BFUFAC力學性能影響分析

金生吉， 吳永強， 楊宇豪， 許 立， 于 賀

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

近年來，綠色建筑已經成為建筑業一種新的發展趨勢[1-2].燃煤電廠固廢的粉煤灰通常作為混凝土中一種替代水泥的摻合料，在建筑工程領域中具有廣泛的應用[3].但粉煤灰混凝土也存在一些無法避免的缺點，如抗折強度低、抗裂能力差、易脆性破壞等，嚴重影響了建筑結構的可靠性[4].為了提高粉煤灰混凝土的抗折強度，解決脆性開裂問題，彌補韌性差的不足，國內外許多學者對其進行了研究.范夢甜等[5]研究發現摻入超細粉煤灰的水泥復合膠凝材料28 d抗壓強度明顯提高，且粉煤灰粒徑越細28 d抗壓強度越高；陳峰賓等[6]發現纖維的摻入可以改變混凝土內部孔隙率與孔徑分布比，且通過各纖維空間網狀分布，增強混凝土整體性，可以顯著提高混凝土28 d抗壓強度；Abushanab等[7]研究發現摻加玄武巖纖維可以顯著改善混凝土梁的延性指數和承載能力.本文通過外摻玄武巖纖維研究超細粉煤灰混凝土力學性質.

玄武巖纖維是一種綠色新型無機纖維材料，具有抗拉強度高、彈性模量大、耐腐蝕、成本低等優點，與粉煤灰混凝土之間具有很好的相容性，明顯改善粉煤灰混凝土的脆性問題，延長建筑物的使用壽命[8-9].超細粉煤灰與普通粉煤灰相比，可以增強粉煤灰的活性，提高混凝土的密實度，更具減水效應，顯著提高粉煤灰混凝土的力學性能[10].為了研究玄武巖纖維超細粉煤灰混凝土(basalt fiber ultrafine fly ash concrete，BFUFAC)的力學性能，本文通過設計正交試驗方案，研究不同因素水平的抗壓、劈裂抗拉、抗折強度變化，尋求不同工作條件下相對最優的BFUFAC配合比，為BFUFAC的工程應用提供一定的指導和借鑒意義.

1 正交試驗設計

1.1 試驗原材料

水泥選用遼寧山水集團生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，性能指標如表1所示.粗骨料選用粒徑為8～20 mm的碎石；細骨料選用細度模數為2.68的天然中河砂；超細粉煤灰為華電集團生產的I級粉煤灰加工粉磨后的超細粉煤灰，中位徑d50=2.433 μm，且粒徑在10 μm以下的粉煤灰占總體積的84.1%，超細粉煤灰的具體粒徑分布如表2所示；玄武巖纖維選用河南登電玄武石纖公司制造的短切玄武巖纖維，其密度為2.65 g/cm3，性能指標如表3所示，試驗纖維樣品如圖1所示；減水劑使用奈系高效減水劑；采用潔凈自來水.

表1 水泥性能指標Tab.1 Cement performance indexes

表2 超細粉煤灰粒徑分布Tab.2 Particle size distribution of ultrafine fly ash

表3 玄武巖纖維性能指標Tab.3 Basalt fiber performance indexes

圖1 試驗用玄武巖纖維樣品Fig.1 Test samples of basalt fibers used for tests

1.2 試件制作與設備

試驗中，抗壓和劈裂抗拉試驗采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，抗折試驗采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，每組不少于3個.攪拌機采用HY2-60式攪拌機，各組分投料次序如圖2所示.將拆模試件放入室溫20±2 ℃，相對濕度大于95%的養護室養護，養護28 d.抗壓試驗采用濟南恒瑞金試驗機有限公司生產的YAW-1000型微機控制電液伺服壓力試驗機，劈裂抗拉試驗和抗折試驗采用時代試金生產的WDW-100型微機控制電子式萬能試驗機.

1.3 因素、水平的確定

正交試驗是研究多因素多水平問題的一種常規有效方法，可以通過試驗結果分析各個因素在不同水平下對試驗結果的影響程度[11].在不同水平下，超細粉煤灰摻量、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長度、減水劑摻量會對BFUFAC產生不同程度的力學性能影響[12].本文設計四因素三水平正交試驗，正交因素、水平如表4所示.

圖2 試件制作流程圖Fig.2 Flow chart of sample fabrication

1.4 材料配合比及試驗結果

2 正交試驗極差分析

2.1 各因素對抗壓強度的影響

抗壓試驗完成后，運用極差法對各組試件結果進行數據分析，極差分析結果如表6所示.各因素在不同水平下的抗壓強度曲線如圖3所示.

由極差分析法可知，極差Rj數值越大，表明該因素對試驗結果影響越大[14].由表6可知，各因素對BFUFAC抗壓強度影響程度為：粉煤灰摻量大于玄武巖纖維摻量大于玄武巖纖維長度大于減水劑摻量.其中，粉煤灰摻量對抗壓強度的影響最明顯.由圖3可知，當粉煤灰摻量越高時，混凝土抗壓強度越低，且隨著摻量增大，抗壓強度降低速率越快；當玄武巖纖維摻量增大時，抗壓強度降低，摻量為0.1%時，抗壓強度最高；當玄武巖纖維長度增大時，抗壓強度先增大后減少，其長度為18 mm時，抗壓強度最大；當減水劑摻量增大時，抗壓強度降低，且減水劑摻量越大，抗壓強度降低速率越快.因此，在側重抗壓強度的工程實際應用中，BFUFAC應選擇的配合比為A1B1C2D1.

表4 正交因素、水平Tab.4 Orthogonal factors and levels

表5 材料配合比及試驗結果Tab.5 Material ratio and test results

表6 抗壓強度極差分析Tab.6 Range analysis of compressive strength

圖3 各因素對抗壓強度的影響Fig.3 Influence of various factors on compressive strength

2.2 各因素對劈裂抗拉強度的影響

各組試件的劈裂抗拉試驗極差分析表明，各因素對劈裂抗拉強度影響程度不同，具體極差分析結果如表7所示，各因素對劈裂抗拉影響如圖4所示.

表7 劈裂抗拉強度極差分析Tab.7 Range analysis of splitting tensile strength

由極差Rj可知，對于BFUFAC的劈裂抗拉強度，各因素的影響程度為：玄武巖纖維摻量大于減水劑摻量大于玄武巖纖維長度大于粉煤灰摻量.由圖4可知，粉煤灰摻量越大，劈裂抗拉強度越低，且隨著摻量增大，降低速率越快；減水劑摻量為1.2 kg/m3時劈裂抗拉強度最大，過量的減水劑摻量會嚴重影響混凝土的劈裂抗拉強度；玄武巖纖維摻量越大，劈裂抗拉強度越低，且隨著摻量增大，降低速率越快；玄武巖纖維長度為18 mm時，劈裂抗拉強度最大，過長的纖維長度會嚴重影響混凝土的劈裂抗拉強度.因此，在側重劈裂抗拉強度的工程實際應用中，BFUFAC最優配合比為A1B1C2D2.

圖4 各因素對劈裂抗拉強度的影響Fig.4 Influence of various factors on splitting tensile strength

2.3 各因素對抗折強度的影響

由各組試件抗折試驗極差分析表明，各因素對抗折強度影響程度不同，具體極差分析結果如表8所示，各因素對抗折強度影響程度如圖5所示.

表8 抗折強度極差分析Tab.8 Range analysis of flexural strength

圖5 各因素對抗折強度的影響Fig.5 Influence of various factors on flexural strength

對于BFUFAC的抗折強度，各因素的影響程度為：玄武巖纖維摻量大于粉煤灰摻量大于減水劑摻量大于玄武巖纖維長度.由圖5可知，玄武巖纖維摻量越大，抗折強度越低，摻量為0.1%時，抗折強度最大；當粉煤灰摻量越大時，抗折強度越低，20%摻量時，抗折強度最大；減水劑摻量增大時，抗折強度的變化趨勢先增大后降低，在摻量1.2%時抗折強度最高；抗折強度隨玄武巖纖維長度增長先增加后降低，18 mm的玄武巖纖維能夠充分發揮纖維優異的抗拉性能，增強混凝土的抗折性能.因此，在側重抗折強度的工程實際應用中，BFUFAC抗折強度最優配合比為A1B1C2D2.

2.4 各因素對力學性能影響機理分析

為進一步研究BFUFAC力學性能，現對試驗各主要影響因素的作用機理進行分析.粉煤灰在混凝土中的水化反應速度較慢，在28 d的養護周期內，粉煤灰摻量越多，對混凝土的影響越顯著，導致混凝土的力學強度越低[15].同時，混凝土強度降低會減小混凝土對玄武巖纖維提供的握裹力，影響玄武巖纖維對混凝土力學性能的加強作用.適量的玄武巖纖維摻加到混凝土中可以起到“微筋”作用，能夠從各個方向上有效抑制和約束裂縫的開展和延伸，增強其力學性能，但過高的纖維摻量在混凝土中分散不均勻，極易形成有害孔隙，增大了混凝土的薄弱面，降低了混凝土的力學性能[16].合適的玄武巖纖維長度可以在混凝土中產生較大的握裹力，充分發揮玄武巖纖維的抗拉性能.纖維長度過短時，混凝土漿體對纖維的包裹力較小，不能充分發揮纖維優異的抗拉性能；纖維長度過長時，纖維極易在混凝土中發生團結現象，顯著增加了混凝土中的有害孔隙率，降低了玄武巖纖維對混凝土的增強能力.過量地使用減水劑會導致混凝土出現離析、泌水、板結現象，嚴重影響混凝土的強度.

降雨前后土質邊坡非飽和-飽和滲流場的計算結果如由圖5所示。從圖5(a)中可以看出，雨水入滲前，土質邊坡的地下水位線即為孔隙水壓力0值線；地下水位線以上的土體處于非飽和狀態，孔隙水壓力為負值，按逆向靜水壓力梯度分布；地下水位線以下的土體處于飽和狀態，孔隙水壓力為正值，按正向靜水壓力梯度分布。隨著雨水入滲，從圖5(b)—圖5(e)中可以發現，相對于雨水入滲前的非飽和狀態下的存在明顯不同，土質邊坡表層土體由非飽和轉變為飽和，土體中的孔隙水壓力由無雨水入滲前的負值變為按照靜水壓力分布的正值，土體中的基質吸力減小。并且隨著降雨時間的增加，逐漸向邊坡內部擴散，濕潤鋒面上的負孔隙水壓力按梯度重新分布。

3 正交試驗方差分析

3.1 抗壓強度方差分析

極差分析可以直接得出試驗的最優方案，但是極差分析具有一定的片面性，不能區分試驗結果與試驗誤差[17].方差分析可以區分各因素水平變化和誤差原因導致的試驗結果差異，對極差分析結果進一步補充.本試驗中，抗壓強度方差分析如表9所示.

因在四因素三水平正交試驗中無空白列，所以將因素偏差小的偏差平方和代替誤差平方和.由表9可以看出，粉煤灰摻量偏差平方和最大，對抗壓強度有顯著影響的可信度為99%，可認為粉煤灰對抗壓強度的影響是第一位的，這也與極差分析的結果相符；其他因素偏差平方和相對較小，對抗壓強度的影響不明顯，產生顯著性影響的可信度很低，可弱化該因素對抗壓強度產生的影響，并將這種影響視為試驗誤差影響.

表9 抗壓強度方差分析Tab.9 Variance analysis of compressive strength

3.2 劈裂抗拉強度方差分析

在劈裂抗拉強度方差分析中，粉煤灰摻量和玄武巖纖維長度偏差平方和最小，弱化該因素影響，將其偏差平方和代替誤差平方和，具體方差分析結果如表10所示.

表10 劈裂抗拉強度方差分析Tab.10 Variance analysis of splitting tensile strength

由表10可以看出，減水劑摻量和玄武巖纖維摻量對劈裂抗拉強度最具顯著性影響，可信度分別達97%和96%.粉煤灰摻量和玄武巖纖維長度不能對劈裂抗拉強度產生明顯作用，影響效果相對不顯著，與極差分析結果相符.

3.3 抗折強度方差分析

在抗折強度方差分析中，玄武巖纖維長度偏差平方和相對最小，顯著性影響程度最低，可將其視作誤差，弱化這一因素對試驗的作用影響，具體方差分析如表11所示.

表11 抗折強度方差分析Tab.11 Variance analysis of flexural strength

根據表11方差分析結果可知，玄武巖纖維摻量對抗折強度最具顯著性影響，可信度為81%；粉煤灰摻量和減水劑摻量對抗折強度的顯著性影響稍低，可信度均達80%，也是試驗主要的影響因素；玄武巖纖維長度不能對抗折強度產生明顯作用，顯著性影響的可信度較低.方差分析結果與極差分析結果基本相符.

玄武巖纖維長度越大，混凝土提供的握裹力越大，可充分發揮纖維的抗拉性能，但纖維在相同體積摻量下，纖維長度越大，混凝土斷裂面的纖維相對越少，單一改變纖維長度這一因素變量，對混凝土的抗折性能改善不能起到顯著作用，因此在抗折強度中，玄武巖纖維長度最不具顯著性影響.

4 試驗結果線性回歸分析

利用統計軟件SPSS26.0對試驗結果進行多元線性回歸分析，得到了抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度的模型摘要，如表12所示.

表12 多元線性回歸模型數據Tab.12 Multiple linear regression model data

假設線性回歸模型為

yi=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4

(1)

式中：yi為因變量(y1為抗壓強度，y2為劈裂抗拉強度，y3為抗折強度)；βi為線性回歸系數；xi為自變量(x1為粉煤灰摻量，x2為玄武巖纖維摻量，x3為玄武巖纖維長度，x4為減水劑摻量).將各組試驗數據代入線性回歸模型中，可得到各因變量的方差分析和回歸系數如表13～16所示.

回歸方程為

y1=44.260-0.266x1-8.600x2+

表14 劈裂抗拉強度線性回歸方差分析Tab.14 Linear regression analysis of variance for splitting tensile strength

表15 抗折強度線性回歸方差分析Tab.15 Linear regression analysis of variance for flexural strength

表16 線性回歸系數Tab.16 Linear regression coefficients

y2=5.102+0.002x1-0.433x2-

0.003x3-0.367x4

(3)

y3=7.122-0.011x1-3.817x2+

0.030x3-0.329x4

(4)

試驗中，各因素水平變化影響力學性能變化趨勢與線性回歸方程變化趨勢相符.其中，各因素系數反映該因素對力學性能的影響程度[18-20].由于P值分別為0.97、0.97、0.96，可以認為多元線性回歸模型合理，因變量和自變量之間的關系均符合線性關系.因此，可以通過線性回歸方程對BFUFAC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度進行預測.

5 結 論

本文采用正交試驗方法開展各主要組成成份對BFUFAC力學性能的影響研究，得到如下結論：

1) BFUFAC的抗壓強度按影響效果顯著程度由強及弱的排序為：粉煤灰摻量大于玄武巖纖維摻量大于玄武巖纖維長度大于減水劑摻量，其中只有粉煤灰摻量對抗壓強度影響效果最為顯著，其他因素影響不顯著.

2) BFUFAC的劈裂抗拉強度按影響效果顯著程度由強及弱的排序為：玄武巖纖維摻量大于減水劑摻量大于玄武巖纖維長度大于粉煤灰摻量，其中玄武巖纖維摻量和減水劑摻量對劈裂抗拉強度的影響最為顯著.

3) BFUFAC的抗折強度按影響效果顯著程度由強及弱的排序為：玄武巖纖維摻量大于粉煤灰摻量大于減水劑摻量大于玄武巖纖維長度，其中玄武巖纖維摻量、粉煤灰摻量和減水劑摻量對抗折強度的影響相對顯著.

4) 在本研究范圍內，優先側重BFUFAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度要求的工程實際應用中，最優配合比分別為A1B1C2D1、A1B1C2D2和A1B1C2D2.

5) 通過對各組正交試驗結果的多元線性回歸分析，可得到BFUFAC的力學性能預測模型，根據該模型可以對BFUFAC不同條件下的力學性能進行預測.