入量可有效提高混凝土抗壓性能。但過多的纖維卻在混凝土內(nèi)部成團聚集，使內(nèi)部微裂縫和氣孔增加并形成應(yīng)力集中點，反而導致抗壓強度降低。

2.2 抗拉強度

由表5和表6可知：①對試塊抗拉性能的影響程度最大的是陶粒摻量，且為高度顯著性影響因素；PVA摻量的影響程度次之且為高度顯著性影響因素；玄武巖摻量的影響程度最小且為顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，抗拉強度降低8.97%；從14%增加到21%，抗拉強度降低19.51%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗拉強度降低2.83%；從0.2%增加到0.3%，抗拉強度降低5.24%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗拉強度降低4%；從0.2%增加到0.3%，抗拉強度降低13.83%.

由于試塊受拉產(chǎn)生裂縫之時，裂縫會先沿著混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)，即粗骨料與砂漿的連接處發(fā)展，故砂漿基體與骨料的粘結(jié)強度顯著影響試塊的抗拉強度。隨著混凝土外部所受荷載的增大，粗骨料作為主要的承力會先被拉斷，出現(xiàn)微小裂縫，而由于陶粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為細密蜂窩狀微孔，導致陶粒受拉時會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，孔洞邊緣受集中力的作用首先發(fā)生破壞。且陶粒相比于普通石子其強度較低。故隨著陶粒摻量的增加，相比于傳統(tǒng)混凝土，陶?；炷恋闹饕辛Y(jié)構(gòu)強度減小，抗拉強度逐漸降低。

2.3 抗剪強度

由表5和表6可知：①對試塊抗剪強度的影響程度最大的是玄武巖摻量，且為高度顯著性影響因素；陶粒摻量的影響程度次之且為顯著性影響因素；PVA摻量的影響程度最小且為顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，抗剪強度降低14.02%；從14%增加到21%，抗剪強度降低7.07%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，抗剪強度降低21.09%；從0.2%增加到0.3%，抗剪強度增加3.14%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，抗剪強度降低5.35%；從0.2%增加到0.3%，抗剪強度降低1.65%。

由于混凝土的強度和彈性模量隨著陶粒體積摻量的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而玄武巖纖維和PVA纖維的摻入會在空間組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在混凝土受到剪切力作用下發(fā)生橫向變形時，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能增強其抗裂性，降低變形量，從而增加其抗剪強度，所以造成試塊抗剪強度降低的主要原因是陶粒摻量的增加。從表5可知，試塊的抗剪強度隨著玄武巖摻量的增加呈先降低后提高的趨勢，隨著PVA摻量的增加逐漸降低，但降低的幅度明顯減小，證明了兩種纖維的增加可以改善陶粒混凝土的抗剪強度。

2.4 導熱系數(shù)

由表5和表6可知：①對試塊導熱系數(shù)的影響程度最大的是陶粒摻量，且為高度顯著性影響因素；PVA纖維摻量的影響程度次之且為高度顯著性影響因素；玄武巖摻量的影響程度最小且為不顯著性影響因素；②陶粒摻量從7%增加到14%，導熱系數(shù)提高0.35%；從14%增加到21%，導熱系數(shù)降低5.25%；③玄武巖摻量從0.1%增加到0.2%，導熱系數(shù)提高1.46%；從0.2%增加到0.3%，導熱系數(shù)降低1.25%；④PVA摻量從0.1%增加到0.2%，導熱系數(shù)降低1.01%；從0.2%增加到0.3%，導熱系數(shù)降低1.42%。

陶粒內(nèi)部由于空氣被包裹進殼內(nèi)而形成許多封閉的微孔，使其內(nèi)部呈現(xiàn)蜂窩狀，摻入混凝土之后可增加混凝土的含氣量，也相當于減小了混凝土的氣孔尺寸和增多了混凝土的氣孔數(shù)量，而上述的變化均能有效降低混凝土的導熱系數(shù)，故陶粒摻量的增加會導致試塊導熱系數(shù)的不斷下降。

3 結(jié)論

（1）陶粒摻量高度顯著性影響著混凝土的導熱系數(shù)和抗拉強度，且隨著陶粒摻量的增加，混凝土導熱系數(shù)和抗拉強度均減小。因此陶粒摻量不宜過高，但建議在滿足強度要求的前提之下可盡量提高陶粒摻量，從而改善混凝土的保溫隔熱的能力。

（2）玄武巖摻量高度顯著性影響著混凝土的抗壓和抗剪強度。PVA摻量高度顯著性影響著混凝土的抗拉強度和導熱系數(shù)。在適宜的摻量范圍內(nèi)，這兩種纖維的摻入能改善陶?；炷恋牧W性能，但若摻量過高則會由于纖維結(jié)團出現(xiàn)負效應(yīng)反而使混凝土的力學性能有所降低。

（3）由于玄武巖摻量對抗壓性能的影響最大，且當玄武巖纖維摻量為0.2%時，混凝土的抗壓強度最大。故對于抗壓強度而言，玄武巖-PVA混雜纖維混凝土的合理摻量（以下簡寫為（陶粒摻量，玄武巖摻量，PVA摻量））為（14%、0.2%、0.3%）。同理得對于抗拉強度而言，合理摻量（7%、0.1%、0.1%）；對于抗剪強度而言，合理摻量為（7%、0.1%、0.1%）；對于導熱系數(shù)而言，合理摻量（21%、0.1%、0.1%）。