玄武岩纤维粉煤灰增强陶粒混凝土力学性能试验研究

杨圣飞， 李海艳， 向 杰

(1. 重庆科创职业学院，重庆 402160; 2. 石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043; 3. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

0 引 言

陶粒是由工业废弃物制成的具有轻质、密度小、保温及耐火性好的骨料，将其掺入混凝土中制备陶粒混凝土能有效降低资源浪费，减少环境污染，符合当下可持续发展的要求[1-2]。但由于陶粒混凝土与普通混凝土相比存在着强度低、脆性大等缺点，在一定程度上限制了陶粒混凝土在高层和大跨度结构中的应用，因此，如何增强陶粒混凝土的强度、改善其脆性成为当前工程界的研究热点[3-5]。粉煤灰属于锅炉中燃料燃烧产生的工业废物，将其作为矿物掺合料代替部分水泥掺入混凝土中能提高其社会和环境效益，同时也在一定程度上提高混凝土的强度并改善混凝土的工作性能[6-7]。玄武岩纤维弹性模量高且价格低廉，将其掺入混凝土中能提升混凝土的强度和韧性、改善混凝土的脆性[8]。

夏多田等[9]研究了玄武岩纤维掺量对陶粒混凝土力学性能的影响，结果表明适量的玄武岩纤维掺入陶粒混凝土中有利于其强度的提升，并改善了陶粒混凝土的脆性。朱楚翔等[10]测试了不同龄期和不同掺量的玄武岩纤维陶粒混凝土的强度，结果表明在相同的龄期下，陶粒混凝土的强度随着纤维掺量的增加呈现先增长后降低的趋势。史永健等[11]的研究表明粉煤灰掺入陶粒混凝土中能显著增强其抗冻性能并在一定程度上能提升陶粒混凝土的强度。晏方等[12]研究了粉煤灰陶粒混凝土循环受压下的力学性能，结果表明粉煤灰掺入陶粒混凝土中能延缓其刚度退化并改善陶粒混凝土的脆性。

本文将玄武岩纤维、陶粒、粉煤灰掺入混凝土中设计制备的玄武岩纤维陶粒粉煤灰混凝土(BCFC)具有造价低廉和节能环保等特点，符合可持续发展的理论。为进一步研究玄武岩纤维、陶粒和粉煤灰对BCFC力学性能的影响，设计了玄武岩纤维体积率、陶粒代石子率和粉煤灰代水泥率的三因素三水平L9(33)的正交试验，研究其对BCFC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

玄武岩纤维采用短切玄武岩纤维，物理力学性能指标见表1。水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。石子：采用粒径为5～20 mm的碎石。砂子：采用天然河砂，细度模数为2.65，属于中砂。陶粒采用页岩陶粒，粒径大小为5～20 mm，孔隙率大于34%，松散密度为600 kg/m3，吸水率小于15%。粉煤灰采用某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，化学成分见表2。减水剂采用减水率为37%的HPWR型高性能减水剂。水为自来水。

表1 玄武岩纤维物理力学性能指标

表2 粉煤灰化学成分

1.2 试验设计

在开展全试验组较多时，采用正交试验法能够有效降低试验次数并达到高效、经济的目的。为研究玄武岩、粉煤灰和陶粒对BCFC力学性能的影响，本文考虑的因素及水平为：因素A-玄武岩纤维体积率(0.1%、0.2%、0.3%)，因素B-陶粒代石子率(4%、8%、12%)，因素C-粉煤灰代水泥率(5%、10%、15%)。采用L9(33)正交试验方案，配合比如表3所示。

表3 BCFC配合比 kg/m3

1.3 试件制作及试验方法

试件制作过程如下：将石子和砂子混合干拌1 min，然后倒入玄武岩纤维和陶粒继续干拌1 min，接着加入水泥和粉煤灰干拌1 min，最后加入溶有减水剂的水搅拌3 min，制作完成BCFC。抗压强度和劈裂抗拉强度试验每组各制作3个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，抗折强度每组制作3个 100 mm×100 mm×400 mm 长条形试件，放入室温为20 ℃±2 ℃的不流动的饱和氢氧化钙溶液中养护 28 d。参照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验。

2 试验结果与分析

BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度见表4。为了研究玄武岩纤维体积率(A)、陶粒代石子率(B)和粉煤灰代水泥率(C)3种因素对BCFC强度、拉压比和折压比的影响程度，找出显著性影响因素，利用统计软件SPSS进行极差和方差分析，结果见表5和表6，基于表5BCFC强度极差分析结果绘制三因素对BCFC强度的影响趋势图见图1。

表4 BCFC强度

表5 BCFC极差分析结果

2.1 BCFC抗压强度

从表5可以看出玄武岩纤维体积率对BCFC抗压强度的影响最大，极差为9.37 MPa，其次是粉煤灰，极差为2.67 MPa，陶粒对BCFC抗压强度的影响最小，极差为 1.57 MPa。

从图1(a)可知：BCFC抗压强度随着玄武岩纤维体积率的增加而提升，当纤维掺量从0.1%增加到0.2%，BCFC抗压强度提升19.66%，当纤维掺量从0.1%增加到0.3%，BCFC抗压强度提升30.52%；BCFC抗压强度随着陶粒代体积率的增加呈现先增长后降低的趋势，当陶粒掺量从4%增加到8%，BCFC抗压强度降低1.24%，整体上变化不大；BCFC抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而降低，当粉煤灰掺量从5%增加到10%，BCFC抗压强度降低7.22%。

图1 玄武岩纤维体积率、陶粒代石子率和粉煤灰代水泥率对BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响水平趋势

基于表6中对BCFC抗压强度的方差分析可知，玄武岩纤维和粉煤灰是影响BCFC抗压强度的显著性因素，其中玄武岩纤维是特别显著性因素，陶粒对BCFC抗压强度有一定影响。

表6 BCFC方差分析结果1）～2）

2.2 BCFC劈裂抗拉强度

从表5中对BCFC劈裂抗拉强度的极差分析可知，三因素对BCFC劈裂抗拉强度的影响顺序为玄武岩纤维 (1.17 MPa)>粉煤灰 (0.383 MPa)>陶粒(0.38 MPa)。

由图1(b)可以看出，BCFC劈裂抗拉强度随着玄武岩纤维体积率的增加而增长，当纤维掺量从0.1%增加到0.2%，BCFC劈裂抗拉强度增幅为22.52%，当纤维掺量从0.1%增加到0.3%，BCFC劈裂抗拉强度增幅为34.48%；随着陶粒和粉煤灰掺量的增加，BCFC劈裂抗拉强度呈现先增长后降低的趋势，当陶粒掺量从4%增加到12%，BCFC劈裂抗拉强度降幅为7.85%，当粉煤灰掺量从5%增加到15%，BCFC劈裂抗拉强度降幅为8.45%。

通过表6中对BCFC劈裂抗拉强度的方差分析可知，玄武岩纤维是影响BCFC劈裂抗拉强度的特别显著性因素，陶粒和粉煤灰对BCFC劈裂抗拉强度有一定影响且粉煤灰对BCFC劈裂抗拉强度的影响程度大于陶粒。

2.3 BCFC抗折强度

基于表5中对BCFC抗折强度的极差分析结果可以看出，玄武岩纤维对BCFC抗折强度的影响程度最大，极差为1.867 MPa，陶粒的影响程度次之，极差为0.67 MPa，粉煤灰的影响程度最小，极差为0.343 MPa。

由图1(c)可知， BCFC抗折强度随玄武岩纤维体积率变化趋势与抗压强度和劈裂抗拉强度一致，均随着纤维掺量的增加而提升，当玄武岩纤维掺量从0.1%增加到0.3%，BCFC抗折强度提升34.9%，这与劈裂抗拉强度的表现较为接近，但整体上增幅略大于劈裂抗拉强度；BCFC抗折强度随陶粒和粉煤灰掺量的变化与劈裂抗拉强度随陶粒和粉煤灰掺量变化也较为一致，均表现为先增长后降低，当陶粒掺量从4%增加到8%，BCFC抗折强度增长5.08%，当粉煤灰掺量从5%增加到10%，BCFC抗折强度增长1.94%。

从表6可知，玄武岩纤维是影响BCFC抗折强度的特别显著性因素，陶粒对BCFC抗折强度有一定影响，而粉煤灰对BCFC抗折强度没有影响。

综合上述对BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的极差及方差分析可以看出，三因素对BCFC抗折强度的影响最大，其中，玄武岩纤维、陶粒和粉煤灰对BCFC抗折强度的最大提升幅度分别为34.9%、5.08%和1.94%。

2.4 BCFC拉压比及折压比

基于表5可以看出，三因素对BCFC拉压比的影响顺序为：陶粒(0.008)>粉煤灰(0.0042)>玄武岩纤维(0.0035)；三因素对BCFC折压比的影响顺序为：玄武岩纤维 (0.0195)>陶粒 (0.0114)>粉煤灰(0.0061)。

由表6可知，三因素对BCFC拉压比都没有影响，玄武岩纤维是影响BCFC折压比的显著性因素，陶粒对BCFC折压比有一定影响，而粉煤灰对BCFC折压比没有影响。

2.5 功效系数分析

对表4中BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度进行功效系数分析，如图2所示。由可知，B-8组总功效系数值最大，故本文制备的BCFC最佳组合为A3B2C1，即当玄武岩纤维体积率为0.3%，陶粒代石子率为8%，粉煤灰代水泥率为5%时，BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度综合表现最佳。

图2 各组总功效系数值

3 玄武岩纤维增韧机理分析

混凝土的拉压比和折压比是衡量其脆性及韧性的重要指标[13]。图3给出了玄武岩纤维体积率对BCFC拉压比和折压比的影响趋势图，可以很明显地看出，随着玄武岩纤维掺量的增加，BCFC拉压比逐渐增长，折压比先降低后增长，但整体呈现上升趋势，这是因为玄武岩纤维掺入BCFC中能在混凝土基体中形成桥接作用，同时由于玄武岩纤维的弹性模量较高，通过与混凝土基体之间的机械咬合力和黏结力承担BCFC所承受的外部荷载。综上所述，玄武岩纤维掺入混凝土中能够与混凝土基体共同作用增强BCFC的韧性，并改善BCFC的脆性。

图3 玄武岩纤维体积率对BCFC拉压比和折压比的影响趋势图

4 BCFC强度回归方程

假定BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度是由混凝土基体强度、玄武岩纤维增强项、陶粒增强项和粉煤灰增强项组成，运用最小二乘法[14]得出BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的回归方程如下所示：

式中：fc——BCFC 抗压强度，MPa；

ft——BCFC劈裂抗拉强度，MPa；

fu——BCFC抗折强度，MPa；

x1——玄武岩纤维体积率，%；

x2——陶粒代石子率，%；

x3——粉煤灰代水泥率，%；

r2——决定系数。

基于上述对BCFC强度拟合，计算得出BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的预测值和前文中试验得出的实测值如表7所示。为消除预测值对BCFC强度相对误差的影响，设B-1组3种强度相对误差均为0，其他各组的相对误差均为计算相对误差减去B-1组计算相对误差的差值。从表中可以看出，BCFC 3种强度中的预测值和实测值的最大相对误差为B-4组的劈裂抗拉强度，误差在±12%以内，表明回归方程具有较高的准确度，能够为相关工程实践提供参考。

表7 BCFC强度实测值、预测值和相对误差

5 结束语

1）玄武岩纤维、陶粒和粉煤灰对BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度影响程度依次为：玄武岩纤维>粉煤灰>陶粒，对BCFC抗折强度影响大小顺序为：玄武岩纤维>陶粒>粉煤灰，即玄武岩纤维对BCFC强度影响最大。当玄武岩纤维掺量从0.1%增加到0.3%，BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别提升30.52%、34.48%和 34.9%。三因素对BCFC抗折强度的增强效应大于抗压强度和劈裂抗拉强度，玄武岩纤维、陶粒和粉煤灰对BCFC抗折强度最大提升幅度分别为34.9%、5.08%和1.94%。

2）玄武岩纤维体积率是影响BCFC强度的特别显著性因素；陶粒代石子率对BCFC强度有一定影响；粉煤灰代水泥率是影响BCFC抗压强度的显著性因素，对BCFC劈裂抗拉强度有一定影响，对BCFC抗折强度没有影响；另外，陶粒和粉煤灰对BCFC劈裂抗拉强度的影响程度较为接近，但粉煤灰的影响程度大于陶粒。

3）三因素对BCFC拉压比没有影响，对BCFC折压比的影响程度大小依次为玄武岩纤维体积率、陶粒代石子率、粉煤灰代水泥率。

4）基于对BCFC强度的功效系数分析结果可知，BCFC最佳组合为A3B2C1，即当玄武岩纤维体积率为0.3%，陶粒代石子率为8%，粉煤灰代水泥率为5%时，BCFC强度综合表现最佳，此时BCFC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别为41.8 MPa、4.88 MPa和 7.49 MPa。对 BCFC 强度进行了回归拟合，拟合准确度较高，能为相关工程实践提供参考。