不同影響因素下聚乙烯醇纖維改性橡膠混凝土抗?jié)B性研究

孫杰，馬穩(wěn)，吳爽，馮川，孫明星，彭勝，許奎

（1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.中鐵建設(shè)集團(tuán)中南建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430035）

近些年來(lái)，研究人員常常把注意力集中于提高混凝土強(qiáng)度以及延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)使用年限方面[1-4]。對(duì)普通混凝土抗?jié)B性也展開(kāi)了大量的研究工作，可以在混凝土中加入橡膠、纖維等材料，彌補(bǔ)普通混凝土的抗?jié)B缺陷。田艷鳳等[5]選用16～40目橡膠粉進(jìn)行4 種摻量的配比設(shè)計(jì)，開(kāi)展橡膠混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)研究，并指出橡膠粉摻入混凝土對(duì)內(nèi)部孔隙有填充作用，橡膠混凝土毛細(xì)孔隙率相對(duì)越低，且橡膠粉粒徑越小填充效果越好，抗?jié)B性較好，橡膠粉的最佳粒徑為20 目和40 目。在連續(xù)干濕循環(huán)和氯離子溶液下，Islam Md 等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在腐蝕性環(huán)境中細(xì)橡膠骨料摻入混凝土后其耐久性更好。劉松岸和劉亞飛[7]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒對(duì)混凝土耐久性改性效果顯著。閆長(zhǎng)旺等[8]研究了PVA 纖維對(duì)混凝土抗鹽侵蝕性能的影響，結(jié)果表明，在混凝土中摻入長(zhǎng)度為12 mm、體積摻量為1.2 kg/m3的聚乙烯醇纖維時(shí)，纖維混凝土的抗鹽侵蝕性能最優(yōu)。黃加圣[9]研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇纖維可以抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，強(qiáng)化了膠凝材料與骨料之間的粘結(jié)力，摻入PVA 纖維后，滲水高度值低于基準(zhǔn)混凝土，尤其對(duì)高水膠比混凝土抗?jié)B增強(qiáng)效果更為明顯。聞洋和陳偉[10]的研究發(fā)現(xiàn)，PVA 纖維可以有效地抑制早期塑性裂縫的產(chǎn)生，并顯著提高材料的抗?jié)B性，各項(xiàng)性能表現(xiàn)最佳時(shí)PVA 纖維長(zhǎng)度為8 mm、摻量為1.4 kg/m3。由此可見(jiàn)，混凝土中摻入一定量的PVA 纖維或橡膠粉，混凝土的抗?jié)B性表現(xiàn)出積極的效應(yīng)。

本文通過(guò)正交試驗(yàn)研究了水灰比、橡膠粉體積取代率、PVA 纖維體積摻量、溫度4 種因素對(duì)試件的滲透高度及相對(duì)滲透系數(shù)的影響，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，得出各個(gè)影響因素對(duì)不同指標(biāo)影響的最佳水平組合，為PVA 纖維改性橡膠混凝土的相關(guān)研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O 42.5，武漢華新水泥股份有限公司；碎石：粒徑5～25 mm；細(xì)骨料：普通河砂，級(jí)配良好，表觀密度1560 kg/m3；減水劑：HPWR Q8011 型高性能減水劑，淡黃色，減水效率26%，陜西秦奮建材有限公司；橡膠粉：60 目，粒徑0.25 mm；改性溶液：用含量為95%的氫氧化鈉顆粒進(jìn)行配制，采用配制好的10%濃度氫氧化鈉溶液浸泡橡膠粉48 h 進(jìn)行改性處理；聚乙烯醇（PVA）纖維：高強(qiáng)高模聚乙烯醇，長(zhǎng)度12 mm，市購(gòu)。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)4 因素、4 水平L16（44）正交試驗(yàn)，因素水平見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。制備16 組標(biāo)準(zhǔn)尺寸為175 mm×185 mm×150 mm 的抗?jié)B試塊，每組6 塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 及溫度60 ℃環(huán)境持續(xù)作用后，將試件側(cè)面輕輕裹上1 層均勻且不太厚的石蠟，在裹好石蠟的試件側(cè)面中心部位以及成型面遠(yuǎn)端處套上橡膠密封圈，加強(qiáng)密封效果，并將試件放入試模上進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。采用滲透高度法，開(kāi)通6 個(gè)試位下的閥門，試驗(yàn)設(shè)定水壓1.2 MPa。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試件，在承壓板上放置劈裂試驗(yàn)所用到的弧形墊塊，在墊塊中心的頂部放置1 根鋼筋，打開(kāi)壓力機(jī)使其沿縱斷面劈裂開(kāi)，將試件一分為二，觀察斷面水痕。用直尺等間距量取10 處水痕的高度，取其平均值為該試件的滲透高度hi，6 個(gè)試件均值為該組最終滲透高度h，且計(jì)算相對(duì)滲透系數(shù)K 作為評(píng)定指標(biāo)。

1.4 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JG/J 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的配合比計(jì)算方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)配合比計(jì)算每組試驗(yàn)用量。結(jié)果如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及滲透高度、相對(duì)滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)滲透高度和相對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 滲透高度相對(duì)滲透系數(shù)的極差分析

從表3 可以看出：

（1）綜合比較滲透高度極值，4 種影響因素中橡膠粉取代率對(duì)滲透高度影響極為明顯，極差為53.9，水灰比和聚乙烯醇纖維體積率次之，溫度極差為5.9，其影響最小。比較R 值大小，53.9>17.5>13.0>5.9，即RB>RA>RC>RD，由此可以判斷出對(duì)強(qiáng)度影響程度由高到低依次為改性橡膠粉取代率、水灰比、PVA 纖維摻量及溫度。在不同因素對(duì)滲透高度影響波動(dòng)幅度中，水灰比、改性橡膠粉取代率、PVA 纖維摻量和溫度的波動(dòng)幅度分別為37.5%、112.3%、22.7%、10.4%，改性橡膠粉取代率波動(dòng)幅度比較顯著。

（2）當(dāng)水灰比從0.34 增加到0.49 時(shí)，試件的滲透高度由19.775 mm 提高到37.275 mm。水灰比由0.34 增加到0.39，滲透高度顯著提高了68.4%，主要是較小的水灰比不利于水泥的充分水化，混凝土密實(shí)度降低，透水性增加明顯。水灰比由0.39 增加到0.44，再由0.44 增加到0.49 時(shí)，滲透高度增加較小，分別為9.2%、2.5%。表明在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)水灰比越大，混凝土內(nèi)部相互聯(lián)通的、無(wú)規(guī)則的毛細(xì)孔越多，水泥石的孔隙率增加，透水性強(qiáng)，滲透高度越高。

（3）隨改性橡膠粉摻量的增加，試件的滲透高度先減小后增大，改性橡膠粉取代率從4%增加到12%，滲透高度從67.325 mm 顯著減小到16.125 mm。經(jīng)NaOH 溶液改性后，橡膠周邊包圍的裂縫顯著減少，水泥漿體與改性橡膠粘結(jié)更好，抗?jié)B透性加強(qiáng)。但橡膠粉摻量從12%增加到16%時(shí)，滲透高度僅增大了16.6 mm，改性橡膠集料摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)稍微改變其填充效果，增大混凝土的含氣量。說(shuō)明橡膠粉摻量在一定范圍內(nèi)的提高能改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高抗?jié)B性。

（4）隨PVA 纖維摻量的增加，試件的滲透高度先增大后減小，其摻量0.1%～0.3%試件滲透高度呈上升趨勢(shì)，摻量0.3～0.7%為下降階段。在一定范圍內(nèi)，PVA 纖維的摻入可以在試件成型早期較好地抑制混凝土微裂縫的產(chǎn)生和開(kāi)展，阻斷內(nèi)部毛細(xì)孔，減少內(nèi)外部連通孔的產(chǎn)生，填充彌補(bǔ)了一定的缺陷，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部的約束力，聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能有一定的提升。

（5）在試驗(yàn)溫度20～260 ℃，溫度越高試件滲透高度越高。推測(cè)溫度越高導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差越大，溫度應(yīng)力也隨之增大，當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度和變形能力時(shí)，混凝土開(kāi)始產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著溫度的提高逐漸破壞，使水更容易通過(guò)和滲透。

比較各因素各水平下的平均相對(duì)滲透系數(shù)k 值，以因素A 為例，kA1＜kA2＜kA3＜kA4可判斷出因素A 最優(yōu)水平為水平1。同理，因素B 最優(yōu)水平為水平3，因素C 最優(yōu)水平為水平1，因素D 最優(yōu)水平為水平1。因素B 對(duì)相對(duì)滲透系數(shù)的影響程度較大，因素A、C、D 次之，得出最佳水平組合為A1B3C1D1。

綜上所述：各因素對(duì)混凝土滲透性影響程度由高到低依次為改性橡膠粉取代率＞水灰比＞PVA 纖維摻量＞溫度。在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)的最佳水平組合為A1B3C1D1。

2.2 方差分析

極差分析法不能將試驗(yàn)條件改變引起的試驗(yàn)指標(biāo)變化與試驗(yàn)誤差引起的指標(biāo)變化區(qū)分開(kāi)來(lái)，無(wú)法估計(jì)試驗(yàn)誤差大小，沒(méi)有具體的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，為彌補(bǔ)這一缺陷進(jìn)行方差分析，如表4所示。

表4 滲透系數(shù)的方差分析

極差分析若F 因素＞Fα（f 因素，fe），則表明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著，在置信度為99%、95%、90%（即α=0.01、0.05、0.1）時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界值分別為：F0.01（3，3）=29.5，F(xiàn)0.05（3，3）=9.28，F(xiàn)0.1（3，3）=5.39。只有F0.05（3，3）＞FB＞F0.1（3，3），其他F 值均小于F0.1=5.39，且FB＞FA＞FC＞FD，表明4 個(gè)影響因素中改性橡膠粉摻量是主要因素，其對(duì)混凝土抗?jié)B性有顯著的影響，而水灰比、PVA 纖維摻量和溫度對(duì)混凝土滲透耐久性影響很小，這與極差分析結(jié)果基本相吻合。

2.3 回歸分析

為得到PVA 纖維改性橡膠混凝土抗?jié)B性回歸方程，本次試驗(yàn)通過(guò)SPSS 采用多元非線性回歸分析[11-12]，可以得到具有一定可信度四元非線性回歸方程，確定水灰比、改性橡膠粉取代率、PVA 纖維摻量和溫度4 個(gè)因素對(duì)相對(duì)滲透系數(shù)Kr的定量關(guān)系式，且考慮4 個(gè)因素之間的相互作用，回歸模型可以假設(shè)為：

式中：Kr——相對(duì)滲透系數(shù)；

Ci（i＝0，2，3，4，5，6，7，8，9）——回歸系數(shù)；

X1——水灰比；

X2——改性橡膠粉取代率；

X3——PVA 纖維摻量；

X4——溫度。

將表2 相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入回歸模型式（1）中，通過(guò)SPSS進(jìn)行回歸分析可得式（2）：

由SPSS 計(jì)算出四元回歸方程的殘差平方和為11.201，修正后平方和為117.045，所以即該方程的擬合程度為90.4%，擬合度較好。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)試件滲透高度的極差分析對(duì)比可知，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)對(duì)混凝土滲透性影響程度高低順序依次為改性橡膠粉摻量＞水灰比＞PVA 纖維摻量＞溫度。

（2）對(duì)比各水平k 值得知，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)混凝土試件的最優(yōu)組合為A1B3C1D1，即水灰比0.34，改性橡膠粉取代率12%，PVA 纖維摻量0.1%，溫度20 ℃的條件下試件抗?jié)B性最好。

（3）對(duì)試件相對(duì)滲透系數(shù)的方差分析對(duì)比F 值與極差分析結(jié)論一致，通過(guò)量化分析得知，改性橡膠粉摻量對(duì)試件抗?jié)B性影響顯著水平F0.05＞F＞F0.1，影響水平一般，水灰比、PVA 纖維摻量及溫度對(duì)試件抗?jié)B性影響在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)可忽略不計(jì)。

（4）通過(guò)SPSS 進(jìn)行四元非線性回歸分析，建立PVA 纖維改性橡膠混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)（Kr）與水灰比、改性橡膠粉取代率、PVA 纖維摻量、溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，且擬合度比較好，擬合程度可以達(dá)到90.4%。