硅灰-聚丙烯纤维混凝土室内力学性能实验研究

硅灰\聚丙烯纤维混凝土室内力学性能实验研究摘要：普通水泥混凝土存在许多缺陷，但可以通过掺入添加剂来改善其性能。

本文通过同时掺入聚丙烯纤维和硅灰，研究其对混凝土抗压、抗折性能的影响。

针对硅灰、聚丙烯纤维在混凝中的掺入量变化，进行了室内混凝土力学性能实验研究，运用正交试验方法优化后得出了最佳掺量为1%（体积比）聚丙烯纤维和10%（质量比）硅灰。

关键词：硅灰聚丙烯纤维混凝土力学性能一、引言混凝土，以其骨料可以就地取材，构件易于成型，具有水硬性等突出特点，被广泛的应用于土木建筑工程中。

但是混凝土作为一种多孔性的脆性材料，有其固有的弱点，如抗拉强度远远低于抗压强度、抗变形能力差、耐磨性差、抗渗性差、抗高温性能差、易折断等等。

由于这些不足的存在，限制了混凝土领域的扩展。

为改善混凝土的性能，出现了硅灰、粉煤灰及纤维增强水泥基复合材料，钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等材料广泛应用于混凝土中。

其中硅灰、聚丙烯纤维由于具有掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点，近年来更是被广泛采用。

二、相关研究成果2.1硅灰、聚丙烯纤维性能研究硅灰对改善混凝土性能有巨大作用。

硅灰的粒径较小，加入硅灰后，水泥石的密实性得到提高，从而抗压强度增大。

有研究表明当硅灰的掺量在8%—l0%时，对混凝土的综合性能贡献较大。

聚丙烯纤维对混凝土的作用主要是限制了混凝土早期裂缝的生成与发展，钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力场更加持续和均匀，增强了混凝土的耐久性。

对聚丙烯纤维性能的研究发现：聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度的提高可达到90%，劈裂抗拉抗折强度可达到20%。

研究表明硅灰与聚丙烯纤维同掺，对水泥混凝土性能的改善比单掺纤维更为明显。

当纤维掺量为0.2%，硅灰掺量为10%时，混凝土28d 抗压强度可提高39.44%。

2.2本文主要工作本文以硅灰、聚丙烯纤维的掺量为变化参数，对硅灰聚丙烯纤维混凝土的抗拉、抗折性能进行试验研究。

根据影响混凝土强度的主要因子列出（4因子3水平）正交试验表，完成相关实验。

通过试验找出硅灰、聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土静态抗折、抗压强度的差异，并对硅灰、聚丙烯纤维增强混凝土抗折、抗压机理进行分析和探讨。

三、实验方案设计及试件制作3.1正交实验设计“正交试验法”就是处理多因子试验的一种科学方法。

因为正交性原理具有“均衡分散性”与“整齐可比性”，因此，它能克服“孤立变量法”的“少、慢、差、费”等弊端，达到“多、快、好、省”的目的和效果。

我们把试验需要的结果叫做指标，如本次试验中混凝土的抗压强度、抗折强度均可作为衡量试验效果的指标。

把试验中要考察的对实验指标可能有影响的因素称为因子，结合实际本实验取四个因子：纤维掺入量、水泥用量、硅灰掺入量和水胶比。

把每个在试验中要比较的具体的条件称为水平，用大些字母X，Y，Z，D等来代表因子。

水平用阿拉伯数字1，2，3，4等来表示。

3.2实验方案设计3.2.1选择正交表。

在多种因子中挑出较主要的因子，根据试验要考察的因子，确定每个因子的水平，选择合适的正交表。

本实验沙率固定为40%，减水剂用量为3.6kg/m3。

确定观察四个因子（聚丙烯纤维掺入量、硅灰掺入量、水胶比、水泥用量）的3个不同水平对指标的影响规律，因此可以按照这个要求寻找一张合适的正交表来安排试验。

根据经验，四个因子之间的交互作用可以忽略，选用L9（34）正交表（“L”表示正交表；“9”表示表中有九行，也即做实验的次数；“3”表示表中只有“1”，“2”，“3”3个数字；“4”表示表中只有4列）如下：3.2.2实验安排根据试验安排表逐步进行试验。

上述的4个影响因子及每个因子的3个影响水平，如果按照全面试验的方法，需要做81次才能覆盖全部的组合条件，我们用正交试验设计，在条件考察范围内，选择代表性强的少数试验，仅做9次试验就能找到最优或较优的硅灰、聚丙烯纤维掺入量的方案。

3.3实验试件制作3.3.1原料（1）水泥。

根据《通用硅酸盐水泥》的要求，本实验用水泥是由徐州淮海中联水泥有限公司生产的PO52.5普通硅酸盐水泥。

（2）中砂。

选用砂符合GB/T14684《建筑用砂》中的相应规定，堆积密度1510（kg∕m3），表观密度2650（kg∕m3），含水率3（%），空隙率42（%），细度模数2.5，筛子孔径4.75（mm）。

（3）石子。

实验用骨料采自徐州九里山采石场，连续级配，实验前对其进行过筛，满足最大粒径20mm连续级配要求。

（4）硅粉。

本实验硅粉是上海天恺硅粉材料有限公司生产的TOPKEN920U 微硅粉，性能指标符合GB/T18736《高强、高性能混凝土矿物外加剂》的要求。

（5）聚丙烯纤维。

选用江苏射阳强力纤维制造有限公司的聚丙烯纤维。

（6）水和减水剂。

水为自来水，减水剂采用徐州云龙混凝土外加剂厂生产的MN高效减水剂，为黄褐色粉末，其减水率为15%～25%。

3.3.2试件制作实验采用钢制模具，抗压强度采用尺寸为100×100×100mm的立方体试件，抗折试件为150×150×550mm的棱柱体标准试件。

按实验标准制模，随后在模具表面敷上塑料纸保湿，24小时后拆模。

制作静态抗折、抗压试件各9组。

拆模后将试件放到由北京精强仪器设备厂生产的HSBY-40B型标准养护箱里保持养护箱温度为20度，湿度为95%左右进行养护。

四、力学实验4.1静态抗压强度试验实验分别是在长春科新实验仪器有限公司生产的60吨电液伺服万能压力实验机和100吨液压万能实验机上进行的。

试件尺寸为100×100×100mm的非标准立方体试件，实验按照标准流程和规范方法进行。

抗压强度按下面公式ƒcc=F/A计算(结果精确至0.1MPa)式中：ƒcc：混凝土立方体试件抗压强度（MPa）；F：试件破坏荷载（N）；A：试件承压面积（mm2）。

小立方体试件实测抗压强度乘以0.95的系数换算为混凝土28d实测强度。

4.2静态抗折强度试验（1）选用100吨液压万能实验机进行试验，实验方法和步骤与抗压试验相似。

（2）混凝土抗折强度可以按公式ƒt=FL/bh²计算式中：ƒt：混凝土抗压强度度（MPa)；F：试件破坏荷载(N)；L：支座间距即跨度(mm )；b：试件截面宽度(mm )；h：试件截面高度(mm )。

五、实验结果及分析5.1实验数据图表化以下是不同硅灰、聚丙烯纤维掺量混凝土3d、7d、28d实验原始数据正交因素柱状图，详见图5-1至5-6。

图5-1 各因素对混凝土3d抗压强度的影响图5-2各因素对混凝土7d抗压强度的影响图5-3各因素对混凝土28d抗压强度的影响图5-4各因素对混凝土3d抗折强度的影响图5-5各因素对混凝土7d抗折强度的影响图5-6各因素对混凝土28d抗折强度的影响经过分析图表数据，得出：同时掺加聚丙烯纤维与硅灰可以增强混凝土的综合力学性能。

通过比较可以得出实验的最好搭配是X3Y3Z2D1（即1%（体积比）聚丙烯纤维，10%（质量比）硅灰，水胶比0.30，水泥360（kg/m3））。

5.2确定最优配合比方案图5-7 各正交因素对混凝土3d、28d静态抗压、抗折强度的影响现分析同一因素不同水平的实验值，实验中设计了4个因素3个水平，分析图5-7抗压、抗折强度趋势图（其中X1--D3的数值分别为0%、0.5%、1%，0%、5%、10%，0.25、0.30、0.35,360、340、325）。

从图中可以看出，硅灰为10%时，抗压强度最大，故取Y3时抗压强度最高；聚丙烯纤维掺量取X3时抗折强度最高；水胶比和水泥是水平因子对混凝土抗压抗、折强度影响不大。

综合起来，X3Y3Z2D1是可能的最好搭配组合。

这与前面极差分析结果各因素对强度影响顺序是一致的，因此本实验得出硅灰、聚丙烯纤维的最佳配合比为10%硅灰、1%聚丙烯纤维。

5.3硅灰、聚丙烯纤维增强混凝土性能分析纤维混凝土增强机理目前主要有纤维间距理论(纤维阻裂理论)和复合材料理论。

上述两种理论从不同角度解释纤维对混凝土的增强作用，其结果是一致的,下面具体对实验数据给以分析。

（1）由图5-2可以看出，当硅灰掺量一定时，随着纤维掺量的增加，试件抗折强度增加，但早期增加不太明显，随着龄期的延长，增加才逐渐明显，且在不同硅灰掺量下，呈现一致的规律性。

各种硅灰掺量的混凝土，纤维掺量为1%时，均可使抗折强度提高20%以上。

由图5-2可以看出，硅灰的加入，对混凝土早期强度有较大影响，即硅灰加入后，混凝土早期强度得到较快发展。

主要原因是硅灰的加入促进了水泥颗粒的水化，且硅灰自身也有较高的活性，与水泥熟料一起水化生成了具有胶凝性的水化产物。

未反应的硅灰颗粒，由于其颗粒粒径非常小，便可填充到水泥水化后产生的空隙内，既使混凝土更加密实，也使强度进一步提高。

（2）硅灰对水泥基材料的填充性可使水泥石的密实性提高，降低填充水泥粒子间空隙的用水量，使其强度提高。

（3）刚刚浇注的混凝土含水率较大，表面水分大量蒸发，产生表层收缩，当混凝土表面拉应力超过了混凝土早期的抗拉强度，即产生塑性收缩裂缝。

若在砂浆中掺加适量的聚丙烯纤维，则能在砂浆或混凝土中形成均匀分布的三维网络，能降低混凝土内部存在不同尺度的微裂缝，在结构形成过程中，聚丙烯纤维阻止了这些裂缝的扩展从而减少了裂缝源的数量，并使裂缝尺度变小，这就降低了裂缝尖端的应力强度因子，缓和了裂缝尖端应力集中程度；在受力过程中，又抑制了裂缝的扩展，承受因基材收缩而引起的内应力，减少早期的干缩裂缝和塑性收缩裂缝。

因此，起到了阻裂、提高抗折强度的作用。

如图5-4--5-6中3d、7d、28d的抗折强度提高印证了这一点。

六、总结在混凝土中同时掺入硅灰、聚丙烯纤维对混凝土抗折、抗压强度有较大影响，可通过调节二者的掺量来改善硅灰、纤维混凝土的工作性能。

当纤维掺量为1%（体积比），硅灰掺量为10%（质量比）时，混凝土28d抗压、抗折强度可提高35%、28.53%。

硅灰、丙烯纤维混凝土是一种新型复合材料，它施工难度小工程建设费用比较低，且具有优良的力学性能和可靠的质量，相信未来的应用将更加广泛。

由于本研究只考虑了一种硅灰及单丝聚丙烯纤维对混凝土性能的影响，为了系统的研究硅灰及纤维在混凝土中的作用，建议对其他种类的硅灰及纤维加以研究，统计分析。

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