混雜纖維協同增強輕骨料混凝土力學性能試驗研究

郝紹菊，馬 競

(1.河南開放大學，河南 鄭州 450046; 2.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

0 引 言

輕骨料混凝土是指由人工制作或天然形成的輕質骨料替代普通混凝土中部分骨料的混凝土且其表觀密度不大于1 950 kg/m3，輕骨料混凝土具有輕質、高強等特點，是當前高層及大跨度結構的重要建筑材料[1-2]。但輕骨料混凝土相對于普通混凝土強度低、脆性大，很大程度上限制了其工程應用，因此增強輕骨料的強度、改善其脆性成為近年來的研究熱點[3-5]。

基于輕骨料混凝土的缺陷，混雜纖維混凝土應運而生，其是將兩種或兩種以上纖維摻入輕骨料混凝土中得到的新型輕骨料混凝土[6-7]。姜猛等[8]研究了塑鋼-聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土的抗沖擊性能，結果顯示摻入混雜纖維后輕骨料混凝土具有較好的韌性和抗多次沖擊能力；董喜平等[9]通過將聚丙烯纖維和玻璃纖維單一摻入及兩者混雜摻入輕骨料混凝土中研究其對輕骨料混凝土的力學性能影響，結果表明混雜纖維摻入輕骨料混凝土中表現出良好的正混雜效應且極大地提升了輕骨料混凝土的力學性能；霍俊芳等[10]研究了鋼-聚丙烯纖維二元混雜纖維輕骨料混凝土的力學性能，結果表明混雜纖維能在保證強度且不增加其表觀密度的前期下有效改善輕骨料混凝土的脆性。

鋼纖維具有高彈性模量的特點且增強效應顯著，但價格高昂，而聚丙烯纖維雖然彈性模量較低但價格低廉，故本文設計將鋼-聚丙烯纖維混雜纖維和輕骨料摻入混凝土中，制備鋼-聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土(HF-LAC)，以期兩種纖維發生“正混雜效應”，為HF-LAC在工程中的應用和相關研究提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。石子：粒徑為5～20 mm的碎石。砂子：中砂，細度模數天然河砂為2.65。輕骨料采用陶粒和陶砂，性能參數見表1。纖維：剪切波浪線型鋼纖維和單絲束狀聚丙烯纖維，表觀和微觀如圖1所示，具體性能指標見表2。減水劑：HPWR型高性能減水劑，減水率為37%。水：自來水。

表1 陶粒和陶砂主要性能指標

圖1 纖維外觀及微觀

1.2 試驗設計

在開展多因素多水平的試驗時通常采用正交試驗法，選取具有代表性和典型性的點進行試驗，從而有效降低試驗次數且提高效率和準確性[11]。為了研究纖維和輕骨料對HF-LAC力學性能的影響，考慮因素為：因素A-鋼纖維體積率(0%、0.1%、0.2%、0.3%)、因素B-聚丙烯纖維體積率(0%、0.1%、0.2%、0.3%)、因素C-陶粒代石子率(0%、7%、14%、21%)、因素 D-陶砂代砂子率 (0%、5%、10%、15%)，采用L16(44)正交表進行四因素四水平正交試驗設計，同時參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》設計HF-LAC配合比，如表3所示。

表3 HF-LAC配合比 kg/m3

1.3 試件制備及試驗方法

試件制作時，先將稱量好的石子和砂子混合干拌 1 min，然后倒入陶粒和陶砂繼續干拌 1 min，然后倒入鋼纖維纖維和聚丙烯纖維繼續干拌1 min，接著加入繼續干拌1 min，最后加入水和減水劑攪拌3 min，制作完成HF-LAC。抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗每組各制作 3 個 100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，隨后放入室溫為（20±2）℃的不流動的飽和氫氧化鈣溶液中養護 28 d。按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，運用WAW-2000電液伺服萬能試驗機進行HF-LWC抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。

2 試驗結果與分析

試驗得到的16組HF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度及計算得出的拉壓比結果如表4所示，并基于表4中數據運用分析軟件SPSS進行極差和方差分析，結果分別如表5、表6所示。

表4 HF-LAC強度試驗結果

表5 HF-LAC強度極差分析結果

表6 HF-LAC強度方差分析結果1）

根據表5中對HF-LAC強度極差分析的結果繪制四種因素對HF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和拉壓比的水平趨勢圖如圖2所示。

2.1 HF-LAC抗壓強度

從表5中對HF-LAC抗壓強度極差分析結果可知，聚丙烯纖維對HF-LAC的抗壓強度影響最大，極差為2.7 MPa，其次是鋼纖維、陶粒和陶砂，極差分別為 2.07 MPa、1.77 MPa 和 0.33 MPa，由此可見四因素對HF-LAC抗壓強度影響大小依次為B＞A＞C＞D。基于圖2(a)可知，鋼纖維體積率從0%增加到0.2%時，抗壓強度提升幅度最大，為5.69%鋼纖維體積率從0.2%增加到0.3%時，抗壓強度反而出現下降；聚丙烯纖維體積率從0%增加到0.2%時，抗壓強度提升幅度最大，為7.46%，與鋼纖維表現一致，聚丙烯纖維體積率從0.2%增加到0.3%時，抗壓強度也出現下降，這表明適量的纖維摻入有利于HF-LAC抗壓強度的提升即發生“正混雜效應”，但過量的纖維摻入會導致抗壓強度降低，發生“負混雜效應”；陶粒代石子率從0%增加到7%時，抗壓強度提升0.1%，效果并不明顯，之后隨著陶粒代石子率的增加，抗壓強度出現下降，當陶粒代石子率為21%時，相較于0%的代石子率抗壓強度降低4.53%；陶砂對HF-LAC抗壓強度的影響與陶粒表現一致，整體變化幅度在0.9%以內，這說明少量輕骨料摻入混凝土中在一定程度上能夠提升混凝土抗壓強度影響，但隨著摻量的增加強度會出現較為明顯的降低，這是因為少量的輕骨料能夠改善細骨料的級配，填充混凝土內部的孔隙，使得混凝土內部更加密實，從而提升了HF-LAC的抗壓強度，但由于少量輕骨料摻入混凝土中并不能發揮輕骨料混凝土輕質的特點，故這也是本文研究的立足點。綜合上述對HF-LAC抗壓強度的極差分析可知，若僅此提升HF-LAC抗壓強度角度考慮，四因素的最佳組合為A3B3C1D2。

圖2 HF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度和拉壓比的水平趨勢圖

根據表6中對HF-LAC抗壓強度的方差分析系結果可知，聚丙烯纖維體積率是影響HF-LAC抗壓強度的特別顯著因素，鋼纖維體積率和陶粒代石子率是顯著因素，但鋼纖維體積率對HF-LAC抗壓強度的影響大于陶粒代石子率，陶砂代砂子率是非顯著因素。

2.2 HF-LAC劈裂抗拉強度

由表5可知：影響HF-LAC劈裂抗拉強度的因素依次為鋼纖維 (0.480 MPa)＞陶粒 (0.220 MPa)＞聚丙烯 (0.190 MPa)＞陶砂 (0.095 MPa)。從圖2(b)可以看出，四因素對HF-LAC劈裂抗拉強度的提升都呈增加趨勢，當鋼纖維體積率從0%增加到0.3%，劈裂抗拉強度增長11.61%，當聚丙烯纖維體積率從0%增加到0.3%，劈裂抗拉強度增長3.23%，當陶粒代石子率從0%增加到21%，劈裂抗拉強度增長5.05%，當陶砂代砂子率從0%增加到15%，劈裂抗拉強度增長0.91%。綜上所述可知，一方面聚丙烯和陶粒對HF-LAC劈裂抗拉強度的影響較為接近，但陶粒的影響大于聚丙烯；另一方面纖維混雜可以表現出良好的協同作用，使得HF-LAC劈裂抗拉強度得到提升。若僅從提升HF-LAC劈裂抗拉強度角度考慮，四因素的最佳組合為A4B3C2D4。

根據表6中對HF-LAC劈裂抗拉強度的方差分析系結果可知，鋼纖維體積率是影響HF-LAC劈裂抗拉強度的特別顯著因素，聚丙烯纖維體積率和陶粒代石子率是顯著因素，但陶粒代石子率對HFLAC劈裂抗拉強度的影響大于聚丙烯纖維體積率，陶砂代砂子率是非顯著因素。

2.3 HF-LAC拉壓比

基于表5中HF-LAC拉壓比極差值可以看出，四因素對HF-LAC拉壓比影響大小依次為鋼纖維(0.111 MPa)＞陶粒 (0.007 6)＞聚丙烯 (0.004 5）＞陶砂(0.003 2)。根據圖2(c)可知，HF-LAC 拉壓比隨著鋼纖維和陶粒摻量的增加而提升，隨著陶砂摻量的增加HF-LAC拉壓比先降低后提升且整體上呈上升趨勢，但HF-LAC拉壓比隨著聚丙烯纖維摻量的增加而降低，若僅此提升HF-LAC拉壓比角度考慮，四因素最佳組合為A4B1C4D2。

根據表6中對HF-LAC拉壓比的方差分析結果可知，鋼纖維體積率是影響HF-LAC拉壓比的特別顯著因素，聚丙烯纖維體積率、陶粒代石子率和陶砂代砂子率是影響HF-LAC拉壓比的顯著因素。

2.4 功效系數分析

功效系數法是一種針對多個目標進行綜合評價的方法，根據表4中16組HF-LAC抗壓強度劈裂抗拉強度試驗結果，依次求出每個指標的功效比，最后求出總功效系數，結果如圖3所示。

圖3 功效系數值

基于圖3中總功效系數值的分析可知，C15組試件總功效系數最大，為97.66，因此，綜合四因素對HF-LAC抗壓強度、劈裂抗拉強度影響，最佳配合比組合為A4B3C2D4，即鋼纖維體積率為0.3%，聚丙烯纖維體積率為0.2%，陶粒代石子率為7%，陶砂代砂子率為15%。

3 SEM微觀分析

圖4給出了在SEM微觀掃描下纖維與基體的粘結形態，當HF-LAC承受外部荷載時，混凝土內部的微裂縫開始逐步擴展，在此階段HF-LAC的應力主要是由混凝土基體承擔，隨著荷載的繼續增大，混凝土內部的微裂縫擴展成貫穿的小裂縫，此時，高彈性模量的鋼纖維能在混凝土基體中形成橋接作用且與混凝土基體之間的機械咬合力和黏結力承擔外部荷載作用，但隨著混凝土應變的增大，特別是當混凝土內部的小裂縫發展成更大的裂縫時，鋼纖維的橋接作用會降低很多，此時由于聚丙烯纖維發生了一定的變形并表現其顯著性，與鋼纖維協同作用發生“正混雜效應”增強HF-LAC的強度，改善其脆性，但由于聚丙烯纖維的彈性模量低，所以相較于鋼纖維對HF-LAC的約束作用有限，伴隨著荷載的繼續增加，試件強度逐漸降低最后發生破壞。

圖4 圖4 SEM微觀掃描下纖維與基體的粘結形態

4 強度預測模型

假設HF-LAC強度由混凝土基體強度、鋼纖維增強項、聚丙烯纖維增強項、陶粒代石子增強項和陶砂代砂子增強項共同組成，假定強度回歸模型為：

式中：f——HF-LAC抗壓強度或劈裂抗拉強度，MPa；

α0——混凝土基體抗壓強度或劈裂抗拉強度，MPa；

α1,α2,a3,α4——回歸系數；

φ——試驗參數；

x1——鋼纖維體積率，%；

x2——聚丙烯纖維體積率，%；

x3——陶粒代石子率，%；

x4——陶砂代砂子率，%。

將表4中數據代入回歸模型（1）中，對 α進行最小二乘法估計得出HF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度的回歸方程為：

其中，fs為 HF-LAC抗壓強度，MPa；ft為HF-LAC劈裂抗拉強度，MPa；r2為決定系數。

5 結束語

1）HF-LAC抗壓強度的特別顯著因素是聚丙烯纖維，鋼纖維和陶粒是影響HF-LAC抗壓強度的顯著因素且鋼纖維大于陶粒，陶砂是HF-LAC抗壓強度的非顯著因素。對HF-LAC抗壓強度，鋼纖維最佳體積率為0.2%，聚丙烯纖維最佳體積率為0.2%，陶粒最佳代石子率為0%，陶砂最佳代砂子率為5%。

2）鋼纖維體積率、聚丙烯纖維體積率、陶粒代石子率和陶砂代砂子率對HF-LAC劈裂抗拉強度的影響程度大于抗壓強度。鋼纖維是HF-LAC劈裂抗拉強度的特別顯著因素，陶粒和聚丙烯纖維是顯著因素且陶粒大于聚丙烯纖維，HF-LAC最佳配合比組合為A4B3C2D4。

3）鋼纖維是HF-LAC拉壓比的特別顯著因素，其他三個因素均為顯著因素且陶砂對HF-LAC拉壓比影響最小，若僅考慮提升HF-LAC拉壓比，四因素的最佳組合為A4B1C4D2。

4）基于功效系數法綜合四因素對HF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響得出試驗的最佳配合比組合為A4B3C2D4，即鋼纖維體積率為0.3%，聚丙烯纖維體積率為0.2%，陶粒代石子率為7%，陶砂代砂子率為15%。借助SEM微觀掃描對纖維與基體之間的粘結機理進行了分析，建立了HF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度與四因素之間的預測模型。