鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性試驗研究

楊林，李明

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性試驗研究

楊林，李明

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

應(yīng)用響應(yīng)面對鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性進行試驗研究。根據(jù)鋼纖維增韌聚合物混凝土的實際使用情況確定了響應(yīng)面試驗的高、低水平和中間水平，并依據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析及圖像分析，明確了各因素對磨損量影響的顯著性大小，因素之間的交互作用大小。依據(jù)建立的模型求得最優(yōu)配合比為：鋼纖維體積率1.13，丁苯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.26%、水灰比0.40，模型預(yù)測符合實際情況，模型可指導(dǎo)高耐磨性鋼纖維增韌聚合物混凝土配合比設(shè)計。

鋼纖維增韌聚合物混凝土；耐磨性；模型；響應(yīng)面尋優(yōu)

鋼纖維增韌聚合物混凝土是指鋼纖維與聚合物乳液混合摻入混凝土中，二者復(fù)摻能顯著提高混凝土的力學(xué)性能，鋼纖維能夠增強聚合物混凝土的抗折強度，聚合物可以增強水泥基體對于鋼纖維的握裹作用，使鋼纖維抗拉強度高的特性得到充分發(fā)揮［1，2，3］，鋼纖維增韌聚合物混凝土因其具有優(yōu)良的力學(xué)性能而被廣泛的應(yīng)用在道路及建筑領(lǐng)域。以往研究主要針對鋼纖維增韌聚合物混凝土的力學(xué)性能，本文將基于RSM（response surface methodology）對其耐磨性進行深入研究。RSM在生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，建筑領(lǐng)域應(yīng)用較少，RSM的實質(zhì)是一套較為復(fù)雜的統(tǒng)計方法，它通過近似構(gòu)造一個有具體形式的多項式來表達隱式功能函數(shù)，在綜合考慮變量值的相互作用以及不確定性基礎(chǔ)上尋找最優(yōu)解，相對于正交試驗，它所需試驗次數(shù)較少，并且克服了正交試驗只能給出最佳因素水平組合的缺陷，其預(yù)測值更加接近實際值［4］。RSM包含CCD（central composite design）和BBD（Box-Behnken design）兩種試驗組合設(shè)計，其中BBD適合因素少于5個，水平為3個的試驗，適合鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性的試驗研究。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

試驗用水泥為天鵝牌P·O 42.5水泥，各項指標(biāo)符合要求；試驗所用細集料為本地河砂，細度模數(shù)為2.7；粗骨料采用哈爾濱阿城市玉泉鎮(zhèn)產(chǎn) 5～20mm連續(xù)級配碎石；鋼纖維為河北衡水廣駿橡塑制品廠生產(chǎn)路面橋梁專用剪切型異型鋼纖維；聚合物乳液為山東鼎鼎化工提供的水泥專用羧基丁苯膠乳；外加劑為萘系高效減水劑及山東宏祥化學(xué)試劑廠提供的 HB-03型聚醚改性有機硅消泡劑。

圖1 丁苯乳液及鋼纖維

鋼纖維技術(shù)指標(biāo) 表1

聚合物乳液技術(shù)參數(shù) 表2

1.2 試驗方法

根據(jù)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定，將尺寸為 150mm×150mm× 150mm的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至27d，擦干表面水分后自然干燥12h，再放入烘箱中烘干12h至恒重。將成型時與頂面垂直的面作為磨削面，在200N負荷下磨30r，刷凈浮塵后稱重 m1（kg）作為試件磨損前質(zhì)量，在200N的負荷下磨 60r，刷凈浮塵后稱重為 m2（kg）作為磨損后的質(zhì)量，試驗中應(yīng)將吸塵器口對準(zhǔn)磨耗面，將磨耗面上粉塵及時吸走，則該面積下的磨損量為 m1-m2，試驗中的磨損面積為 0.0125m2，磨損量G=m1-m2/0.0125同一配合比三組平行試驗，三組試驗結(jié)果平均值作為該配合比下的磨損量［5］。

1.3 分析因素的水平選取

本次試驗主要研究鋼纖維體積率、丁苯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（相對于水泥質(zhì)量）、水灰比［6］（固定水泥質(zhì)量不變）三種因素對鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性的影響，鋼纖維增韌聚合物混凝土的配合比設(shè)計沒有相關(guān)的規(guī)范作為依據(jù)，一般認(rèn)為配合比設(shè)計可參考鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計，本次研究依據(jù)響應(yīng)面的特點和規(guī)范要求及實際工程應(yīng)用對力學(xué)性能［7］、工作性［8］及經(jīng)濟性［9］的要求，三種影響因素的水平變化范圍如表。

因素的水平變化范圍 表3

1.4 RSM試驗設(shè)計

前文已經(jīng)說明了RSM試驗中的BBD試驗設(shè)計相對于CCD試驗設(shè)計更適合鋼纖維聚合物混凝土耐磨性的試驗研究，根據(jù)表2中三種因素的變化范圍，應(yīng)用design expert v8.0.6對BBD試驗進行設(shè)計，BBD試驗中的水泥用量為400kg/m3，鋼纖維增韌聚合物混凝土實際用水量為計算用水量減丁苯乳液中含水量，鋼纖維增韌聚合物混凝土的表觀密度為 2450kg/m3，因素水平如表3所示，BBD試驗設(shè)計如表4所示，+1代表高水平，0代表中間水平，-1代表低水平。

響應(yīng)面分析法中的因素與水平表 表4

2 試驗結(jié)果分析

2.1 響應(yīng)面分析法試驗方案的建立與結(jié)果分析

以鋼纖維體積率、聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水灰比為自變量，為使試驗結(jié)果更加精確和直觀，將試件試驗前后質(zhì)量差作為響應(yīng)值，試驗方案及結(jié)果見表5。

響應(yīng)面實驗設(shè)計方案及結(jié)果 表5

試驗數(shù)據(jù)回歸分析 表6

2.2 試驗結(jié)果的統(tǒng)計學(xué)分析

表6中A代表鋼纖維體積率，B代表聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C代表水灰比。方差分析結(jié)果中模型方程的檢驗中p＜0.001表明回歸模型顯著，擬合程度高，有統(tǒng)計學(xué)意義，模型負相關(guān)系數(shù)為 99.65%，說明響應(yīng)值有 99.65%來源于所選變量，擬合程度高。在各因素及因素之間交互作用的統(tǒng)計檢驗結(jié)果中：鋼纖維的體積率A、鋼纖維體積率的二次項A2、聚合物摻量的二次項B2、水灰比的二次項C2對響應(yīng)值的作用都是極顯著的；鋼纖維體積率與聚合物乳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互項AB對響應(yīng)值是高度顯著的；聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)B、水灰比C、鋼纖維體積率與水灰比的交互項AC都是差異顯著的。單因素對于耐磨性的影響顯著性從大到小的順序為：鋼纖維體積率＞聚合物乳液摻量＞水灰比。失擬項0.0962＞0.05不顯著，表明擬合程度好。應(yīng)用design expert v8.0.6軟件進行多元線性回歸，得到磨損量與各參數(shù)函數(shù)關(guān)系：

磨損量=37.24-4.89A-1.05B+0.99C-2.08AB +1.60AC-1.08BC+9.78A2+14.55B2+11.18C2

2.3 響應(yīng)曲面分析

圖2 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)（A）及聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）對磨損量影響響應(yīng)面及等高線圖

圖3 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)（A）及水灰（C）比對磨損量影響響應(yīng)面及等高線圖

圖4 聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）及水灰比（C）對磨損量影響響應(yīng)面及等高線圖

三維響應(yīng)面圖中可直觀的分析出，各因素的交互作用對于響應(yīng)值既磨損量的作用趨勢，AB、AC、BC對于響應(yīng)值的作用都是在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，形成了凹型曲面，證明在各因素的高低水平范圍內(nèi)可以取到極值即磨損量最低值，直接證明了響應(yīng)面試驗設(shè)計中各因素高低水平的選取是合理的。二維等高線中可直觀分析各因素之間交互作用的影響程度，越接近橢圓則交互作用越明顯，越接近正圓則交互作用越弱，AB、AC的二維等高線圖是明顯的橢圓，表明交互作用顯著，而BC的等高線則接近正圓交互作用不顯著［10］，這與統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果一致。

2.4 最優(yōu)組合的確定與驗證

在利用design expert 8.0.6進行求解時應(yīng)將影響因素的值設(shè)定為“in range”，響應(yīng)值選取最小“minimize”，并設(shè)定為一個無法達到的下限例如“1”，求得最優(yōu)解為：鋼纖維體積分?jǐn)?shù)1.13%、聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.26%、水灰比0.40。模型預(yù)測磨損量為36.55g，實際驗證在此配合比下實測三組試件的平均磨損量為37.39g，與模型預(yù)測值相差2.30%，理論值與實際驗證值符合情況較好。

3 結(jié) 論

①三種因素對鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性的影響的顯著性由大到小的順序為：鋼纖維體積率、聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水灰比。

②通過響應(yīng)面試驗的統(tǒng)計學(xué)結(jié)果及響應(yīng)面圖分析得出鋼纖維體積率與聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水灰比對于混凝土的耐磨性存在強烈的交互作用。

③利用響應(yīng)面分析得到的模型方程求得最優(yōu)組合：鋼纖維體積率 1.13%、聚合物乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.26%、水灰比0.40，實際值與模型預(yù)測值偏差較小，證明了響應(yīng)面分析對于最優(yōu)組合中參數(shù)的確定是準(zhǔn)確的，對獲得耐磨性更好的混凝土配合比設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

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TU502

A

1007-7359（2016）02-0247-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.088

黑龍江省交通廳科技項目（MJ20110034）。

楊林（1970-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授，研究方向：路面結(jié)構(gòu)及材料。