C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配制試驗(yàn)

許天成, 趙柏冬, 俞　蕭

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽　110044)

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C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配制試驗(yàn)

許天成, 趙柏冬, 俞蕭

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽110044)

摘要:在考慮混凝土工作性能和力學(xué)性能的條件下進(jìn)行玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì).通過正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配合比優(yōu)選,從而得到C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的最優(yōu)配合比.

關(guān)鍵詞:玄武巖纖維自密實(shí)混凝土; 配合比; 工作性能; 力學(xué)性能; 正交試驗(yàn)

自密實(shí)混凝土(Self-CompactingConcrete,簡稱SCC) 拌和物具有良好的工作性,在密集配筋條件下,無需振搗,僅靠混凝土自重,便能均勻密實(shí)成型.自密實(shí)混凝土的應(yīng)用可以解決傳統(tǒng)混凝土施工的漏振、過振,以及鋼筋密集難以振搗等問題,還將大大降低施工噪聲,減少能源消耗,改善工作安全性,提高生產(chǎn)效率.因此,自密實(shí)混凝土是高性能鋼筋混凝土發(fā)展的熱門課題之一[1-2].自密實(shí)混凝土和普通混凝土一樣存在著抗拉強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn),這在一定程度上阻礙了其推廣和應(yīng)用.為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn),纖維混凝土得到了較廣泛的應(yīng)用.研究表明[3],在混凝土基材中摻入鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等,可有效提高混凝土的強(qiáng)度及抗裂性能.

玄武巖纖維(BasaltFiber,簡寫B(tài)F)以天然玄武巖礦石作為原料, 將其破碎后加入熔窯中,在 1 450～1 500 ℃熔融后, 通過鉑銠合金拉絲漏板制成連續(xù)纖維[4].與碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維等其他高科技纖維相比,BF性價(jià)比最優(yōu), 如具有突出的力學(xué)性能、耐高溫、可在-269～650 ℃范圍內(nèi)連續(xù)工作、耐酸堿、吸濕性低,且絕緣性好、絕熱隔音性能優(yōu)異、透波性能良好等優(yōu)點(diǎn).玄武巖熔化過程中沒有硼、砷和其他堿金屬氧化物排出,使玄武巖連續(xù)纖維的制造過程對環(huán)境無害,無工業(yè)垃圾,不向大氣排放有害氣體,是21世紀(jì)新型的環(huán)保型纖維.而且由于生產(chǎn)玄武巖纖維的原材料儲(chǔ)量大,生產(chǎn)工藝成熟,與其他纖維材料相比,玄武巖纖維具有顯著的價(jià)格優(yōu)勢[4-6].鑒于此,本研究擬確定C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的最優(yōu)配合比,為相關(guān)規(guī)范的制定提供技術(shù)參考.

1試驗(yàn)原材料

1.1骨料的選擇

粗骨料.本試驗(yàn)選自沈陽某攪拌站的碎石.碎石粒徑5～20mm,顆粒級配連續(xù).其顆粒篩分結(jié)果和主要技術(shù)性能指標(biāo)分別見表1和表2.

細(xì)骨料.本試驗(yàn)選自沈陽某攪拌站的河砂.其顆粒篩分結(jié)果和主要技術(shù)指標(biāo)分別見表3和表4.

表1　碎石篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2　碎石的主要技術(shù)性能指標(biāo)

表3　河砂篩分結(jié)果

表4　砂的主要技術(shù)性能指標(biāo)

經(jīng)計(jì)算可知砂的細(xì)度模數(shù)為2.77,屬于中砂.

1.2膠凝材料、外加劑、玄武巖纖維和水的選擇

水泥.選擇沈陽市冀東水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5的礦渣硅酸鹽水泥.其技術(shù)性能指標(biāo)見表5.

粉煤灰.選擇產(chǎn)自沈陽市沈北熱電廠的Ⅰ級粉煤灰.其技術(shù)性能指標(biāo)見表6.

表5　水泥材料性能指標(biāo)

表6　粉煤灰的性能指標(biāo)

減水劑.選用大連西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,減水率為30%～40%.

玄武巖纖維.選擇產(chǎn)自四川航天拓鑫玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖短切纖維,直徑為18μm,長度為10mm.其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表7.

表7　玄武巖纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

水.選自沈陽大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室自來水,其性能符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的相關(guān)規(guī)定.

2玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

本文參考《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》[8]中自密實(shí)混凝土的配制方法,同時(shí)結(jié)合纖維混凝土的配制經(jīng)驗(yàn),采用全計(jì)算法進(jìn)行配合比計(jì)算.本研究采用在自密實(shí)混凝土中按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻入玄武巖纖維的方法配制玄武巖纖維自密實(shí)混凝土.通過正交試驗(yàn),優(yōu)選出滿足工作性能和力學(xué)性能要求的混凝土配合比.自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括拌合物中的粗骨料松散體積、砂漿中砂的體積、漿體的水膠比、膠凝材料中礦物摻合料用量.根據(jù)《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》[8]中的規(guī)定可知:水膠比宜不大于0.45,膠凝材料用量范圍為400～550kg/m3.具體計(jì)算步驟為:

(1) 確定每立方米中粗骨料的體積Vg;

(2) 計(jì)算粗骨料的質(zhì)量mg=Vg×ρg;

(3) 計(jì)算砂漿體積Vm=1-Vg;

(4) 確定砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)φs;

(5) 計(jì)算砂的體積Vs=Vm×φs,砂的質(zhì)量ms=Vs×ρs;

(6) 漿體體積:Vρ=Vm-Vs;

(8) 配制強(qiáng)度:按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]計(jì)算;

(12) 粉煤灰質(zhì)量mm=mb·β;

(13) 水泥質(zhì)量mc=mb-mm.

式中:ρg為碎石的表觀密度;ρs為砂的表觀密度;ρm為礦物摻合料表觀密度;ρc為水泥的表觀密度;β為每立方米混凝土中礦物摻合料占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù);fce為水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度;γ為礦物摻合料影響系數(shù);fcu,o為混凝土配制強(qiáng)度.

3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的最優(yōu)配合比

3.1試驗(yàn)采用的配合比

因?yàn)檎粚?shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴幸?guī)律地減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),通過幾組具有代表性的實(shí)驗(yàn)對影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的多個(gè)因素進(jìn)行對比分析,評價(jià)不同影響因素對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的影響程度,得出正確結(jié)論的同時(shí)能夠大幅度減少實(shí)驗(yàn)工作量,因此本文選用全計(jì)算法進(jìn)行配合比計(jì)算,再運(yùn)用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比優(yōu)化,通過測定玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的工作性能和力學(xué)性能,得出最優(yōu)配合比.

正交試驗(yàn)選取石子堆積體積、砂子體積含量、水膠比、纖維的質(zhì)量摻量四個(gè)因素,每個(gè)因素取三個(gè)水平,對C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土進(jìn)行配合比試驗(yàn)研究.C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土選取的因素與水平見表8.

為了拌制均勻的玄武巖纖維自密實(shí)混凝土,本研究采取了增加攪拌時(shí)間以及控制投料順序的方法確保玄武巖纖維能夠均勻地分散在混凝土中.具體的投料順序?yàn)?

粗細(xì)骨料(攪拌1 min)→玄武巖纖維(攪拌1 min)→膠凝材料→水和減水劑.

具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9.

表8　C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配合比因素與水平列表

表9　C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配合比正交試驗(yàn)列表

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究采用極差分析法和直觀分析法分析不同因素對目標(biāo)的影響程度.分別測試了以上九種配合比的玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度、28 d立方體抗壓強(qiáng)度.

3.2.1玄武巖纖維自密實(shí)混凝土坍落度試驗(yàn)方法與結(jié)果

參照普通混凝土坍落度的測試方法對玄武巖纖維自密實(shí)混凝土進(jìn)行坍落度測定.步驟如下:

(1) 把底板放置在堅(jiān)實(shí)的水平面上,并把筒放置在底板中心,然后潤濕坍落度筒和底板,保持坍落度筒內(nèi)壁和底板上無明水.

(2) 將拌制的玄武巖纖維自密實(shí)混凝土試樣分三層均勻地裝入筒內(nèi),每層高度為筒高的1/3左右,靜置30 s后繼續(xù)裝入下層混凝土,裝至頂層后,用抹刀刮去多余的混凝土,并用抹刀抹平.

(3) 清除筒邊底板上的混凝土后,垂直平穩(wěn)地拔起坍落度筒.坍落度筒的提離過程應(yīng)在5～10 s內(nèi)完成,從開始裝料到提起坍落度筒的整個(gè)過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,并在150 s內(nèi)完成.

(4) 提起坍落度筒后,測量筒高與坍落后混凝土試體最高點(diǎn)之間的高度差,即為該混凝土拌合物的坍落度值.

坍落度試驗(yàn)結(jié)果見表10.

坍落度極差分析結(jié)果見表11.

表10　坍落度試驗(yàn)結(jié)果

表11　坍落度極差分析結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可得知:

(1) 混凝土第7組的坍落度最大,為235mm,其配合比為A3B1C3D2.

(2) 因素A碎石的堆積體積對應(yīng)的三組均值K中,K3值最大,說明當(dāng)碎石的堆積體積取第三水平(0.52)時(shí),混凝土坍落度最大.當(dāng)碎石的堆積體積減小時(shí),混凝土坍落度小幅度降低,在第一水平(0.48)到第二水平(0.5),混凝土坍落度降幅一樣大.

(3) 因素B砂的體積含量對應(yīng)的三組均值K中,K1值最大,說明砂的體積含量為第一水平(0.41)時(shí),混凝土坍落度最大.因素B對混凝土坍落度影響較大,隨著砂的體積含量增大,混凝土坍落度減小,但減幅較小.

(4) 因素C水膠比增大,混凝土坍落度呈現(xiàn)較明顯的增大趨勢,水膠比的K3值最大,說明當(dāng)水膠質(zhì)量比為0.39時(shí),混凝土坍落度最大.根據(jù)極差分析結(jié)果可知,因素C對混凝土坍落度的影響最大.

(5) 因素D纖維的質(zhì)量摻量增加,混凝土坍落度基本保持不變,說明纖維摻量對混凝土的坍落度影響較小.

(6) 經(jīng)過對混凝土坍落度對比分析,各因素影響順序?yàn)镃最大,B次之,A和D的影響幾乎一樣,最優(yōu)配合比為A3B1C3D1.

3.2.2玄武巖纖維自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)方法與結(jié)果

玄武巖纖維自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度與坍落度的測試方法相同.區(qū)別在于坍落擴(kuò)展度的試驗(yàn)結(jié)果為:用鋼尺測量混凝土擴(kuò)展后最終的擴(kuò)展直徑,測量在相互垂直的兩個(gè)方向上進(jìn)行,并計(jì)算兩個(gè)所測直徑的平均值.

混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果見表12.

混凝土坍落擴(kuò)展度極差分析結(jié)果見表13.

表12　坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果

表13　坍落擴(kuò)展度極差分析結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可得知:

(1) 混凝土第7組的坍落擴(kuò)展度最大,為641mm,其配合比為A3B1C3D2.

(2) 因素A碎石的堆積體積對應(yīng)的三組均值K中,K2值最大,說明當(dāng)碎石的堆積體積取第二水平(0.5)時(shí),混凝土坍落擴(kuò)展度最大.當(dāng)碎石的堆積體積增大時(shí),混凝土坍落擴(kuò)展度先增大而后減小.

(3) 因素B砂的體積含量對應(yīng)的三組均值K中,K1值最大,說明砂的體積含量為第一水平(0.41)時(shí),混凝土坍落擴(kuò)展度最大.因素B對混凝土坍落度影響較大,隨著砂的體積含量增大,混凝土坍落擴(kuò)展度先減小而后增大.

(4) 因素C水膠比增大,混凝土坍落擴(kuò)展度呈現(xiàn)較明顯的增大趨勢,水膠比的K3值最大,說明當(dāng)水膠比為0.39時(shí),混凝土坍落擴(kuò)展度最大.根據(jù)極差分析結(jié)果可知,因素C對混凝土坍落度的影響最大.

(5) 因素D纖維的質(zhì)量摻量增加,混凝土坍落擴(kuò)展度逐漸減小,當(dāng)纖維摻量為第一水平時(shí),混凝土的坍落擴(kuò)展度最大.

(6) 經(jīng)過對混凝土坍落擴(kuò)展度對比分析,各因素影響順序?yàn)镃>B>D>A,最優(yōu)配合比為A2B1C3D1.

3.2.3玄武巖纖維自密實(shí)混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法與結(jié)果

本研究根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10],每種配合比選取三塊尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別測定其28d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)采用長春新特試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的YAW-5000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī).該試驗(yàn)機(jī)的量程為500t,控制模式分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制.在本次試驗(yàn)中采用自動(dòng)控制模式,選擇0.5MPa/s的負(fù)荷加載速度直至試塊破壞.計(jì)算每組三個(gè)試塊的抗壓強(qiáng)度平均值作為該種配合比的強(qiáng)度.

混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表14.

混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果見表15.

表14　混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表15　混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可得知:

(1) 混凝土第6組的28 d立方體抗壓強(qiáng)度最大,為39.4 MPa,其配合比為A2B3C1D2.

(2) 因素A碎石的堆積體積對應(yīng)的三組均值K中,K3值最大,說明當(dāng)碎石的堆積體積取第三水平(0.52)時(shí),混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度最大.當(dāng)碎石的堆積體積增大時(shí),混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度先減小而后增大.

(3) 因素B砂的體積含量對應(yīng)的三組均值K中,K3值最大,說明砂的體積含量為第三水平(0.43)時(shí),混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度最大.因素B對混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度影響較小.

(4) 因素C水膠比增大,混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)較明顯的減小趨勢,水膠比的K1值最大,說明當(dāng)水膠比為0.35時(shí),混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度最大.根據(jù)極差分析結(jié)果可知,因素C對混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度的影響最大.

(5) 因素D纖維的質(zhì)量摻量增加,混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)纖維摻量為第二水平時(shí),混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度最大.

(6) 經(jīng)過對混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度對比分析,各因素影響順序?yàn)镃>D>B>A,最優(yōu)配合比為A3B3C1D2.

4結(jié)論

本文通過正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了玄武巖纖維自密實(shí)混凝土配合比試驗(yàn),通過極差分析法和直觀分析法分析了碎石的堆積體積、砂的體積含量、水膠比和纖維的質(zhì)量摻量對其工作性能和力學(xué)性能的影響因素.得出如下結(jié)論:

(1) 經(jīng)過對混凝土坍落度對比分析,各因素影響順序?yàn)镃最大,B次之,A和D的影響幾乎一樣,最優(yōu)配合比為A3B1C3D1.

(2) 經(jīng)過對混凝土坍落擴(kuò)展度對比分析,各因素影響順序?yàn)镃>B>D>A,最優(yōu)配合比為A2B1C3D1.

(3) 經(jīng)過對混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度對比分析,各因素影響順序?yàn)镃>D>B>A,最優(yōu)配合比為A3B3C1D2.

(4) 從混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度的極差分析結(jié)果可知,各因素對混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度影響都較小,又因玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的工作性能指標(biāo)主要為坍落擴(kuò)展度,所以本文的C30玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的最優(yōu)配合比為A2B1C3D1.

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【責(zé)任編輯: 祝穎】

Experimental Study on Mix Proportion of C30 Basalt Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete

XuTiancheng,ZhaoBaidong,YuXiao

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:Considering the working performance and mechanical properties of concrete, the basalt fiber reinforced self-compacting concrete mixture ratio is designed. Through the orthogonal experiment method, the optimization for C30 basalt fiber reinforced self-compacting concrete mix proportion is made and the most optimal mixture ratio of C30 basalt fiber reinforced self-compacting concrete is obtained.

Key words:basalt fiber reinforced self-compacting concrete; mixture ratio; working performance; mechanical properties; orthogonal test

文章編號:2095-5456(2016)03-0244-06

收稿日期:2016-01-13

作者簡介:許天成(1990-),男,河南平頂山人,沈陽大學(xué)碩士研究生; 趙柏冬(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)教授.

中圖分類號:TU 528.57

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A