玄武岩纤维增强高性能混凝土配合比的正交试验研究.pdf

2 0 1 0年第 3期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 0 No 3 J u n e 玄 武 岩 纤 维 增 强 高 ，陛 能 混 凝 土 配 合 比 的 正 交 试 验 研 究 何军拥 1 ,2田承宇 。 ， 黄小清 ( 1 广东工贸职业技术学院， 广州 5 1 0 5 1 0 ； 2 华南理工大学 ， 广州 5 1 0 6 4 0 ； 3 中国水 利水 电第 八工程 局科 研设 计 院， 长 沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘要 ： 通 过对 9 6个掺加乱 向短切玄武 岩纤维后的混凝土试件进 行正交试验测试与分析 ， 研究 了混凝土在满足抗折强 度 、 抗 压强度和工作 性等方 面最佳 性能时的优 化配合 比， 为进一步深 化研究 玄武岩纤维增强高性能混凝土提供 了依据 。 关键词 ： 玄武岩纤维 ； 高性能混凝土 ； 正交试验 ； 配合 比设计 Ab s t r a c t ：Th r o u g h t h e o r t h o g o n a l e x pe r i me n t o f 9 6 t e s t p i e c e s o f c o n c r e t e w i t h mi x i n g d i s o r d e r s h o r t b a s a l t f i b e r ，t h e o p t i u ml r a t i o o f C o l e r e t e i s s t u d i e d f o r fle x u r a s t r e n g t h ，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d o t h e r wo r k p e r f o r ma n c e s ，wh i c h l a y s t h e f o u n d a t i o n f o r f u r t h e r s t u d y i n g b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e Ke y W o r d s ：Ba s a l t f i b e r ； Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ；Orth o g o n a l e x p e r i me n t ； M ix d e s i g n 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 3 4 5 0 3 0前 言 高性能混凝土( 简称 H P C) 是 2 0 世纪 9 O年代发展 起来的高技术混凝土 ，目前 已成 为建筑材料研究 的重 点和方向。 采用低水胶 比和加入矿物掺合料是 H P C实 现高耐久性基本 目标 的关键 。较低 的水 泥用量 和用水 量，以及加入矿物掺合 料是避免 出现有害裂缝 的主要 手段 。 但是 ， 很低 的水胶 比和较大的胶凝材料总量不利 于施工 阶段 的裂缝控制 ，容易 出现硬化前 的塑性开裂 和硬化后 的干缩 、 自身收缩裂缝 ， 这些可 见与不可见的 裂缝 同样不利于提高混凝土 的耐久性I l J 。因此， HP C虽 然具有高耐久性 、 高体积稳定性和高工作性 ， 但 它仍不 是完善 的或最理想 的混凝土2 1 。由于 H P C微观结构 的 改变， 导致 了其最 为致命 的弱点是脆性增 大， 尤其 H P C 要求强度 比较 高，其破坏形式 往往呈无 征兆的爆炸性 破坏， 这无疑 限制 了 HP C的广泛应用1 3 。研究 表 明 ， 在 混凝土 中掺加纤维 可有效克服这 一缺点，并提高混凝 土 的韧性和应力重 分布能力，不 同类型 的纤 维可有效 防止裂缝 的产生并减 少裂缝 宽度 。文献 5 】 的研究表 明， 不需要改变原有配合 比， 只要 在混凝土拌和 时加入 纤维即可改 善混凝 土的性 能 ， 无 特殊 的质量控制要求 ， 且施工方便 。由此，纤 维增强 材料的掺人 可大大拓展 HP C的应用 范围。 玄武岩 纤维是被誉 为 “ 石 头变丝 ” 的 2 1世 纪新型 基金项 目： 广东工 贸职业 技术学院资助项 目( 2 0 0 8 一 Z 一 0 2 ) 、 中国水利 水电建设集 团公 司 2 0 0 8年资助项 目。 环保材料 ， 具有耐高温 、 耐烧 蚀 、 耐酸碱性能强 、 热稳定 性好等优点 ， 作为基础工业 的增强 材料 ， 具有 良好 的发 展前景 。从强度方面看 ，玄武 岩纤 维的拉伸强度高于 E一 玻纤 、 碳纤 维 、 芳 纶纤维 和钢纤 维等 已有 的增强纤 维材料 ， 增强效果极好 。从耐碱性方 面看 ， 玄武岩纤维 虽略逊 于碳纤 维和芳纶纤维 ，但优 于玻璃纤维和钢纤 维。此外 ， 玄武岩纤维与混凝土有着基本相 同的成分 ， 密度也较接近 ， 因此 ， 在混凝土 中的相容性 和分散性均 优于其 它增强纤维嗣 。 玄武岩纤维的弹性模量与混凝 土 基体 材料的弹性模量亦处于 同一数 量级 ，两者具有 良 好 的变形协调能力 ，而玄武岩纤维 的抗拉强度与混凝 土基体相 比至少高出两个数量级 ，因此具有较高 的抗 拉能力 。另外 ， 玄武岩纤维的价格低于碳纤维 、 聚丙烯 纤维等 ， 在混凝土工程应用 中具有性价 比优势。 尤其是 玄武岩纤维本身无任何毒副作用 ， 在施工 、 使用过程 中 不会对人体健康造成任何危害。 因此 ， 从混凝土用增强 纤维材料 的选 型来 看，玄 武岩纤维具有较 大的竞争优 势 。 本试 验 主要探讨 玄武 岩纤维增 强 HP C的配合 比 问题 ， 以期为后续深入研究 提供基 础。 1 试验配合 比初步设计 ( 1 ) 原材料 的选择 玄武岩纤维 ：东莞某公 司提供 的玄 武岩纤 维短切 纱 ， 其 性能参 数见表 1 。根据 已有研究成果问 ， 推荐掺量 范围为 0 8 1 5 k g m 。 4 5 2 0 1 0年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 3期 表1 玄武岩纤维短切纱性能参数 ( C + F ) 】 范围为 0 3 0 - 0 3 8 。 水泥 ： 按 C E C S 2 0 7 ： 2 0 0 6 高性 能混凝 土应 用技术 规程 要求 ， 胶凝 材料 总量采用 4 5 0 - 6 0 0 k m 。配置高 性 能混凝土宜选用 C 含量低 的 5 2 5级或更高强度等 级 的硅酸盐水泥和普通 硅酸盐水 泥，也可 以选用 国内 专 门配置的各种特种水泥 ， 如调粒水泥等 。 但高强度等 级水泥和特种水泥势必引起工程成本 的大幅提高 。因 此 ， 本研究采用 4 2 5 R级旋 窑普通硅酸盐水泥 。 骨料 ： 粗骨料采用碎石两级配粒级 ， 即 5 - 2 0 ra m和 2 0 4 0 ra m， 比例为 4 ： 6 ； 细骨料采用级配 良好的中砂， 细 度模数不小于 2 6 。 高效减水剂 ： 采用 H S P 一 一 B型高效 减水剂 ， 掺量 ( 占胶凝材料总量 ) 为 1 4 。 粉煤灰 ： 按 G B J 1 4 6 9 0 粉煤灰混凝土应用技术规 范 的规定 ， 本研 究采用 级粉煤灰 等量取代外 掺法， 掺量( 占胶凝材料总量 ) 范围为 1 0 2 5 。 ( 2 ) 水胶比 根据 高性能 混凝土 的定义，初步选 定水胶 t f w ( 3 ) 砂率 高性能混凝土 的砂率可根据胶凝材料总量 、粗 细 骨料的颗粒级配及混凝 土的和易性 等 因素来确定 ， 宜 在 3 6 - 4 2 之间。 ( 4 ) 单位用水量 根据石子最大粒 径 、 混凝土坍落度 、 外 加剂 、 砂子 等情况 ， 初选用水量范围为 1 3 0 1 6 0 k m 。 2 配合 比优 化设计 正交试验 是研究 多因素多水平 的一种最佳方 法， 它具备 了“ 均匀分散 、 齐整可 比” 的特点 ， 是一种高效 、 快速 、 经济的试验设计方法 。鉴于 H P C的配合 比设计 目前没有套完整 的理论可依 ，只能根据各 自选用 的 材料凭经验配制 ，故本研究采用 了正交试验 法进行玄 武岩纤维高性能混凝土配合比的优化设计研究。 2 1 正交试验设计表 正交表 中的因素是指对试验指标 可能产生影响的 原因 ， 水平是指因素在试验中所处 的状态和条件 ， 指标 就是试验要考察的效果 。影响玄武岩纤维高性能混凝 土各项性能的因素很多 ， 本研究选择 ： A玄武岩纤维掺 量 、 B水胶 比 、 C粉煤灰 掺量 、 D砂率 、 E单 位用水量五 个 因素作 为主要影响因素。 每个因素选择 四个水平， 主 表 2 玄武 岩纤维混凝土五因素 四水平正交实验设计 L ， ( 4 ) 及测试结果分析表 4 6 何军拥 ， 田承宇 ， 黄小清 玄武岩纤维增强高性能混凝土配合 比的正交试验研究 要 考察 的性能 指标为 ：坍落 度值 、 2 8 d抗 折强 度值 和 2 8 d 抗 压强度值 。 五因素 四水平正交试验设计表见表 2 所示 。 2 2 试验测试 参考 聚丙烯纤 维混凝 土工程实 践经验，投料顺序 按 以下方 式进行 ：砂+ 石+ 水 泥+ 粉煤 灰+ 聚丙烯 纤维 ( 干拌 2 m i n ) 一 + 水+ 外加剂 ( 湿拌 3 m i n ) 一 新 拌混凝 土 。 新拌混凝土坍 落度试 验按 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通 混凝土拌合物性能试验方 法标准 进行 测试 。 立方体抗 压强 度 、 抗 折强度 按 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通 混凝 土力 学性 能试验 方 法标准 进 行 ，采 用 1 0 0 m mx l 0 O m mx 1 0 0 m m 和 1 0 0 m mx 1 0 0 m m x 4 0 0 mm试模 分别制作 1 6组 各 4 8 个试 件 ， 在标 准条件下养护 2 8 d ， 测试其强度 。测 试结 果见表 2 。 2 I 3 正交试验结果的处理和分析 本试 验属多指标等水平 的正交设计，为找 出最 佳 试 验条件 ， 本研究 采用 了功 效系数法 8 1 ： 即设 正交设计 考察 11 个指 标，以下列方 式给每个考 核指标赋予一 个 功效 系数 。如第 i 个考核指标 的效 果最好 ， 规定该指标 功效 系数为 1 ， 记 为 d 。= 1 ； 如第 i 个 考核指 标 的效 果最 差， 规 定该指 标 的功效 系数为零 ， 记 为 d i = 0 ； 其余 各考 核指标 的功效 系数 ，规定为该 指标值 与最好 指标值 的 比值 。另外 ，规定 1 1 个考 核指标 的总功效 系数为 ， d = 9 7 , d 2 d ， d的值用来表示n 个考核指标的优劣情 况 ， d越 大表示 n个指标 总的效果越好 。从表 2可知 ， 试验 1 1 的总功效 系数 d = 0 9 4 0最大 ， 相应 的试验条件 是 A ， B C D 2 E 。从 由极差 R和 K值 的大小看 出 ， 影响 高性能混凝土工作性 、 抗 压和抗 折性 能的因素排序为 ： E A B C D，即单位用水 量 水胶 比 玄武 岩纤 维掺 量 粉煤灰掺量 砂 率， 并且 因素 A、 B、 C、 D的 比较好 的 水平是 A 3 B z C z D 3 E 。 综上所述 ， 最优 的试验 条件是 ： A ， B z C 2 D 3 E ， 即玄武 岩 纤 维 掺 量 为 1 2 k g m 、水 胶 比 0 3 4 、粉 煤 灰 掺 量 1 5 、 砂率 4 0 、 单位用水量 1 6 0 k g m 。 3结 论 玄武岩纤维 的原材料来源充足 、 成本较低 ， 国内外 供 应有保证 ， 且具有 比其它纤维更优越 的特性 ， 目前越 来越被材料界和建筑领域 的用 户看好 。 本 文通过正交设计试验 法，探讨 了影响玄武 岩纤 维高性 能混凝 土的主 、次 因素排序 ，获得 了基于和易 性 、 抗 折性 能和抗 压强度 的最优 配合 比 ， 为今 后进一步 深入开展其性能及工程应用等研究方 面的工 作提供一 定的参考。 作为一种新兴 的纤维 增强材料，玄武岩纤维 及其 在土木工程领域 中 的应用 研究 目前 尚处 于起步 阶段 ， 要取得更 良好 的经济效应和社会效益 ，还需一个行业 引导 、 政策支持 、 大力宣传 、 深入研究 和推广试 用 的过 程 。 参考文献 ： 【 1 巍鸿汉 现代混凝 土技术 的新发展一 高性能混凝土 J 天津 职业 院 校联合学报， 2 0 0 6 ， 8 ( 5 ) ： 3 8 2 】 吴中伟 高性能混凝土 M】 北京： 中国铁道 出版社， I 9 9 9 3 】 姚武， 蔡江宁， 陈兵 ， 等 混杂纤维增韧 高性 能混凝 土的研究f J 1 三 峡大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 1 ) ： 4 2 4 4 f 4 1 余红 ， 孙伟 ， 王晴 ， 等 纤维增强 高性能混凝土在 西部盐湖 中的抗 冻性 J 】 沈 阳建 筑工 程学 院学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 4 ， 2 0 ( 2 ) ：1 3 0 1 3 5 【 5 】侯钦涛 ， 侯 伟 ， 杨庆 国 ， 等 用柔性 纤维配 制高性能混 凝土册 建 筑技术 开发 ， 2 0 0 4 ， 3 1 ( 7 ) ： 4 9 5 1 6 】胡显奇， 申屠年 连续玄武岩纤维在军工 和民用领域 的应 用Ij I 高 科 级纤 维与应用 ， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 1 4 7 】 江朝华， 赵辉， 陈达 ， 等 玄武岩纤维及 聚丙 烯纤维对水泥砂浆性能 影 响的对 比分析 J 1 硅酸盐通报， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 0 8 4 1 0 8 8 【 8 】 刘数华， 冷发光， 罗季英 建筑 材料试验研究 的数学方法【 M】 北京 ： 中国建材工业 出版社， 2 ( ) 0 6 8 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 2 0 4 作者简介： 何军拥 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 副教授 、 博士研究生 。 通讯地址 ： 广州市 天河区广 州大道北 9 6 3号 ， 广东 工贸职业技 术学院机械系 联 系 电话 ： 1 5 8 1 3 3 7 5 9 0 3 E- ma i l： h j y o n g 2 0 0 1 1 6 3 c o m 4 7