劉 盼, 朱寶柱， 張超良

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

通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，利用趨勢(shì)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(duì)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小；隨水灰比的增加其抗折強(qiáng)度越來(lái)越??；采用極差法得出三種因素對(duì)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(duì)交通具有重大的影響。所以，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)注漿材料進(jìn)行了深入研究。如張旭東[1]通過(guò)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(guò)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(duì)摻入高效減水劑注漿材料的流動(dòng)度等性能的影響。張高展[3]通過(guò)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(dòng)性和可注性。

傳統(tǒng)的水泥注漿材料具有凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到不同配合比對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)對(duì)其表面微氧化來(lái)達(dá)到這一目的，同時(shí)這種方法對(duì)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(duì)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(píng)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(cè)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(jiàn)表3。

采用趨勢(shì)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??；隨水灰比的增加其抗折強(qiáng)度越來(lái)越小。同時(shí)從圖2分析可得，碳纖維的加入對(duì)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(duì)碳纖維注漿材料強(qiáng)度的影響最大，纖維的體積分?jǐn)?shù)對(duì)其影響居中，硫鋁酸鹽與普通硅酸鹽水泥質(zhì)量比對(duì)其影響最小。所以，綜合上述三個(gè)因素對(duì)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(cè)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(duì)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(lái)說(shuō)，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?。浑S水灰比的增加其抗折強(qiáng)度越來(lái)越小。

2) 碳纖維的加入對(duì)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(duì)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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