不同纖維形狀SFRC抗壓強度的正交試驗研究

周楠，賈風輝，王超，喬一

（空軍勤務學院機場工程系，江蘇 徐州 221000）

引言

已有研究表明，較普通混凝土而言，鋼纖維混凝土能將抗壓強度提高0～25%之間，但抗壓韌性卻大幅度提高，不同類型的鋼纖維對混凝土抗壓強度的增強效果也各不相同。本文通過MTS815電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)上進行全應力-應變曲線試驗，探究各正交因素對鋼纖維混凝土抗壓性能的影響。

1 試驗方案和試驗裝置

1.1 正交試驗設計

鋼纖維混凝土組成材料較多，影響因素比較復雜，試驗周期較長，按常規(guī)的試驗方法很難在較短時間內找出既符合設計和施工要求又經(jīng)濟合理的最佳試驗組合。因此，采用正交試驗來分析各個因素對鋼纖維混凝土的強度的影響規(guī)律，既能減少試驗次數(shù)，又能提供足夠豐富的試驗信息，并得到全面的結論。

正交表的選擇原則是在能夠安排試驗因素和交互作用的前提下，盡可能選用較小的正交表，以減少試驗次數(shù)。本文考察的正交因素有水膠比、砂率、鋼纖維體積產(chǎn)量和鋼纖維形狀共4個因素，各因素相互獨立。依據(jù)以上原則和條件，選用正交表L16（45）安排試驗。正交因素水平表如表1所示。

表1 正交因素水平表

1.2 試件材料和裝置

本文鋼纖維混凝土的材料組分主要包括：徐州中盛水泥有限公司生產(chǎn)的P.C 42.5級復合硅酸鹽水泥、徐州當?shù)厮槭?0～20mm作為粗集料、常規(guī)建筑用II類砂標準，細度模數(shù)2.6的中砂、北京科寧的“聚羧酸”減水劑、徐州市自來水，以及上海盾堅鋼纖維廠生產(chǎn)的平直形、壓棱形、弓形、波紋形鋼纖維。

試驗采用MTS815電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)（見圖1）進行鋼纖維混凝土的抗壓強度試驗。該系統(tǒng)由美國MTS公司生產(chǎn)，包括加載系統(tǒng)、控制器、測量系統(tǒng)等部分，其軸向最大垂直壓力1700kN，加載速率范圍10-2～10-7s-1，最大圍壓45MPa，屬當前較先進的室內巖石力學試驗設備之一。Station Manage軟件操作界面見圖2。

圖1 MTS815電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)

圖2 Station Manage軟件操作界面

2 試驗結果和數(shù)據(jù)分析

本文依照《鋼釬維混凝土試驗方法》共進行16組試驗，實測48塊試件的靜態(tài)抗壓強度值。試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗組鋼纖維混凝土靜態(tài)抗壓強度試驗結果

本試驗中，M-10組的靜態(tài)抗壓強度最大，達到了80.4MPa。極差從大到小排列即得到影響鋼纖維混凝土強度各因素的主次排序。根據(jù)表3中的極差計算結果可知，在本試驗中鋼纖維體積摻量對鋼纖維混凝土的靜態(tài)抗壓強度影響最大，水膠比的影響次之，隨后是鋼纖維類型和砂率，即鋼纖維體積摻量→水膠比→鋼纖維類型→砂率。

表3 各因素極差計算結果

通常情況下，水膠比是影響混凝土抗壓強度的首要因素。而在本文的研究中，鋼纖維體積摻量的影響強于水膠比，這主要是由于各因素的水平差異造成的。本文試驗中水膠比的水平變化范圍較小，各組間的水膠比僅相差0.03～0.04，故在極差計算時，其影響力較鋼纖維體積摻量而言稍弱，但仍舊強于鋼纖維類型和砂率的影響。鋼纖維類型不同，纖維長徑比存在差異，與混凝土中其他組分的粘結效果也有較大差異，然而，上述差異主要影響到混凝土的抗拉和抗折強度，對于抗壓強度的影響不太明顯。砂率主要影響鋼纖維混凝土拌合物的和易性，因此對抗壓強度的影響最弱。

顯然，使鋼纖維混凝土靜態(tài)抗壓強度最大的組合是A3B3C4D3，即采用水膠比0.36，砂率37，摻入體積分數(shù)2.25%的弓形鋼纖維混凝土靜態(tài)抗壓強度達到最優(yōu)。值得指出的是，在水泥標號相同的情況下，水灰比愈小，水泥石的強度愈高，與骨料的粘結力也愈大，混凝土的強度就隨之增高；但如果水灰比太小或用水量偏少，拌合物過于干硬，在一定的振動成型條件下，無法保證振實效果，混凝土中會出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，強度也會因此下降。本試驗中，水膠比較低的A1、A2兩種水平下，混凝土的抗壓強度下降，正是由于上述原因造成的。

4 結語

綜上所述，摻入一定的鋼纖維對混凝土的抗壓強度有較為明顯的提高，且在試驗范圍內，摻量越高越好。不同類型的鋼纖維對混凝土抗壓強度的影響各異，其中以弓形鋼纖維的增強效果最好，其次是平直形鋼纖維，壓棱形和波紋形對抗壓強度的提高效果相對而言均不太明顯。而試驗范圍內，水膠比和砂率兩種因素均有各自的最優(yōu)水平，不宜過高或過低。