钢纤维及纳米炭黑对混凝土抗压强度的影响.pdf

第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：基金项目：吉林省科学技术厅科技创新基地（平台）建设项目（）；吉林省科学技术厅科技发展计划项目（）作者简介：李九阳（），女，河南济源人，硕士，教授，研究方向为装配式建筑与建筑结构抗震。文章编号：（）：钢纤维及纳米炭黑对混凝土抗压强度的影响李九阳，胡广朝，陈立，郭金鹏，王振伟，王晓煜（长春工程学院 土木学院，吉林 长春 ；吉林省建筑一体化集成技术科技协同创新中心，吉林 长春 ）摘要：钢纤维与纳米炭黑等材料越来越广泛应用于混凝土工程中，利用三因素（钢纤维类型、钢纤维掺量、纳米炭黑掺量）四水平正交试验探究钢纤维及纳米炭黑对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度的影响。结果表明：钢纤维类型对混凝土力学性能影响的顺序为剪切型 铣削型 镀铜型 端勾型，立方体抗压强度与轴心抗压强度随着钢纤维掺量和纳米炭黑掺量的增加呈先升高后降低的趋势，对于立方体抗压强度，钢纤维的最优掺量为 、纳米炭黑的最优掺量为 ，对于轴心抗压强度，钢纤维掺量最优为 、纳米炭黑的最优掺量为约占水泥总量的 。关键词：智能混凝土；正交试验；钢纤维；纳米炭黑中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，；，）：（，），：；在混凝土基体中掺入钢纤维可以有效地使混凝土的破坏形式由脆性破坏转化为塑性断裂，在外部荷载以及钢纤维与混凝土共同工作、共同变形的作用下 ，混凝土的拉伸、弯曲、剪切等力学性能显著提高 。纳米炭黑由于具有较强的表面活性和吸附作用力，与水泥具有很强的结合力，能够有效提升混凝土基体的力学性能 。国内外学者进行了相关的试验研究并取得一定的成果。唐延丰等 研究了镀铜型钢纤维对混凝土弯曲韧性的影响，结果表明，钢纤维的掺量在 时，可以显著改善混凝土的弯曲韧性，使混凝土脆性破坏延缓为塑性断裂。等 研究了掺入不同的钢纤维类型以及不同掺量对混凝土耐久性及力学性能的影响，研究结果表明，当两种钢纤维掺量都是 时，混凝土的劈裂抗拉强度及抗弯强度都有显著提高。等 研究了钢纤维及纳米炭黑对混凝土立方体抗压强度的影响，结果表明，立方体抗压强度随着钢纤维掺量的增加而增加，随着纳米炭黑掺量的增加呈先上升后下降的趋势。为了研究钢纤维及纳米炭黑对混凝土力学性能的影响，本文设计三因素四水平正交试验，探究钢纤维种类、钢纤维掺量和纳米炭黑掺量的不同变化水平下对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度的影响，并通过极差分析、方差分析、层次分析来探究力学性能的变化规律，为后续有关研究提供依据。材料与方法图 纳米炭黑 试验材料水泥选用吉林亚泰有限公司生产的普通硅酸盐水泥（），初凝时间为 ，终凝时间为 ，体积安定性合格；粗骨料选用粒径为 的碎石，堆积密度为 ；细骨料选用天然河沙，细度模数为 ，含水量为 ，堆积密度为 ；减水剂为奈系高效减水剂（），减水率为 ；纳米炭黑采用山东拓兴化工科技有限公司生产的特导电炭黑（），平均粒径为 ，密度为 （见图 ）；钢纤维选用剪切型（）、铣削型（）、镀铜型（）、端勾型（）等 种钢纤维，其外观及长度如图 所示。剪切型钢纤维（）铣削型钢纤维（）镀铜型钢纤维（）端勾型钢纤维（）图 钢纤维 试验概况及配合比设计设计三因素四水平正交试验方案，选取 个因素：钢纤维种类（）、钢纤维掺量（）、纳米炭黑掺量（），每个因素对应 个水平，具体试验工况见表 。根据 钢纤维混凝土（）和 普通混凝土配合比设计规程（）设计了 混凝土基准配合比，如表 所示。河南城建学院学报 年 月表 正交试验工况水平因素剪切型 铣削型 镀铜型 端勾型 表 基准配合比水灰比砂率 水（）水泥（）砂（）石子（）减水剂 试件制备及养护试件制备参数如表 所示。由于立方体抗压试验试件为非标准试件，需要乘以尺寸系数 。表 试件参数试验类别试件型号每组试件个数总数量立方体抗压强度试验 轴心抗压强度试验 试验采用强制式单卧轴混凝土搅拌机进行混凝土的拌和。由于钢纤维易结团，在试验前需先将钢纤维加入称量好的水中进行搅拌预分散。采用下述程序进行试件的制备：（）将所需要的模具刷油并做好标记。图 养护完成的试件（）把各种材料按计算的称量备用，将水泥、粗细骨料和纳米炭黑放入搅拌机搅拌 至分散均匀。（）在拌和过程中，先往搅拌机中均匀抛洒钢纤维，然后加入预先称量好的水及减水剂，搅拌 ，测定单掺导电性材料混凝土的塌落度、含气量。（）将混凝土拌合物填入试块模具中，将试块置于振动台上振捣 左右，振捣时保持试模平稳，振动应持续到混凝土表面出浆为止，不得过振。（）静置 后拆模，放入标准养护室中养护，养护龄期为 ，养护完成的试件如图 所示。试验方法根据 混凝土物理力学性能试验方法标准（），立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验均采用最大压力为 的微机控制电液伺服液压压力试验机，加载速度为 ，最大荷载精确到 。立方体抗压试验如图 所示，轴心抗压试验如图 所示。第 卷第 期李九阳，等：钢纤维及纳米炭黑对混凝土抗压强度的影响图 立方体抗压试验图 轴心抗压试验 结果与分析钢纤维煤矸石混凝土试件在标准条件下养护 后，进行加载试验，根据 混凝土物理力学性能试验方法标准（）计算得到的试验结果如表 所示。表 试验结果试件编号正交组合因素钢纤维类型钢纤维掺量纳米炭黑掺量立方体抗压强度 轴心抗压强度 剪切型 剪切型 剪切型 剪切型 铣削型 铣削型 铣削型 铣削型 镀铜型 镀铜型 镀铜型 镀铜型 端勾型 端勾型 端勾型 端勾型 河南城建学院学报 年 月书书书 极差分析表 为极差分析的结果，、表示各因素下各水平的平均抗压强度，其大小可以确定某一因素下的最优水平，数值越大水平越优，反之则水平较劣。表示各因素下 个水平的极差值，极差越大，则对试验数值的影响越大，极差越小，对试验数值的影响越小。为了更清晰地反应各因素对混凝土强度的影响，绘制成如图 所示的效应曲线图。表 立方体抗压强度及轴心抗压强度极差分析结果项目立方体抗压强度钢纤维类型钢纤维掺量 纳米炭黑掺量轴心抗压强度钢纤维类型钢纤维掺量纳米炭黑掺量 注：为各因素在 水平下试验结果的平均值。立方体抗压强度轴心抗压强度图 极差分析效应曲线图由图 可知：剪切型钢纤维（水平 ）对立方体抗压强度、轴心抗压强度影响均表现为最显著。其原因在于剪切型钢纤维的长度和长径比在 种纤维中最大，形状最不规则，表面最粗糙，在混凝土受压破坏时产生横向膨胀，能够增加混凝土之间的黏结力，约束受压变形，控制裂缝的开展，保证了试件破坏时的完整性，提高了其强度。对于钢纤维掺量，其强度均呈现先增大后减小的趋势，立方体抗压强度在掺量为 时达到峰值，轴心抗压强度在 时达到峰值，其原因在于少量钢纤维的加入可以提高混凝土力学性能，但过量加入将导致混凝土因搅拌时产生的气泡附着在钢纤维表面，使得混凝土含气量增加、自密实性降低。纳米炭黑掺量对混凝土强度影响不太显著，其原因是加入少量的纳米炭黑可以填充附着在钢纤维表面的空隙，降低孔隙率，改善混凝土的抗压强度，但由于纳米炭黑的特性，过多掺入会阻止混凝土的水化反应，降低混凝土的强度。因此钢纤维的类型对混凝土抗压强度的影响最显著。方差分析方差分析的优势在于根据 值与显著水平临界值的比较，可以确定某一因素影响程度的大小。值为每种因素均方值除以均方误差值，分析可知 值越大，对混凝土立方体抗压强度的影响越明显，方差分析结果如表 所示。第 卷第 期李九阳，等：钢纤维及纳米炭黑对混凝土抗压强度的影响由表 可知，立方体抗压强度和轴心抗压强度的 值变化一致，均为钢纤维类型最大，钢纤维掺量次之，纳米炭黑掺量最低，即对试验结果的影响程度顺序为钢纤维类型 钢纤维掺量 纳米炭黑掺量，这也与极差分析结果一致，表明正交试验合理。表 方差分析试验名称因素偏差平方和自由度均方值显著性水平临界值钢纤维类型 立方体抗压强度钢纤维掺量 纳米炭黑掺量 误差 钢纤维类型 轴心抗压强度钢纤维掺量 纳米炭黑掺量 误差 （，）（，）层次分析为了得到各因素水平对钢纤维煤矸石混凝土劈裂抗拉强度的影响权重，对研究指标进行层次分析，利用 软件对各因素各水平下立方体抗压强度、轴心抗压强度极差分析结果编写成矩阵的形式，求得各因素各水平对立方体抗压强度、轴心抗压强度影响的权重值，得到的层次分析影响权重值如表 所示。表 劈裂抗拉强度的层次分析试验名称因素水平权重值因素水平权重值因素水平权重值 立方体抗压强度 轴心抗压强度 对于立方体抗压强度，钢纤维类型中剪切型权重值最大为 ；钢纤维掺量为 时，权重值最大，为 ；纳米炭黑掺量为 时，权重值最大，为 。因此可以得出最优组合为 ，即选用剪切型钢纤维、钢纤维掺量为 、纳米炭黑掺量为 时，立方体抗压强度能够达到最大值。对于轴心抗压强度，最优组合为 ，即选用剪切型钢纤维、钢纤维掺量为 、纳米炭黑掺量为 时，轴心抗压强度能够达到最大值。通过对各因素权重值的比较，可以得出各因素对立方体抗压强度、轴心抗压强度影响顺序为钢纤维类型 钢纤维掺量 纳米炭黑掺量。结论本文通过复掺钢纤维、纳米炭黑的混凝土正交试验，研究了钢纤维类型、钢纤维掺量、纳米炭黑掺量河南城建学院学报 年 月对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度的影响，得出结论如下：（）通过极差分析与层次分析可得，钢纤维类型对混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度影响显著，钢纤维类型对混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度影响大小顺序为剪切型 铣削型 镀铜型 端勾型。（）通过极差分析与层次分析得出混凝土在立方体抗压强度、轴心抗压强度方面的最优配合比。抗压强度方面：剪切型钢纤维、钢纤维掺量 、纳米炭黑掺量 ；轴心抗压强度方面：剪切型钢纤维、钢纤维掺量 、纳米炭黑掺量 。（）通过极差分析、方差分析、层次分析，得出各因素对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度影响大小顺序为钢纤维类型 钢纤维掺量 纳米炭黑掺量。（）纳米炭黑对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度的影响较为细微，适量的纳米炭黑能够提升混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度，过量的纳米炭黑反而会降低混凝土强度。参考文献 ，：，（），（）：，：，：，（），（）：柳根金，丁一宁，衡震 不同导电相对混凝土裂缝智能化自监测的灵敏度与噪声水平的影响 复合材料学报，（）：柳根金 混掺纤维与纳米炭黑对智能混凝土裂缝自感知性能的影响 大连：大连理工大学，唐延丰，李庚英，王林彬，等 微细钢纤维对高弹性模量混凝土力学性能的影响 硅酸盐通报，（）：，：，：中华人民共和国住房和城乡建设部 钢纤维混凝土：北京：中国标准出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部 普通混凝土配合比设计规程：北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国建设部 混凝土物理力学性能试验方法标准：北京：中国建筑工业出版社，第 卷第 期李九阳，等：钢纤维及纳米炭黑对混凝土抗压强度的影响