基于正交試驗(yàn)的碳纖維注漿材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉 盼, 朱寶柱， 張超良

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410076)

基于正交試驗(yàn)的碳纖維注漿材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉 盼, 朱寶柱， 張超良

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410076)

通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，利用趨勢圖法分析硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比、纖維的體積分?jǐn)?shù)和水灰比三種因素對注漿材料抗壓抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律：抗折強(qiáng)度隨硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比的增加先快速減小后稍微增大；而隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先增加后減?。浑S水灰比的增加其抗折強(qiáng)度越來越?。徊捎脴O差法得出三種因素對注漿材料抗壓抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，最終確定注漿材料的最佳配合比：硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比為0.40，纖維的體積分?jǐn)?shù)為1.0%，水灰比為0.54。

碳纖維； 水泥； 正交試驗(yàn)； 配合比

0 前言

注漿處治時(shí)注漿材料早期強(qiáng)度的高低，對交通具有重大的影響。所以，國內(nèi)學(xué)者對注漿材料進(jìn)行了深入研究。如張旭東[1]通過注漿工程實(shí)際，詳細(xì)介紹了水泥漿、雙液漿(水泥-水玻璃漿液)、超細(xì)水泥漿液在不同注漿條件下的注漿效果及使用方法。鄭大鋒[2]等通過試驗(yàn)詳細(xì)研究了羧甲基纖維素、聚乙烯醇和聚丙烯酸鈉三種高聚物對摻入高效減水劑注漿材料的流動度等性能的影響。張高展[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)，得出水泥-水玻璃注漿材料的抗水性和抗?jié)B性比新型工業(yè)廢渣雙液注漿材料的要差，并且后者具有良好的穩(wěn)定性、流動性和可注性。

傳統(tǒng)的水泥注漿材料具有凝結(jié)時(shí)間長、早期強(qiáng)度不高、凝結(jié)硬化后體積收縮明顯等諸多缺點(diǎn)，不能滿足處治后盡快恢復(fù)交通的要求[4,5]。為了改善傳統(tǒng)注漿材料的性能，本次試驗(yàn)采取以碳纖維、硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、VAE乳液為原材料，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到不同配合比對注漿材料的抗壓抗折性能的影響，從而確定各組分的最佳配合比。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[6]是根據(jù)因子設(shè)計(jì)的分式原理，研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，根據(jù)正交性從全部試驗(yàn)中挑選出一些有代表性的點(diǎn)(具有“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn))進(jìn)行試驗(yàn)，并通過結(jié)果分析推斷出最優(yōu)方案，這種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法具有效率高、速度快、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。針對硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽質(zhì)量比A、水灰比B、纖維的體積分?jǐn)?shù)C三個(gè)主要影響因素，各個(gè)因素選取4種水平，把混合料7 d抗壓抗折強(qiáng)度作為主要檢驗(yàn)指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)研究碳纖維注漿材料各組分的最佳比例，試驗(yàn)正交表見表1。

表1 試驗(yàn)正交表水平硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比/%纖維的體積分?jǐn)?shù)/%水灰比14000.542420.50.563441.00.584461.50.60

1.2 材料組成

試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)原料見表2。

表2 試驗(yàn)原料試驗(yàn)材料規(guī)格生產(chǎn)廠家碳纖維6mm蘇州偉元化纖有限公司普通硅酸鹽水泥32.5MPa湖南寶隆科技發(fā)展有限公司硫鋁酸鹽水泥42.5MPa湖南寶隆科技發(fā)展有限公司VAE乳液—廣州市淇盛化工有限公司

碳纖維特點(diǎn)主要有：與所有的纖維材料相比，碳纖維的比模量最高，抗拉強(qiáng)度與玻璃纖維接近，彈性模量比玻璃纖維高4～5倍，比鋁合金高5～6倍；在室溫條件下，具有較好的耐腐蝕性，空氣中也具有較好的耐氧化性；具有較低的線膨脹系數(shù)，耐高溫和耐低溫性都比較好，具有一定的摩擦減振特性，熱容量大、比熱小，吸附性和導(dǎo)電性良好。

1.3 材料制備[7,8]

1.3.1 氧化碳纖維表面

碳纖維單絲表面被一層有機(jī)膠黏劑裹護(hù)，使其與水溶液的相溶性很差，因此很難使其均勻分散在水溶液中。除去碳纖維表面的有機(jī)膠黏劑，增強(qiáng)其親水性，可通過對其表面微氧化來達(dá)到這一目的，同時(shí)這種方法對碳纖維表面活性的提高也有一定的作用。試驗(yàn)中把氣相氧化與液相氧化相結(jié)合，具體試驗(yàn)方法如下：

1) 在馬弗爐中放入適量碳纖維，并將爐內(nèi)溫度加熱到500 ℃，保溫2.5 h除去表面膠體；

2) 對處理后的碳纖維進(jìn)行液相氧化，將其浸入40%的硝酸溶液中煮沸15 min，提高其表面活性；

3) 將碳纖維放入燒杯中用蒸餾水沖洗直到溶液呈中性，再將其干燥后放在潔凈的容器中備用。

1.3.2 注漿材料試件制備

1) 將試驗(yàn)所需的碳纖維(根據(jù)纖維體積分?jǐn)?shù)利用排水法得到所需纖維質(zhì)量)和部分水泥加入到攪拌鍋中，慢速干拌90 s。

2) 加入試驗(yàn)所需的減水劑、消泡劑和剩余的水，然后，邊攪拌邊加入剩余水泥，再濕拌120 s。

3) 將所得到的材料倒入標(biāo)準(zhǔn)試模中振實(shí)成型，將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，1 d后放入水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)6 d，表面擦干后，進(jìn)行抗壓抗折試驗(yàn)。

碳纖維注漿材料試件制備工藝流程如圖1所示。

圖1 碳纖維注漿材料試件制備工藝流程

2 數(shù)據(jù)分析

評價(jià)注漿材料性能的優(yōu)劣主要取決于抗壓抗折強(qiáng)度。所以，本試驗(yàn)以碳纖維注漿材料的強(qiáng)度性能為研究重點(diǎn)，研究了不同水灰比、纖維含量和鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比的情況下，注漿材料的抗壓抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律。

根據(jù)因素表應(yīng)用 L16(45)正交表各因素的組合安排制備試件，每組平行試件4個(gè)，養(yǎng)生至7 d齡期，并測定試件抗壓抗折強(qiáng)度。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行注漿材料的抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。注漿材料抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

采用趨勢圖分析法，得到各影響因素與抗壓抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，碳纖維注漿材料抗折強(qiáng)度隨硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比的增加先快速減小后稍微增大；而隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先增加后減?。浑S水灰比的增加其抗折強(qiáng)度越來越小。同時(shí)從圖2分析可得，碳纖維的加入對注漿材料抗壓抗折強(qiáng)度有很大的影響：碳纖維摻量從0.5%增加到1%時(shí)，其抗壓抗折強(qiáng)度增加最多，當(dāng)碳纖維摻量為1%時(shí)，其7 d抗壓抗折強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)最大值，隨后略微減小，趨于平緩。而且，摻加纖維與不摻纖維的相比，其7 d抗壓強(qiáng)度增加了16%左右，7 d抗折強(qiáng)度增加1倍左右。

分析極差可得，硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比為0.86，纖維的體積分?jǐn)?shù)為0.91%，水灰質(zhì)量比為1.45，水灰比對碳纖維注漿材料強(qiáng)度的影響最大，纖維的體積分?jǐn)?shù)對其影響居中，硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比對其影響最小。所以，綜合上述三個(gè)因素對碳纖維注漿材料強(qiáng)度的影響規(guī)律，為使其獲得最優(yōu)的抗壓抗折強(qiáng)度，其最佳配合比應(yīng)該是硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比為0.40，纖維的體積分?jǐn)?shù)為1.0%，水灰比為0.54。

表3 測試結(jié)果AC/%B纖維組普通組強(qiáng)度差提升百分比7d抗折/MPa7d抗壓/MPa7d抗折/MPa7d抗壓/MPa7d抗折/MPa7d抗壓/MPa7d抗折7d抗壓0.400 0.548.9111.574.5710.234.341.340.950.130.50.568.9811.794.5410.314.441.480.980.141.00.589.1511.123.589.755.571.371.560.141.50.608.0210.873.6110.944.41-0.071.22-0.010.420 0.568.0111.643.599.354.422.291.230.240.50.548.2111.124.0410.574.170.551.030.051.00.607.6312.194.099.783.542.410.870.251.50.587.7812.543.579.964.212.581.180.260.440 0.587.6112.133.6710.543.941.591.070.150.50.607.0810.344.6110.012.470.330.540.031.00.549.0812.854.539.784.553.071.000.311.50.568.7912.233.719.655.082.581.370.270.460 0.606.8511.394.5510.312.3 1.080.510.100.50.587.7412.873.599.874.1531.160.301.00.569.1611.574.629.514.542.060.980.221.50.549.2111.843.6811.125.530.721.500.06

圖2 硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽質(zhì)量比、纖維的體積分?jǐn)?shù)和水灰比對抗壓抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

1) 從碳纖維注漿材料的抗折強(qiáng)度方面來說，硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比、纖維的體積分?jǐn)?shù)、水灰比是最主要的影響因素，其抗折強(qiáng)度隨硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比的增加先快速減小后稍微增大；而隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先增加后減??；隨水灰比的增加其抗折強(qiáng)度越來越小。

2) 碳纖維的加入對注漿材料抗壓抗折強(qiáng)度有很大的影響：碳纖維摻量從0.5%增加到1%時(shí)，其抗壓抗折強(qiáng)度增加最多，當(dāng)碳纖維摻量為1%時(shí)，其7 d抗壓抗折強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)最大值，隨后略微減小，趨于平緩。

3) 三個(gè)因素對碳纖維注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響程度為水灰比>纖維的體積分?jǐn)?shù)>硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比。

4) 碳纖維注漿材料最佳配合比：硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比為0.40，纖維的體積分?jǐn)?shù)為1.0%，水灰比為0.54。

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2016-07-05

劉盼( 1991-) ，男，碩士研究生，主要從事路基路面工程及邊坡工程等方面研究。

1008-844X(2017)01-0054-04

U 414

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