基于正交理論的玄武巖纖維活性粉末混凝土配合比設計

何曉雁，秦立達，張淑艷，李　慧，趙燕茹

(內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特　010051)

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基于正交理論的玄武巖纖維活性粉末混凝土配合比設計

何曉雁，秦立達，張淑艷，李慧，趙燕茹

(內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特010051)

通過正交試驗進行活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)的配合比設計，選取水膠比、砂膠比、水泥/粉煤灰、減水劑、玄武巖纖維摻量為因素，設定相應的水平。運用極差法分析了上述因素和相應水平對RPC拌合物工作性及其力學性能的影響。結果表明，在標準養護條件下，當水膠比為0.2、粉煤灰取代水泥量為30%、減水劑為膠凝材料的2%、玄武巖纖維摻量為5 kg/m3時，可以配制出28 d抗壓強度、抗折強度分別超過95.1 MPa、13.4 MPa的高強度活性粉末混凝土。

活性粉末混凝土； 正交試驗； 配合比； 抗壓強度

1　引　言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)是繼無宏觀缺陷水泥、超細粒聚密水泥、化學粘結陶瓷以及高強高性能混凝土后[1]，由法國人Richar[2-4]于20世紀90年代率先研發的一種集高強度、高耐久性和高韌性為一體的新型水泥基復合材料[5]。作為高性能混凝土和纖維混凝土的完美結合，RPC自誕生以來就得到了快速的發展。國外對RPC的研究已趨于成熟，而我國對RPC的研究起步較晚，但發展較快[6]。傳統RPC中選用的鋼纖維在鹽澤、海工環境中易銹蝕，造成混凝土基體耐久性的降低。近年來，諸多學者通過研究用玄武巖纖維替代RPC中的鋼纖維，進一步探索玄武巖纖維RPC的力學性能和耐久性能。沈濤，董崇海等[7]研究了玄武巖纖維對RPC電通量和力學性能影響；王海良，李國興等[8]進行了摻玄武巖活性粉末砂漿的試驗研究；任韋波，許金余等[9]研究了高溫后玄武巖纖維增強混凝土的沖擊變形特性；朱紹鐵，陳曉強等[10]進行了玄武巖纖維增強材料鋼筋混凝土梁試驗及開裂彎矩計算。

本文旨在探究獲得較好力學性能的前提下，選用造價低廉、性能優越的玄武巖纖維替代鋼纖維來配制玄武巖纖維活性粉末混凝土。選取水膠比、砂膠比、水泥/粉煤灰、減水劑、玄武巖纖維摻量為因素，設定相應的水平，并運用極差法分析各因素對玄武巖纖維RPC工作性及力學性能的影響，最終獲得玄武巖纖維RPC的最優配比。

2　試　驗

2.1原材料

水泥：遁石牌P.O 42.5水泥；粉煤灰：物理性能指標如表1所示；硅灰：永興硅灰，白色粉末；石英砂：40～70目石英砂，粒徑450 μm；減水劑：JSM-1型聚羧酸高效減水劑；玄武巖纖維：短切玄武巖纖維，物理性能指標如表2所示；水：自來水。

表1粉煤灰物理性能指標

Tab.1Physical performance of fly ash

序號指標(%)標準測試結果1細度≤2515.702燒失量≤51.603三氧化硫含量≤32.48

表2玄武巖纖維性能指標

Tab.2Basalt fiber performance metrics

密度/g·cm-3單纖直徑/μm長度/mm抗拉強度/MPa彈性模量/GPa極限延伸率/%2750121242561053.1

2.2試驗方法

活性粉末混凝土抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，試驗按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行。攪拌時使用強制式攪拌機，投料順序為石英砂、纖維、水泥、礦物摻合料，干料先攪拌4 min，加水和減水劑后再攪拌6 min，試件成型后進行標準養護。在標準養護室養護28 d后測其抗壓強度和抗折強度，抗壓強度加載速率為1.2～1.4 MPa/s，抗折強度加載速率為0.08～0.1 MPa/s，抗壓強度與抗折強度實驗值均不應乘以尺寸換算系數[11]。

3　正交試驗

3.1因素、水平的確定

(1)選取水膠比為RPC正交試驗的影響因素，水平設定為0.16～0.28，以0.04為等級劃分。

(2)選取砂膠比為RPC正交試驗的影響因素，參照相關文獻，水平設定為1.1～1.4，以0.1為等級劃分。

(3)選取粉煤灰取代部分水泥作為一個影響因素，初始取代量設定為30%，以10%增加。相應水平設定為0%、30%、40%、50%。

(4)選取減水劑用量為RPC正交試驗的影響因素，參考相關文獻，水平設定為2%～3.5%，以0.5%為等級劃分。

(5)選取玄武巖纖維摻量為RPC正交試驗的影響因素，其水平設定為RPC中纖維摻量為2～5 kg/m3，以1 kg/m3為等級劃分。具體正交因素、水平如表3所示。

表3正交因素、水平

Tab.3Orthogonal factors and levels

因素 水平水膠比砂膠比水泥/粉煤灰減水劑(%)玄武巖纖維摻量/kg·m-310.161.11/02.0220.21.20.7/0.32.5330.241.30.5/0.53.0440.281.40.4/0.63.55

3.2RPC材料配比及強度試驗結果

本試驗采用混凝土的抗壓強度和抗折強度作為試驗指標，利用極差法進行RPC配合比設計。試驗中水泥的基準用量為750 kg/m3，硅灰用量固定為188 kg/m3，RPC配比及強度試驗結果如表4所示。

表4RPC配比及強度試驗結果

Tab.4Ratio and strength test results of RPC

編號水泥(kg/m3)硅灰(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)石英砂(kg/m3)減水劑(kg/m3)水(kg/m3)玄武巖纖維(kg/m3)抗壓強度(MPa)抗折強度(MPa)175018801031.818.76150.08296.314.925251882251125.623.45150.08383.411.233751883751219.428.14150.08488.410.043001884501313.232.83150.08565.39.355251882251031.828.14187.6587.610.5675018801125.632.83187.6491.413.173001884501219.418.76187.6374.17.483751883751313.223.45187.6281.19.493751883751031.832.83225.12378.47.4103001884501125.628.14225.12268.86.11175018801219.423.45225.12587.212.9125251882251313.218.76225.12481.211.2133001884501031.823.45262.64461.25.9143751883751125.618.76262.64580.99.1155251882251219.432.83262.64280.08.61675018801313.228.14262.64378.412.4

3.3機理分析

由于RPC是由多相材料復合而成，根據斷裂力學和損傷力學理論可知，RPC的破壞機理是基體內部損傷缺陷及微孔洞形成隨機分布的微裂紋，在荷載作用下不斷擴展，導致宏觀裂紋的出現，從而造成RPC的破壞。

通過分析陳萬祥[12]，鞠彥忠[13]等研究的鋼纖維對RPC力學性能的影響及本試驗知，鋼纖維、玄武巖纖維摻入RPC基體中，對RPC的力學性能起到了一定的纖維增強作用。在一定的纖維摻量范圍內，RPC抗壓、抗折強度均隨纖維(鋼纖維、玄武巖纖維)摻量增加而增大，但纖維摻入過量，則抗壓、抗折強度反而下降。其原因為高彈性模量的鋼纖維、玄武巖纖維均勻亂向分布在RPC基體內，形成承力骨架，基體開裂前，纖維與混凝土界面粘結作用使應力從基體傳至纖維，基體開裂后，跨越裂縫的纖維承擔荷載，故適量纖維的摻入增強了RPC的力學性能。若纖維摻入過量，基體內部不宜攪拌均勻，出現結團現象，在基體內部形成應力薄弱區，造成RPC力學性能降低。綜合考慮RPC力學性能及耐久性，研究用玄武巖纖維替代RPC中鋼纖維具有一定的意義。

4　綜合評價RPC基體的最優配比

4.1各因素對RPC抗壓強度的影響

RPC抗壓強度曲線如圖1所示，極差分析結果如表5所示。由圖1和表5分析可得：根據極差的大小，得出五個因素的主次關系為C>A>B>D>E，選取各因素使試驗指標取得最大值的水平，確定RPC最優配比為A2B3C1D1E1。

圖1　RPC抗壓強度曲線Fig.1　Compressive strength curve of RPC

圖2　RPC抗折強度曲線Fig.2　Flexural strength curve of RPC

水膠比A砂膠比B水泥/粉煤灰C減水劑D玄武巖摻量Ek1j 1k11=79.18k12=76.83k13=83.90k14=78.98k15=77.502k21=79.35k22=77.10k23=78.88k24=74.28k25=74.653k31=74.98k32=78.30k33=78.10k34=76.80k35=76.504k41=71.38k42=72.65k43=64.00k44=74.83k45=76.23極差7.975.6519.94.72.85

4.2各因素對RPC抗壓強度的影響

RPC抗折強度曲線如圖2所示，極差分析結果如表6所示。由圖2和表6分析可得：根據極差的大小，得出五個因素的主次關系為C>A>D>B>E，選取各因素使試驗指標取得最大值的水平，確定最佳配比為A1B4C1D1E4。

表6RPC抗折強度結果極差分析表

Tab.6Poor analysis table according to the results of the RPC flexural strength

水膠比A砂膠比B水泥/粉煤灰C減水劑D玄武巖摻量Ek1j 1k11=9.65k12=8.23k13=11.33k14=9.05k15=8.302k21=8.58k22=8.83k23=8.80k24=8.38k25=8.153k31=8.00k32=8.28k33=7.63k34=8.28k35=8.534k41=7.63k42=8.98k43=6.10k44=8.15k45=8.88極差2.020.755.230.90.73

4.3各因素對RPC工作性的影響

工作性是評價新拌RPC的重要指標，本試驗以流動度表示RPC的工作性。水膠比是影響RPC拌合物工作性的主要因素之一，當水膠比小于0.16時，拌合物的流動度基本喪失，在0.16～0.32范圍內，拌合物的流動度隨水膠比的增大而增大，但隨水膠比的增大，RPC基體的力學性能則逐漸降低。粉煤灰和硅灰的摻量對RPC拌合物流動度的影響很大，當硅灰摻量減少，粉煤灰摻量增加時，可以明顯提高拌合物的流動度。由于粉煤灰為光球型顆粒，在水泥漿體中起到潤滑作用，能提高RPC拌合物的流動度，減少用水量，而硅灰比表面積遠大于粉煤灰，水化反應用水量增加。RPC基體中摻入玄武巖纖維，降低了拌合物的流動度，隨玄武巖纖維摻量增加拌合物流動度降低，由于基體中的玄武巖纖維需水泥漿包裹，且單纖直徑較小，故纖維摻量越多流動度越差。

4.4RPC基體的最優配合比

(1)水膠比為0.2時RPC抗壓強度最大，水膠比為0.16時抗RPC抗折強度最大。但是考慮到水膠比0.16時攪拌難度大，不易成型，流動度小，不適宜大規模普及，從施工技術和成本控制上考慮選取水膠比0.2。

(2)砂膠比為1.3時，RPC抗壓強度達到最大，砂膠比為1.4時RPC抗折強度達到最大，但是石英砂是活性粉末混凝土中唯一的“粗骨料”，石英砂的多少直接關系到活性粉末混凝土的密實度，砂膠比對抗壓強度的影響遠大于抗折強度，故選用砂膠比為1.3。

(3)粉煤灰取代水泥量為0%時，RPC基體28 d的抗壓和抗折性能最好，粉煤灰的加入會使活性粉末混凝土28 d的力學性能降低。這是由于粉煤灰的礦物活性較低，在標準養護條件下需要較長的時間才能發揮其礦物活性，所以粉煤灰的加入會使28 d抗壓強度降低，采用高溫養護或者在養護后期，強度的下降速率會減緩。粉煤灰對水泥的取代量為30%時的抗壓強度比取代量為0%時僅降低6%，但RPC的拌合性卻大大提高，滿足了RPC在較低水膠比的情況下對流動度的要求，同時達到了經濟環保的目的。且水泥/粉煤灰為0.7/0.3時抗壓、抗折性能相對較好，綜合分析活性粉末混凝土各方面的性能，故選取水泥/粉煤灰為0.7/0.3。

(4)減水劑可以使拌合物在較低水膠比的條件下還具有較好的工作性和流動性，同時還具有一定的引氣作用。試驗發現減水劑的用量對抗折強度影響不大，在2%時抗壓強度達到最大，選取減水劑為2%。

(5)抗壓強度、抗折強度極差分析表中，玄武巖纖維摻量的極差都為最小，也就是說其對基體性能的影響相對較小，比較而言玄武巖纖維摻量為5 kg/m3時，RPC抗折強度最大，能提高7%。選取玄武巖纖維的摻量選為5 kg/m3。

綜合分析得出試驗中RPC基體最優配比如表7所示，其抗壓強度、抗折強度分別為95.1 MPa、13.4 MPa。

表7活性粉末混凝土基體最優配比

Tab.7The optimal matching of reactive powder concrete

水泥(kg/m3)硅灰(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)石英砂(kg/m3)減水劑(%)水(kg/m3)玄武巖纖維(kg/m3)5251882251219.418.76187.65

綜合分析各因素對RPC力學性能的影響，可以通過以下方法提高玄武巖纖維RPC的力學性能：(1)在保證拌合物工作性的前提下適當降低水膠比。(2)適當提高砂膠比，減少骨料的孔隙率，以提高RPC的體積穩定性。(3)增加硅灰摻量，可以在一定程度上激發基體內部的火山灰效應，促進火山灰質的二次水化反應，使基體更加致密。(4)對玄武巖纖維RPC采用蒸汽養護和90 ℃熱水養護，其力學性能要明顯優于標準養護。

5　結　語

(1)影響RPC強度的諸多因素中，粉煤灰替代水泥用量、水膠比為主要影響因素；

(2)在一定范圍內，用粉煤灰替代部分水泥，可以在強度降低較小的情況下大大提高拌合物的工作性；

(3)運用極差法分析得出RPC的最優配比為：水膠比為0.2、粉煤灰取代水泥量為30%、減水劑為膠凝材料的2%、玄武巖纖維摻量為5 kg/m3。

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Mixture Ratio Design of Basalt Fiber Reactive Powder Concrete Based on Orthogonal Theory

HEXiao-yan,QINLi-da,ZHANGShu-yan,LIHui,ZHAOYan-ru

(School of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China )

Based on orthogonal theory, the mixture ratio of reactive powder concrete (RPC) is designed. Such factors as water-binder ratio, sand-binder ratio, cement/ fly ash, water reducing agent and mixing amount of basalt fiber are considered in orthogonal test with corresponding levels adopted in every factor．The effect of RPC about the workability and strength are analyzed by the range analysis. The results show that the high strength RPC which the 28 d compressive strength is higher than 95.1 MPa and the flexural strength is higher than 13.4 MPa can be prepared with the 0.2 of water-binder ratio, the proportion cement/ fly ash is 30%, water reducing agent is 2%, basalt fiber is 5 kg/m3under the standard curing condition.

reactive powder concrete;orthogonal text;mixture ratio;compressive strength

國家自然科學基金項目(11362013)；內蒙古工業大學校基金項目(X201508)

何曉雁(1970-)，女，副教授，碩導.主要從事混凝土耐久性方面的研究.

趙燕茹，教授，博導.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1402-05