基于正交試驗(yàn)的混合纖維混凝土力學(xué)性能研究

林澤樺，王 兵，閔金偉

(江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 前 言

目前國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)混凝土的性能行進(jìn)了諸多研究，纖維因其良好的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)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(qiáng)度高，韌性好，已成為混凝土在增韌作用中的重點(diǎn)研究對(duì)象[3-4]。鋼纖維在混凝土受載破壞過(guò)程中能夠明顯阻止混凝土裂縫的擴(kuò)展，還能明顯增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性；而聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響不大，主要表現(xiàn)在混凝土的耐久性和早期收縮裂縫。王志旺等[5]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈纖維的摻入能夠明顯改善混凝土的抗?jié)B性和抗凍性等耐久性能?？琢諠嵉萚6]研究發(fā)現(xiàn)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(duì)混摻纖維混凝土沒(méi)有明確的技術(shù)指導(dǎo)性文件，為了進(jìn)一步研究混摻纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，本文通過(guò)對(duì)鋼纖維、聚丙烯腈纖維和礦粉進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，研究立方體抗壓強(qiáng)度，軸心抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)概況

1.1 配合比

本試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)結(jié)合相關(guān)的規(guī)范，在相同水膠比(0.4)的情況下，考慮的因數(shù)水平為礦粉摻量Ma(0，7%，14%)、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)Vs(0，1%，2%)、聚丙烯腈纖維體積分?jǐn)?shù)Vp(0，0.05%，0.10%)。三因數(shù)三水平，采用L9(33)正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)及強(qiáng)度見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)及強(qiáng)度

1.2 試樣制備

按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行試塊的制備，采用單臥軸式混凝土攪拌機(jī)。準(zhǔn)備3個(gè)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(nèi)，用抹刀插搗，敲擊，然后在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)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(guī)定的時(shí)間30 min內(nèi)完成。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

將試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d后取出進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，采用DYE—2000 s型全自動(dòng)恒應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu，試驗(yàn)結(jié)果見表1。為了考察鋼纖維體積分?jǐn)?shù)A，聚丙烯腈纖維體積分?jǐn)?shù)B，礦粉摻量C對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，找出顯著性影響因數(shù)，其結(jié)果見表2。

表2 混凝土強(qiáng)度值極差和方差分析

2.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度極差分析

①各因數(shù)對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響表現(xiàn)為A>C>B，其中鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)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?jǐn)?shù)對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響程度最小，其極差值R為0.500 MPa；②當(dāng)Vs從0提高到1%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度提高了8.69%，當(dāng)Vs從0提到到2%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度提高了32.66%；③當(dāng)Vp從0提高到0.05%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降了0.96%，當(dāng)Vp從0提高到0.1%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度反而提高了0.15；④當(dāng)Ma從0提高到7%混凝土立方體抗壓強(qiáng)度提高了2.98%，當(dāng)Ma從0提高到14%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降了5.80%。

2.2 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度方差分析

通過(guò)混凝土立方體抗壓強(qiáng)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?jǐn)?shù)對(duì)于混凝土立方體抗壓強(qiáng)度是高度顯著性影響因數(shù)，礦粉摻量是顯著性影響因數(shù)，而聚丙烯腈纖維體積分?jǐn)?shù)則不是顯著性影響因數(shù)。

3 混合纖維混凝土強(qiáng)度模型預(yù)測(cè)

根據(jù)復(fù)合材料的力學(xué)理論，將混合纖維混凝土看成由基體像，鋼纖維增強(qiáng)相，聚丙烯腈纖維增強(qiáng)相和礦粉增強(qiáng)相四相組成混合纖維混凝土強(qiáng)度[8]。假定強(qiáng)度回歸模型為：

F=β0+β1x1+β2x2+β3x3+δ

(1)

式中，F(xiàn)為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；β0為混凝土立方體抗壓的基體強(qiáng)度；β1、β2、β3為回歸系數(shù)；δ為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

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

Fcu=38.5+645x1+18.1x3

(2)

對(duì)于C40的混合纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的結(jié)果見表3，由表3可以看出混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的最大誤差在8%以內(nèi)，具有較好的精度。

表3 混合纖維混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值及相對(duì)誤差分析表

4 結(jié) 論

1)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響最為明顯，立方體抗壓強(qiáng)度可提高32.66%，聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響則沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，礦粉摻量則表現(xiàn)出與聚丙烯腈纖維體積分?jǐn)?shù)相反規(guī)律。

2)由方差分析表可知鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度是高度顯著性影響因數(shù)，聚丙烯腈纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度不是顯著性影響因數(shù)；礦粉對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度顯著性影響因素。

3)由極差分析得出對(duì)于混合纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度最優(yōu)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(qiáng)度，對(duì)于A和C，最優(yōu)取值是A3和C3，B不是顯著性影響因數(shù)取中間值，所以最優(yōu)配合比為A3B2C3。

4)根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論建立的混合纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，對(duì)比預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值說(shuō)明模型預(yù)測(cè)的精度較高，具有一定的工程意義。

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