钢纤维轻骨料混凝土力学性能正交试验研究.pdf

2 0 1 5 年 第 7期 (总 第 3 0 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 7 0 0 2 钢纤维轻骨料混凝土力学性能正交试验研究 牛建刚 ， 李京军 ， 张宗星 ，朱聪 ( 1 内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 在轻骨料混凝土中掺入钢纤维 ， 配制钢纤维轻骨料混凝土。 采用 四因素、 三水平的正交试验设计方法 ， 研究了钢纤维掺 量 、 粗骨料类型和粉煤灰替代率三种不同试验因素对轻骨料混凝土抗压强度 、 劈裂抗拉强度和抗冲击性能的影响。 研究结果表 明： 粉煤灰替代率是影响轻骨料混凝土抗压强度的主要因素 ； 粉煤灰替代率和钢纤维掺量是影响轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的 主要因素 ； 钢纤维掺量变化、 粗骨料类型和粉煤灰替代率三种因素对轻骨料混凝土抗初裂冲击次数影响不显著； 钢纤维掺量变化 是影响轻骨料混凝土抗终裂冲击次数的主要因素。 关键词： 轻骨料混凝土； 正交试验 ； 钢纤维 ； 粗骨料类型； 粉煤灰替代率 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 0 4 0 3 Or t h o g o n a l e x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f or c e d l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c on c ret e NI UJ i a n g a n g ， L I J i n g j u n ， Z HANG Zo n g x i n g ， Z HU C o n g ( 1 S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， B a o t o u 0 1 4 0 1 0， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， xi ra n Un i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e and T e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5， C h i n a ) Abs t r ac t： W i t h t h e l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e r e i n f o r c e d by s t e e l fi be r ， an o r t ho g o n M e x p e r i me nt a l me t ho d o f f o u r f a c t o r s a n d t h r e e f a c t or l e v e l s wa s c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e i n f l u e nc e o f s t e e l fib e r c o nt e n t ， c o a r s e a g g r e g a t e c a t e g o rie s a n d fly a s h r e p l a c e me n t r a t e o n t h e c o mp r e s s i v e s e n g t h， s p l i t ti n g t e n s i l e s ge n g th a n d i mpa c t r es i s t a nc e o f l i g ht we i g ht a g g r e g a t e c o n c r e t e Th e r e s e arc h r e s u l t s s h o w tha t t he fly a s h r e p l a c e me n t r a t e i s t h e ma i n f a c t o r a f f e c t i n g the c o mp r e s s i v e s e n g th o f l i g h t we i g h t a g g r e ga t e c o nc r e t e F l y a s h r e p l a c e me n t r a t e a n d s t e e l fibe r c o n t e n t ar e t h e m a i n f a c t o r s a f f e c tin g t h e s p l i t ti n g t e n s i l e s e ng t h o f l i g h t we i g h t a g gr e ga t e c o n c r e t e Th e t h r e e d i f f e r e n t k i n d s o f t e s t f a c t o r s a b o v e 。 me n tio n e d h a d n o s i g ni fi c an t i n flu e n c e o n t h e i n i tia l c r a c kin g i mp a c t time s o f l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n - c r e t e S t e e l fib e r c o n t e n t i s the ma i n f a c t o r s a f f e c t i n g the fin a l c r a c kin g i mp a c t time s o f l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e Key wor ds： l i g h t we i g h t a gg r e g a t e c o n c r e t e； o r t ho g o n a l e x p e rime n t ； s t e e l fi b e r ； c o ars e a g gre g a t e c a t e g o rie s ； fly a s h r e p l a c e me nt r a t e 0 引言 轻骨料混凝土相对于普通混凝土而言具有轻质高强、 保温隔热效果好 、 抗震性能优 良等优 点 。 但 由于轻 骨 料混凝土的弹性模量较低 ， 会加速轻骨料混凝土 中裂缝的 发展 ， 对轻骨料混凝土结构产生不利影 响， 限制 了其应用 范围。 目前 的研究表明 ， 纤维加入到混凝 土可大幅度提高 混凝土抗裂能力 ， 有效改善混凝土各项力学性 能及耐久性 能 一 。 目前关于将钢纤维掺入到轻骨料混凝 土中对于混凝 土 的弯折性能、 抗冲击性能的显著改善作用形成 比较一致 的看法 ， 而对于混凝土的抗压性能及劈裂抗拉性能的改善 作用似乎形成了完全对立的两派观点。 目前用于配制轻骨 料混凝土的粗骨料种类越来越多 ， 所生产的轻骨料产量规 模越来越大 ， 在轻骨料筒压强度相似 的前提下 ， 不 同类 别 轻骨料对于所配制轻骨料混凝土 的各项力学性 能差异性 收稿 日期： 2 0 1 4 1 0 0 3 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 6 8 0 4 2 ) 4 的探讨 尚不多见 。 用粉煤灰替代部分水泥可 以节约 资源， 降低混凝土生产成本 ， 符合绿色可持续发展 的要求 。 基于此 ， 本课题通过正交试验方 法 ， 以钢纤维体积掺 量 、 粗骨料类别和粉煤灰替代率为正交试验三种 因素 ， 每 种因素选择具有代表性 的三个水平 ， 从 而探究不 同因素水 平组合下对轻骨料混凝土基本力学性能的影 响， 并且找到 对应于每一 种试 验指 标情 况下 的试 验 因素 水平 的最 优 组合 。 1正 交试验 设 计 1 1 原材料及 配合 比 采用包头市蒙西水泥有 限责任公司生产的P O 4 2 5 R 级水泥； 采用轻质陶粒( 圆球型粉煤灰陶粒、 碎石型粉煤灰 陶粒 、 页岩陶粒 ) 用作粗骨料 ， 粒径分布为 5 2 0 m m， 连续 级配 ； 细骨料采 用包头本 地 中砂 ， 含泥量2 1 ， 堆积密 度 1 5 4 7 k g m ； 钢纤维采用天津市无极科技发展有限公 司生 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 产 的 波 纹 型 钢 纤 维 ( 纤 维 长 度 3 8 m m， 等 效 直 径 为 计划表如表 1 所示 。 0 7 m m， 抗拉强度为7 8 5 N m m ) ； 采用减水率为2 0 的萘 表1 因素一 水平表 1 2 影响 因素选择 正交试验 中的因素是指可能对试验指 标产生影 响的 原 因， 水平就是因素在试验 中所处 的状态和条件 。 为研 究钢纤维掺量变化、 不 同类别粗骨料及 不同粉煤灰替代率 对轻骨料混凝土抗压强度、 劈裂抗拉强度及抗冲击次数的 影响， 以便获得满足上述试验指标的最优组合， 本试验以 纤维掺量 、 粗骨料类 型和粉煤灰替代率 作为正交试验设计 岩 陶粒 。 1 3 正交试验 表及结果 采用标准的四因素三水平 L 。 ( 3 ) 的正交试 验表来 安 排试验。 将( A) 钢纤维掺量、 ( B) 粗骨料类别 、 ( C ) 粉煤灰 替代率三因素放在正交试验表的前三列， 不考虑因素之间 的交互作用 ， 没有放上 因素 的列为空列 ， 正交试验表如表 2 所示。 轻骨料混凝土 2 8 d 抗压强度 、 劈 裂抗拉强度和抗冲 因素， 并且每个 因素选择 3 个水平 。 正交试验 因素 一水平 击次数试验结果见表 2 。 表 2 正交试验的结果表 注： 表中， 初裂冲击次数 N 。 指当质量为 3 0 k g的重锤 ， 在距试件冲击面 3 0 0 l r lm 高度 自由坠落时， 试件底面出现第一条裂缝时的冲击 次数 ； 终裂冲击次数 N ： 指试件底面产生的裂缝贯穿至试件的上表面时的冲击次数 。 表3 试验结果极差分析 极差最大， 其次是 B( 粗骨料类型) 、 A( 钢纤维掺量) ， 说明 2正交试验 结果分析 2 1 极差分析 由表 3极差分 析可知 ， 对 于轻骨 料 昆 凝 土 的抗压 强 度 ， 在试验因素水平变化范 围内 ， 只有 C( 粉煤灰替代 率) 粉煤灰替代率对轻骨料混凝土抗压强度的影响最大 ， 是主 要 因素 ， 粗骨料类 型和钢纤维掺量的影响可以考虑在误差 范围内( 其值均小于空列的值 ) ； 对于轻骨料混凝土的劈裂 抗拉强度， 各影响因素的重要顺序为： C( 粉煤灰替代率) A( 钢纤维掺 量)B( 粗骨 料类型 ) ， 其中因素 c( 粉煤 灰替代率) 和因素 A( 钢纤维掺量 ) 的极差值 比因素 B( 粗 骨料类型) 提高一个数量级， 说明粉煤灰替代率、 钢纤维掺 量对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响较大， 是主要因 素 ， 粗骨料类型的影响可 以考虑在误差 范 围内( 其值 与空 列的值相等 ) ； 对于轻骨料混凝 土的抗初裂 冲击次数 ， 各因 素 的极差值与空列 的值相差 不大 ， 说明因素 A( 钢 纤维掺 量 ) 、 B( 粗骨料类型 ) 、 C( 粉煤灰替代率) 均为轻骨料混凝 土抗初裂冲击次数 的非主要 因素 ； 对于轻骨料混凝土 的抗 终裂冲击次数， 各影响因素的重要顺序为： A( 钢纤维掺 量) B ( 粗骨料类型)C( 粉煤灰替代率) ， 其中只有 B ( 钢纤维掺量 ) 极差最大 ， 说 明钢纤维掺量对轻骨料混凝土 抗终裂冲击次数的影响最大， 轻骨料混凝土的抗冲击性能 随着钢纤维掺量的增加而显著改善， 其次是粗骨料类型， 而粉煤灰替代率对轻骨料混凝土抗冲击能力的影响可不 予考虑 ( 其值小于空列 的值) 。 S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2直观 图分析 由直观分析图 1 4可以看 出， 在钢纤维掺量 、 粗骨料 类型和粉煤灰替代率三个因素影响下的轻骨料混凝土抗 压强度及 劈 裂抗拉 强度 的最 优 因素 水平 组合 均 为 B C 。 ， 从中不难看出粉煤灰替代率对轻骨料混凝土抗压 及劈裂抗拉强度起着主要影 响作用 ； 轻骨料混凝土抗冲击 水平 图 1 各因素对抗压强度的影响 +钢 纤 维 掺 量 -I - 粗 骨 料 类 别 + 粉 煤 灰 替 代 率 ： _ 1 2 水 平 图2各因素对劈裂抗拉强度的影响 54 48 42 3 6 30 2 4 1 8 1 2 6 1 2 3 水平 图3 各因素对初裂次数的影响 纂 羹 蕃 囊 率 l _ 粗 骨 料 类 别 I 口 粉 煤 灰 替 代 率 l 一 I l 1 2 3 水平 图4各因素对终裂次数的影响 能力的最优组合是 A ， B C ： ， 从 中不难看出钢纤维掺量对 轻骨料混凝土抗冲击性能起着主要影响作用。 2 3 方差分析 方差分析是通过 比较和检验在 因素 的不 同水平下均 值之问是否存在显著的统计差异， 从而测定因素的不同水 平对因变量的影响和作用差异 。 试验结果方差分析见表 4 。 表 4 方差分析表 由表 4的方差分析 ， 通过合并误差列 ， 并经显著性 检 测 ， 也可以看出各 因素对试验指标的显著影响程度 。 令 显著性水平 O t = 0 0 1 ， 说明各因素的改变对轻骨料混凝土 试验指标有显著影响的可信度为 9 9 。 由方差分析表可以 得出， 在给定 = 0 O l 的情况下 ， 对于抗压强度而言 ， F = 1 2 1 5 1 2 5 ， 查 F分布表可知 -o 】 ( 2 ， 2 )= 9 9 0 0 0 ， 所以F c = 1 2 1 5 1 2 5 9 9 0 0 0 ， 说明因素 c ( 粉煤灰替代率 ) 是影响轻 骨料混凝土抗压强度的主要因素， 它对轻骨料混凝土抗压 6 强度 的贡献率为 9 4 2 ， 其 次是粗骨料类 型的影 响； 对 于 劈裂抗拉强度而言 ， F c = 2 1 4 5F o ( 2 ， 2 ) ， 因素 C( 粉煤 灰替代率) 对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度贡献率为6 7 8 ， F = 1 0 1 0 0 0 F o ( 2 ， 2 ) ， 因素 A( 钢纤 维掺量 ) 对轻骨料 混凝 土劈裂抗 拉强度 贡献 率为 3 1 9 ， 从 而说 明因素 c ( 粉煤灰替代率) 和 因素 A( 钢纤维掺量 ) 是影响轻骨料混 凝土抗压强度的主要因素 ； 对于抗初裂 冲击次数而言， m a x 下转第 1 0页 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 2 2 2 2 2 1 1 l 1 1 _ 3 3 3 3 3 2 2 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m a x e一 ) 。 本试验结果表明 ， 根据混凝土 电阻率 的测 试结果 ， 可 对混凝土 的强度发展趋势进行预测 。 由于混凝土 电阻率 不 仅能静态地反映结构 昆 凝土的密实程度， 而且也能动态地 反映腐蚀环境下混凝土孔隙结构变化和有害离子渗入程 度及钢筋锈 蚀速率 ， 是 与混凝 土耐久性 相关 的重要参 数。 因此 ， 基于混凝土抗压强度测试结果 ， 借助抗压强度与 电阻率的定量关系， 还可间接评价混凝土的混凝土损伤程 度和钢筋锈蚀速率。 3 结 论 ( 1 ) 掺入不同品种 的纤维后 ， 混凝 土的抗 压强度均有 不同程度提高。 纤维 自身的弹性模量 和抗拉强度对混凝土 抗压强度影 向 显著。 ( 2 ) 掺入不同品种 的纤维后 ， 混凝 土的电阻率均有不 同程度提高。 随着混凝土龄期的增 长， 纤 维品种 对混凝 土 电阻率的影响效果逐渐显现 。 ( 3 ) 混凝土抗压强度随 电阻率 的增高而增大 ， 二者具 有良好的非线性关系。 根据混凝土电阻率测试结果， 可对 混凝土的强度发展趋势进行预测 ； 也 可基于混凝 土抗压强 度测试结果， 间接评价 昆 凝土的混凝土损伤程度和钢筋锈 上接第 6页 F 、 F 、 F 。 ( 2 ， 2 ) ， 说明因素 A( 钢纤维掺量) 、 B( 粗 骨料类型) 、 C( 粉煤灰替代率) 均不是影响轻骨料混凝土 抗初裂冲击次数的主要因素； 对于抗终裂冲击次数而言 F =1 8 5 2 7 2 F o 。 ( 2 ， 2 ) ， 它对轻骨料混凝土抗终裂冲击 次数 的贡献率为 9 7 1 ， 说 明因素 A是影响轻骨料混凝土 抗终裂 冲击 次数的主要因素 。 3 结 论 通过设 置四因素三水平的标准正交试验 ， 考察钢纤维 掺量 、 粗骨料类别和粉煤灰替代率对轻骨料混凝 土抗压性 能、 劈裂抗拉性能和抗冲击性能的影响， 可以得出以下结 论 ： ( 1 ) 粉煤灰替代率是影响轻骨料混凝土抗压性能的最 主要 因 素 ， 它 对 轻 骨 料 混凝 土 抗 压 强 度 的 贡 献 率 为 9 4 。 2 ， 轻骨料 混凝 土抗 压 强度 的最优 因素水 平组 合 为 A3 B1 C1 。 ( 2 ) 粉煤灰替代率和钢纤维掺蹙是影响轻骨料混凝土 劈裂抗拉性能 的主要 因素 ， 对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度 的贡献率分别为 6 7 8 、 3 1 9 ， 轻骨料混凝 土劈裂抗拉强 度 的最优因素水平组合为 A ， B C 。 ( 3 ) 钢纤维掺量 、 粗骨料类别 、 粉煤灰替代率三个因素 的水平变化对轻骨料混凝： 七 抗初裂 冲击次数 的影 响程度 不显著 。 ( 4 ) 钢纤维掺量是影响轻骨料混凝土抗终裂冲击次数 的主要因素， 轻骨料混凝土抗冲击能力的最优 因素水平组 合是 A， B C 。 1 0 蚀速率 。 参 考文 献 ： 1 高贯鹏 高温后 P V AS H C C的力学性能与抗渗性能试验研 究 D 青岛： 青岛理工大学， 2 0 1 2 2 李学英， 马新伟， 韩兆祥， 等 聚丙烯纤维混凝土的工作性与力 学性能 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 5 ) ： 9 1 2 1- 3 3高丹盈， 谢晓鹏 在冻融作用下钢纤维混凝土的性能 J 工业 建筑， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 0 ) ： 6 5 6 8 4 闰长旺， 张华， 刘曙光， 等 P V A纤维水泥基复合材料氯离子浓 度分布规律的研究E J 混凝土， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 3 8 4 1 5 3赵卓， 赵军 工程结构耐久性 M 北京： 中国电力出版社， 2 01 2 1- 6 刘志勇 ， 詹镇峰0 昆 凝土电阻率及其在钢筋混凝士耐久性评价 中的应用研究 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 O ) ： 1 3 1 6 第一作者 ： 元成方( 1 9 8 3一) ， 男 ， 博士后， 讲师 ， 主要从事工程 结 构与材料耐久性研究。 联系地址： 郑州市郑州大学土木工程学院( 4 5 0 0 0 1 ) 联系电话： 1 3 8 3 8 3 9 8 6 1 9 通讯作者： 赵 卓( 1 9 7 0一) ， 男， 博士 ， 教授 ， 主要从事工程结构与 材料耐久性研究。 联 系电话 ： 1 3 9 0 3 7 1 0 2 4 5 参考文献： 1 王金晶 ， 刘志奇 ， 李彦军 新型轻骨料混凝土特性及发展1- J 混 凝土， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 6 5 6 6 2 3霍俊芳 ， 申向东 ， 崔琪 聚丙烯纤维轻骨料混凝土的力学性能 研究E J 混凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 3 6 3 8 1- 3 3 G A O J M， S U N W， MO R I N O K Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h l i g h t w e i g h t c o n c r e m J C e m e n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s ， 1 9 9 7， 1 9： 3 0 731 3 4 董祥 ， 高建明 ， 吉伯海 纤维增强高性能轻骨料混凝土的力学 性能研究I- J 工业建筑， 2 0 0 5 ( 增T U ) ： 6 8 0 6 8 3 5 牛建刚 ， 李伯潇， 张缜 纤维增强轻骨料混凝土力学性能试验 研究 J 混凝土， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 9 3 1 0 0 1- 6 3曾志 ， 胡云昌 钢纤维轻骨料混凝土力学性能的试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 7 8 8 1 7 霍俊芳， 申向东 ， 崔琪 钢纤维对轻 骨料混凝土力学性能的影 响 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 4 3 4 6 1- 8 陈峰 ， 陈欣 玄武岩纤维混凝土的正交试验研究1- J 福州大学 学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 4 ， 2 ( 1 ) ： 1 3 3 1 3 7 9 潘丽军， 陈锦权 试验设计与数据处理 M 南京 ： 东南大学出 版社， 2 0 0 8 第一作者 ： 牛建g U ( 1 9 7 6一) ， 男 ， 博士， 教授， 从事混凝土结构耐 久，性与结构可靠性研究。 联系地址： 内蒙古自治区包头市昆都仑区阿尔丁大街 7 号 内蒙 古科技大学建筑与土木工程学院( 0 1 4 0 1 0 ) 联 系电话 ： 1 3 6 6 4 7 3 8 0 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m