徐永芝, 陳麗芳

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

大型水電工程和火電工程中的混凝土大壩及隧道等構(gòu)筑物，對混凝土的抗?jié)B性有極高的要求，一旦混凝土的抗?jié)B性不足或遭到損壞，就會嚴(yán)重降低這些結(jié)構(gòu)的使用功能，造成嚴(yán)重的污染和泄露事故.

國內(nèi)外學(xué)者通過向混凝土中摻加纖維材料以提高混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度性能.龍志勤等[1]通過試驗(yàn)研究了不同摻量的碳纖維對泡沫混凝土抗壓抗折力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)碳纖維的摻量為0.6%時(shí)，碳纖維對泡沫混凝土的抗壓抗折力學(xué)性能綜合增強(qiáng)效果最為顯著.王磊等[2]研究了碳纖維對混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明：合理的碳纖維摻量對于混凝土的抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不明顯，對抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較顯著.杜玉兵等[3]研究了摻入碳纖維后混凝土基體的抗蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維能提高混凝土的抗侵蝕能力.

目前，關(guān)于纖維和硅粉等摻加物對混凝土抗?jié)B性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者研究的較少.本研究利用正交試驗(yàn)法優(yōu)化碳纖維和硅粉的合理摻量，探討碳纖維對混凝土抗?jié)B性的改善程度，以期為提高混凝土的抗?jié)B性能提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持.

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過水壓法[4,5]測試碳纖維混凝土的抗?jié)B性,研究影響混凝土抗?jié)B性的各種因素及其規(guī)律.

1.2 試驗(yàn)材料

水泥選用P·O 32.5的普通硅酸鹽水泥；河砂的細(xì)度模數(shù)為2.6，最大粒徑為1 mm；普通碎石的最大粒徑為16 mm；碳纖維采用上海新卡碳素有限公司生產(chǎn)的長度分別為6、10和15 mm的短切PAN基碳纖維(表1)、粉末型甲基纖維素分散劑、920U型硅粉和CNF-2高效減水劑.

表1 碳纖維的性能指標(biāo)

1.3 配合比

試驗(yàn)以C40混凝土為例研究碳纖維對其抗?jié)B性的影響.基本配合比、碳纖維的長度及摻量、硅粉和甲基纖維素的配合比如表2所示.

表2 碳纖維混凝土配合比

1.4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)法[6]設(shè)計(jì)混凝土的抗?jié)B性試驗(yàn).正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是建立在概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一種安排試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)方法.它運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化正交表來靈活方便的安排試驗(yàn)，布點(diǎn)均衡，大大減少了試驗(yàn)次數(shù)，并且保證主要因素不會被漏掉，結(jié)果比較直觀，易于分析，每個(gè)試驗(yàn)水平均重復(fù)相同的次數(shù)，可消除部分試驗(yàn)誤差的干擾.因其具有正交性，易于分析出各因素的主效應(yīng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用.

本次試驗(yàn)研究碳纖維摻量及長度、甲基纖維素和硅粉4個(gè)因素對混凝土抗?jié)B性的影響.選取的正交試驗(yàn)表為L16(45)，不考慮各因素的交互作用.

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 碳纖維混凝土的制備

先將水加熱至40 ℃，然后加入甲基纖維素并攪拌使其充分溶解，再加入碳纖維，攪拌并使其均勻分散，之后加入粗骨料和減水劑溶液，最后加入沙子和水泥的混合物，強(qiáng)制攪拌2 min出料，得到均質(zhì)分散的碳纖維混凝土.

1.5.2 試件的澆筑

根據(jù)SD105-82《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，采用一次加壓法進(jìn)行相對抗?jié)B性試驗(yàn).抗?jié)B試驗(yàn)采用上口直徑為175 mm，下口直徑為185 mm，高150 mm的圓臺形試件，如圖1所示.

圖1 混凝土抗?jié)B試件示意圖

1.5.3 加載方法

試件養(yǎng)護(hù)28天后，在試驗(yàn)前一天取出，將表面晾干，然后在其側(cè)面涂一層融化的石蠟，隨即在螺旋加壓裝置上，將試件壓入經(jīng)烘箱預(yù)熱過的試件套中，稍冷卻后即可解除壓力，連同試件套在抗?jié)B儀上進(jìn)行試驗(yàn).將抗?jié)B儀水壓力一次加到0.8 MPa，恒壓24 h，加壓過程不大于5 min，達(dá)到穩(wěn)定壓力的時(shí)間作為記錄起始時(shí)間(精確到min).如恒壓過程中試件端面未出現(xiàn)滲水情況，將試件放在壓力機(jī)上，沿縱斷面將試件劈裂為兩半，測試平均滲水高度，以此確定混凝土的抗?jié)B性.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在水壓力不變的情況下，采用正交試驗(yàn)法安排試驗(yàn)，對17組試件進(jìn)行了抗?jié)B性能測試，每組取3個(gè)圓臺試件，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 碳纖維混凝土的滲透高度

2.2 結(jié)果分析

采用極差R對影響混凝土抗?jié)B性的各項(xiàng)因素的測試結(jié)果進(jìn)行分析.極差R能體現(xiàn)一組數(shù)據(jù)波動的范圍，極差越大離散程度越大，說明該影響因素的改變對試驗(yàn)指標(biāo)的影響較大，是主要的影響因素.因此，利用滲透高度的試驗(yàn)結(jié)果，以碳纖維摻量、長度、甲基纖維素和硅粉為考核指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4.

表4 滲透高度的極差分析

2.2.1 碳纖維的摻量對混凝土滲透系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，可以看出，每一組試件中，混凝土的抗?jié)B性隨著碳纖維摻量的增加而提高.當(dāng)碳纖維的摻量為0.4%時(shí)，抗?jié)B效果較好，當(dāng)碳纖維的摻量增加至0.5%時(shí)，混凝土滲透高度的極差較接近，抗?jié)B性提高幅度較小.

2.2.2 碳纖維的長度對混凝土滲透性能的影響

由表中的極差可以看出，當(dāng)碳纖維的長度分別為5、10、12和15 mm時(shí)，對混凝土的抗?jié)B性影響程度基本一致，可以忽略碳纖維的長度對混凝土抗?jié)B性的影響.

2.2.3 甲基纖維素對混凝土滲透系數(shù)的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)甲基纖維素的摻量為0.019%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性最好.這是因?yàn)殡S著碳纖維摻量的增加，其分散的均勻性變差，因此，增加甲基纖維素的摻量，將起到均勻分散碳纖維的作用.

2.2.4 硅粉對混凝土滲透系數(shù)的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著硅粉摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性隨之提高，硅粉對混凝土的抗?jié)B性影響較大.

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出：碳纖維的長度對混凝土的抗?jié)B性影響可忽略，碳纖維和硅粉的摻量對抗?jié)B性影響較大，需重新安排試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

2.3 試驗(yàn)改進(jìn)

為了進(jìn)一步的得出準(zhǔn)確的結(jié)論，根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，取三因素三水平，碳纖維的摻量取0.5%、0.6%和0.7%，甲基纖維素的摻量取0.019%、0.022%和0.025%，硅粉的摻量取0.12%、0.15%和0.18%，采用L9(34)的正交表重新安排試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5 碳纖維混凝土配合比的改進(jìn)試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析表

根據(jù)表5的極差分析結(jié)果，可看出碳纖維的摻量對混凝土的抗?jié)B性影響較大，當(dāng)碳纖維摻量為0.5%時(shí)，抗?jié)B效果最好，隨著摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性反而降低，這可能是因?yàn)殡S著摻量的加大，碳纖維的分布不均勻?qū)е驴節(jié)B效果變差，這也說明隨著碳纖維摻量的增加，甲基纖維素對碳纖維的分散能力減弱.同時(shí)可看出，當(dāng)硅粉的摻量達(dá)到0.15%以后，對混凝土的抗?jié)B性影響變化不大.根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，碳纖維、甲基纖維素及硅粉的最佳摻量分別為0.5%、0.019%和0.18%.按照該配合比重新進(jìn)行試驗(yàn)，測得混凝土的滲透高度為2.7 cm.比標(biāo)準(zhǔn)混凝土的滲透高度減少3 cm，降幅達(dá)52.6%.

3 結(jié)論

本研究基于正交試驗(yàn)方法，對碳纖維混凝土進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，分析了碳纖維摻量、甲基纖維素和硅粉等因素對混凝土抗?jié)B性能的影響，得出各個(gè)因素對抗?jié)B性的影響順序，對于碳纖維混凝土的抗?jié)B性的影響指標(biāo)，其影響順序?yàn)椋禾祭w維摻量>硅粉>甲基纖維素>碳纖維長度.根據(jù)第一次試驗(yàn)的正交試驗(yàn)結(jié)果，重新設(shè)計(jì)配合比，碳纖維的摻量取0.5%、0.6%和0.7%，甲基纖維素的摻量取0.019%、0.022%和0.025%，硅粉的摻量取0.12%、0.15%和0.18%.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)碳纖維、甲基纖維素和硅粉的摻量分別為：0.5%、0.019%和0.18%時(shí)，混凝土的滲透高度最小，僅為2.7 cm，比標(biāo)準(zhǔn)混凝土的滲透高度減少3 cm，降幅達(dá)52.6%.

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