基于正交試驗的混合纖維混凝土力學性能研究

林澤樺，王 兵，閔金偉

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

目前國內外諸多學者對混凝土的性能行進了諸多研究，纖維因其良好的力學性能被廣泛應用在混凝土中。已有研究表明[1-2]短纖維的摻入能明顯改善混凝土的抗拉性能和韌性。聚丙烯腈纖維因其抗拉強度高，韌性好，已成為混凝土在增韌作用中的重點研究對象[3-4]。鋼纖維在混凝土受載破壞過程中能夠明顯阻止混凝土裂縫的擴展，還能明顯增強混凝土的抗拉強度和韌性；而聚丙烯腈纖維對混凝土的力學性能影響不大，主要表現在混凝土的耐久性和早期收縮裂縫。王志旺等[5]研究發現聚丙烯腈纖維的摻入能夠明顯改善混凝土的抗滲性和抗凍性等耐久性能。孔琳潔等[6]研究發現聚丙烯腈纖維的摻入能明顯改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。目前對混摻纖維混凝土沒有明確的技術指導性文件，為了進一步研究混摻纖維對混凝土力學性能的影響，本文通過對鋼纖維、聚丙烯腈纖維和礦粉進行三因素三水平的正交試驗，研究立方體抗壓強度，軸心抗壓強度和抗折強度。

1 試驗概況

1.1 配合比

本試驗根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)結合相關的規范，在相同水膠比(0.4)的情況下，考慮的因數水平為礦粉摻量Ma(0，7%，14%)、鋼纖維體積分數Vs(0，1%，2%)、聚丙烯腈纖維體積分數Vp(0，0.05%，0.10%)。三因數三水平，采用L9(33)正交表設計正交試驗。混凝土配合比設計及強度見表1。

表1 混凝土配合比設計及強度

1.2 試樣制備

按照國家相關標準[7]進行試塊的制備，采用單臥軸式混凝土攪拌機。準備3個100 mm×100 mm×100 mm的試模。在試模上涂上脫模劑，將攪拌好的拌合物拌和均勻，接著將混凝土裝入試模內，用抹刀插搗，敲擊，然后在振動臺上震動1 min左右，將試模上多余的砂漿層刮掉，保持與試模口齊平，敷上塑料薄膜，這些工作要在規定的時間30 min內完成。

2 試驗現象及結果分析

將試塊在標準養護室養護至28 d后取出進行強度試驗，采用DYE—2000 s型全自動恒應力試驗機測試混凝土立方體抗壓強度fcu，試驗結果見表1。為了考察鋼纖維體積分數A，聚丙烯腈纖維體積分數B，礦粉摻量C對立方體抗壓強度的影響，對結果進行極差分析和方差分析，找出顯著性影響因數，其結果見表2。

表2 混凝土強度值極差和方差分析

2.1 混凝土立方體抗壓強度極差分析

①各因數對混凝土立方體抗壓強度的影響表現為A>C>B，其中鋼纖維體積分數對混凝土立方體抗壓強度的影響最為明顯，其極差值R為12.900 MPa，礦粉摻量的影響程度次之，其極差值R為2.523 MPa，而聚丙烯腈纖維體積分數對混凝土立方體抗壓強度的影響程度最小，其極差值R為0.500 MPa；②當Vs從0提高到1%時，混凝土立方體抗壓強度提高了8.69%，當Vs從0提到到2%時，混凝土立方體抗壓強度提高了32.66%；③當Vp從0提高到0.05%時，混凝土立方體抗壓強度下降了0.96%，當Vp從0提高到0.1%時，混凝土立方體抗壓強度反而提高了0.15；④當Ma從0提高到7%混凝土立方體抗壓強度提高了2.98%，當Ma從0提高到14%時，混凝土立方體抗壓強度下降了5.80%。

2.2 混凝土立方體抗壓強度方差分析

通過混凝土立方體抗壓強度方差分析可知：A的顯著性水平小于0.01，C的顯著性水平小于0.05，而B的顯著性水平大于0.05，鋼纖維體積分數對于混凝土立方體抗壓強度是高度顯著性影響因數，礦粉摻量是顯著性影響因數，而聚丙烯腈纖維體積分數則不是顯著性影響因數。

3 混合纖維混凝土強度模型預測

根據復合材料的力學理論，將混合纖維混凝土看成由基體像，鋼纖維增強相，聚丙烯腈纖維增強相和礦粉增強相四相組成混合纖維混凝土強度[8]。假定強度回歸模型為：

F=β0+β1x1+β2x2+β3x3+δ

(1)

式中，F為混凝土立方體抗壓強度；β0為混凝土立方體抗壓的基體強度；β1、β2、β3為回歸系數；δ為實驗參數。

由方差分析可知，聚丙烯腈纖維體積分數不是混凝土立方體抗壓強度的顯著性影響因數，將立方體抗壓強度代入到模型(1)中，用stata進行回歸分析得到混凝土立方體抗壓強度模型為：

Fcu=38.5+645x1+18.1x3

(2)

對于C40的混合纖維混凝土的立方體抗壓強度的預測值和實測值的結果見表3，由表3可以看出混凝土立方體抗壓強度的實測值與預測值的最大誤差在8%以內，具有較好的精度。

表3 混合纖維混凝土強度預測值、實測值及相對誤差分析表

4 結 論

1)鋼纖維體積分數對混凝土強度的影響最為明顯，立方體抗壓強度可提高32.66%，聚丙烯腈纖維對混凝土立方體抗壓強度影響則沒有表現出明顯的規律性，礦粉摻量則表現出與聚丙烯腈纖維體積分數相反規律。

2)由方差分析表可知鋼纖維體積分數對混凝土立方體抗壓強度是高度顯著性影響因數，聚丙烯腈纖維體積分數對立方體抗壓強度不是顯著性影響因數；礦粉對立方體抗壓強度顯著性影響因素。

3)由極差分析得出對于混合纖維混凝土的立方體抗壓強度最優配合比為A3B3C3；由方差分析得出基于混合纖維混凝土立方體抗壓強度，對于A和C，最優取值是A3和C3，B不是顯著性影響因數取中間值，所以最優配合比為A3B2C3。

4)根據復合材料力學理論建立的混合纖維混凝土立方體抗壓強度預測模型，對比預測值和實測值說明模型預測的精度較高，具有一定的工程意義。

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