鍍銅鋼纖維水泥基復合材料正交試驗分析★

瞿哲 李斌洲 詹偉 孫林柱 楊芳

(溫州大學建筑與土木工程學院，浙江 溫州 325035)

0 引言

在土木工程領域中，我國高層建筑的迅速增加，對新型加固材料的需求更加迫切。而且在結構及橋梁改造、工程事故、特種結構工程中，新型加固材料也具有廣闊的應用前景。目前工程加固的類型主要有混凝土加固、鋼結構加固、碳纖維及玻璃纖維材料加固等，本研究的新型水泥基復合加固材料，抗拉強度高、施工方便，特別對受震后、超強臺風后的建筑物損傷、建筑物的劣化和常規的工程質量事故等的加固，具有重要應用價值。

國內外對鍍銅鋼纖維復合材料研究廣泛，主要集中在混凝土的加強和水泥基材料的加強方面。如江南大學同上海大屯能源股份公司合作，探討噴射纖維混凝土在深井地下空間支護應用[1]，以及東南大學對摻有鋼纖維的水泥基復合材料的抗爆炸性能的研究[2]以及北京交通大學朋改非教授對鋼纖維增強水泥基抗裂性的研究[3，4]。

本研究旨在通過試驗，得到可靠的正交試驗數據，并通過極差分析得到各材料用量對各項指標的影響，找出各種材料的用量與其各項主要考核指標之間的關系，綜合考慮各材料用量對各項指標的影響，大致得出鍍銅鋼纖維水泥基復合材料的最優配合比。

采用鍍銅鋼纖維水泥基復合材料混摻進行研究，從水泥用量、鋼纖維摻入量、普通砂用量和減水劑取得量4個主要因素出發，以抗壓強度、抗折強度為考核指標，采用正交方法進行試驗探討鍍銅鋼纖維水泥基復合材料的配比，尋求最佳試驗方案，為鍍銅鋼纖維水泥基復合材料的進一步改進提供基礎數據。

1 試驗原材料組成及各原料特性

1)水泥。水泥采用浙江虎山生產的32.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。

表1 32.5級普通硅酸鹽水泥的物理力學性能指標

2)鍍銅鋼纖維。纖維直徑為0.18 mm～0.23 mm，纖維長度為(13±1)mm，抗拉強度不低于2 850 MPa，簡稱鋼纖維。

3)普通砂。普通砂采用浙江平陽生產的普通砂，其性能指標見表2。

表2 普通砂的物理力學性能指標

4)減水劑。采用的是浙江城建混凝土外加劑廠生產的可溶性樹脂型高效減水劑，減水劑為半透明棕紅色液體，主要成分為三聚氰胺甲醛樹脂磺酸鹽，含固量為30%，摻量為2%時，減水率在25%以上。

5)可再分散膠粉。采用美國國民淀粉公司生產的可再分散膠粉。

6)硅灰。硅灰為工業冶煉硅鐵合金和工業硅時產生的SiO2和Si氣體，與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種鍍銅硅質粉體材料，粒徑為 1.06 μm ～4.88 μm。

2 正交試驗分析

2.1 試驗方案

通過正交表合理地安排試驗，確定因素的主次，找到較好的配料范圍。根據大量的資料文獻和課題試驗思路，考慮把水泥用量、普通砂用量、高效減水劑取得量和鍍銅鋼纖維摻入量作為因素考慮。其中，水泥用量取350 kg/m3，375 kg/m3，400 kg/m3三個水平;鍍銅鋼纖維摻入量取膠凝材料總體積的0%，2%，4%三水平;普通砂用量取 350 kg/m3，375 kg/m3，400 kg/m3三個水平;減水劑取得量取膠凝材料總摻入質量的0.2%，0.4%，0.6%三個水平，見表3。

表3 四因素三水平全面試驗方案

根據試驗因素及水平個數，選取正交表L9(34)來安排試驗(見表4)。

表4 鍍銅鋼纖維水泥基復合材料L9(34)試驗方案和試驗結果

2.2 試驗結果與分析

根據試驗測試結果，可由極差分析得到各因素的影響程度。由表5分析可知對試樣抗壓強度的影響順序為:A→B→C→D，即水泥影響最大，普通砂次之，減水劑比較小，鋼纖維最小。水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維摻入量為4%，普通砂用量400 kg/m3，減水劑取得量為0.2%時抗壓強度最大，最優配合比為A3B3C1D3。

對考核指標為抗折強度時，對其影響順序為:D→A→C→B，即鋼纖維影響最大，水泥次之，減水劑較小，普通砂最小。即水泥用量為350 kg/m3，鋼纖維摻入量4%，普通砂用量為400 kg/m3，減水劑為0.6%時最大，此時的最優配比為A1B3C3D3。

表5 L9(34)正交試驗結果的極差分析

從表5分析試驗結果，在考慮獲得較大的抗折強度的前提下，具有一定稠度和抗壓強度的最優配合比是水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維摻入量為4%，普通砂用量400 kg/m3，減水劑取得量為0.2%，即為 A1B3C3D3 組。

3 結語

鍍銅鋼纖維水泥基復合材料中鍍銅鋼纖維摻入量對試樣的抗壓強度影響較小，說明試樣在受壓過程中，由于鋼纖維與混凝土的界面能較小，故其限制橫向變形的能力較弱，而在抗折試驗中，抗折強度在一定范圍內隨著鍍銅鋼纖維摻入量的增加而有了明顯的提高，主要是因為纖維與水泥基材料的結合均參與到了受力變形中并且無數鍍銅鋼纖維起到了鋼筋的作用，延緩了裂縫的開展，故抗折強度較大。因此說明正交試驗結果和實際結構基本相符。通過極差分析，表明水泥用量和鍍銅鋼纖維摻入量對水泥基材料的力學性能影響比較明顯，其中水泥用量對抗壓強度影響較大，鍍銅鋼纖維摻入量對抗折強度影響較大。而普通砂、減水劑對于整體的性能影響較小。試樣中隨著水泥用量的增加，其抗壓強度有明顯的提高，而鋼纖維摻入量影響不大。鋼纖維摻入量對提高水泥基材料的抗折強度影響較大，同時還會降低試樣的稠度。

[1] 畢遠志，陳季斌，張大林，等.噴射纖維混凝土在深井地下空間支護應用關鍵技術[J].東南大學學報(自然科學版)，2010，40(22):229－234.

[2] 戎志丹，孫 偉，張云升，等.超高性能水泥基復合材料的抗爆炸性能[J].爆炸與沖擊，2010，30(3):232－238.

[3] 邊松華，朋改非，趙章力，等.含濕量和纖維對高性能混凝土高溫性能的影響[J].建筑材料學報，2005，8(3):321－327.

[4] 黃廣華.PVA纖維與鋼纖維對高性能纖維增強水泥基復合材料力學性能影響的試驗研究[D].北京:北京交通大學，2010.