基于田口法和灰色关联分析的剑麻-聚丙烯纤维混杂增强混凝土配合比优化研究

本研究针对传统混凝土环境负荷高、性能单一的问题，通过田口法(Taguchi method)和灰色关联分析(Grey Relational analysis)优化剑麻(abaca)与聚丙烯(polypropylene)纤维混杂增强混凝土的配合比。研究人员将试验组数从27组缩减至9组，发现含0.25%剑麻纤维、0.125%聚丙烯纤维及水灰比0.4的配比在抗压强度(40.13 MPa)、抗折强度(7.36 MPa)和吸水率(5.5%)等指标上表现最优，为绿色建材开发提供新思路。

　　

混凝土作为建筑环境的基础材料，其生产过程中的高能耗和CO₂排放问题日益凸显。传统混凝土存在脆性大、易开裂等缺陷，而单一纤维增强方案难以兼顾力学性能与环境可持续性。剑麻纤维(abaca)虽能提升混凝土抗裂性，但存在预处理复杂、耐酸性差等局限；聚丙烯纤维(PP)可改善耐久性却缺乏生态友好性。如何通过纤维混杂技术协同提升混凝土性能，同时减少实验成本，成为亟待解决的难题。

为此，研究人员开展了剑麻-聚丙烯纤维混杂增强混凝土的配合比优化研究。通过田口法设计L9正交阵列，将27组实验精简至9组，结合灰色关联分析(GRA)评估抗压强度、抗折强度（目标值越大越好）和吸水率（目标值越小越好）等多重指标。研究采用M30级混凝土，设置水灰比(0.4-0.5)、剑麻纤维(0.125%-0.375%)和聚丙烯纤维(0.125%-0.375%)三因素三水平，通过坍落度测试、抗压/抗折强度试验和吸水率测定等验证性能。

关键技术方法

1. 田口法优化实验设计：采用L9正交阵列减少实验组数
2. 灰色关联分析：将多目标响应转化为单一灰色关联点(GRP)
3. 力学性能测试：按IS 516标准测定7/28天抗压/抗折强度
4. 吸水率测定：依据ASTM C642-97标准

3.1 工作性能
混凝土坍落度随纤维含量增加而降低，水灰比0.5的M3混合料（含0.125%剑麻+0.125%PP）展现最佳流动性，证实纤维会阻碍浆体流动。

3.2 吸水性能
PP纤维显著降低吸水率，含0.125%PP的M6混合料28天吸水率仅5.5%，比无纤维对照组(M11)降低59.4%，因PP纤维填充了毛细孔隙。

3.3 抗压强度
早期强度受水灰比主导，后期强度随纤维掺量变化显著。含0.125%剑麻+0.125%PP的M3混合料28天强度达40.13 MPa，比对照组(M12)提高6.11%。

3.4 抗折强度
纤维混杂产生显著增强效应，M6混合料（0.25%剑麻+0.125%PP）28天强度7.36 MPa，较对照组(M11)提升10.01%，体现纤维桥接裂缝的优势。

4. 田口分析
抗压强度主要受剑麻纤维影响（贡献率59.83%），抗折强度和吸水率则分别由PP纤维（贡献率55.69%）和水灰比（贡献率26.63%）主导。

5. 灰色关联优化
M6混合料（A₂B₁C₁）以GRP值0.771成为最优配比，验证实验显示其抗压强度(43.2 MPa)和抗折强度(7.51 MPa)较预测值进一步提升。

该研究通过多目标优化证实：0.25%剑麻纤维与0.125%PP纤维在0.4水灰比下可实现强度与耐久性的最佳平衡。剑麻纤维提升基体韧性，PP纤维减少孔隙率，二者协同作用突破单一纤维的性能局限。方法论上，田口-GRA联用显著降低实验成本，为复合材料优化提供普适性框架。研究成果发表于《Green Technologies and Sustainability》，对推动建筑行业低碳转型具有重要实践价值，未来可拓展至不同纤维长径比和胶凝材料体系的研究。