孫杰，馬穩(wěn)，吳爽，馮川，孫明星，彭勝，許奎

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

近些年來，研究人員常常把注意力集中于提高混凝土強度以及延長混凝土結(jié)構(gòu)使用年限方面[1-4]。對普通混凝土抗?jié)B性也展開了大量的研究工作，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目橡膠粉進行4 種摻量的配比設(shè)計，開展橡膠混凝土的抗?jié)B試驗研究，并指出橡膠粉摻入混凝土對內(nèi)部孔隙有填充作用，橡膠混凝土毛細孔隙率相對越低，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]通過實驗發(fā)現(xiàn)，在腐蝕性環(huán)境中細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)，橡膠顆粒對混凝土耐久性改性效果顯著。閆長旺等[8]研究了PVA 纖維對混凝土抗鹽侵蝕性能的影響，結(jié)果表明，在混凝土中摻入長度為12 mm、體積摻量為1.2 kg/m3的聚乙烯醇纖維時，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混凝土，尤其對高水膠比混凝土抗?jié)B增強效果更為明顯。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，各項性能表現(xiàn)最佳時PVA 纖維長度為8 mm、摻量為1.4 kg/m3。由此可見，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)。

本文通過正交試驗研究了水灰比、橡膠粉體積取代率、PVA 纖維體積摻量、溫度4 種因素對試件的滲透高度及相對滲透系數(shù)的影響，在試驗水平范圍內(nèi)，得出各個影響因素對不同指標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

1.1 試驗材料

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；細骨料：普通河砂，級配良好，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 進行改性處理；聚乙烯醇（PVA）纖維：高強高模聚乙烯醇，長度12 mm，市購。

1.2 正交試驗設(shè)計

設(shè)計4 因素、4 水平L16（44）正交試驗，因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平

1.3 試驗方法

本次試驗?zāi)Ｐ椭?，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。制備16 組標準尺寸為175 mm×185 mm×150 mm 的抗?jié)B試塊，每組6 塊，在標準養(yǎng)護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端處套上橡膠密封圈，加強密封效果，并將試件放入試模上進行抗?jié)B試驗。采用滲透高度法，開通6 個試位下的閥門，試驗設(shè)定水壓1.2 MPa。試驗結(jié)束后，取出試件，在承壓板上放置劈裂試驗所用到的弧形墊塊，在墊塊中心的頂部放置1 根鋼筋，打開壓力機使其沿縱斷面劈裂開，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 個試件均值為該組最終滲透高度h，且計算相對滲透系數(shù)K 作為評定指標。

1.4 配合比設(shè)計

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

表2 正交試驗設(shè)計及滲透高度、相對滲透系數(shù)測試結(jié)果

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 極差分析

根據(jù)正交試驗結(jié)果，對滲透高度和相對滲透系數(shù)進行極差分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 滲透高度相對滲透系數(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，由此可以判斷出對強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。在不同因素對滲透高度影響波動幅度中，水灰比、改性橡膠粉取代率、PVA 纖維摻量和溫度的波動幅度分別為37.5%、112.3%、22.7%、10.4%，改性橡膠粉取代率波動幅度比較顯著。

（2）當水灰比從0.34 增加到0.49 時，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，滲透高度增加較小，分別為9.2%、2.5%。表明在試驗水平范圍內(nèi)水灰比越大，混凝土內(nèi)部相互聯(lián)通的、無規(guī)則的毛細孔越多，水泥石的孔隙率增加，透水性強，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。但橡膠粉摻量從12%增加到16%時，滲透高度僅增大了16.6 mm，改性橡膠集料摻量過多時，會稍微改變其填充效果，增大混凝土的含氣量。說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，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)生和開展，阻斷內(nèi)部毛細孔，減少內(nèi)外部連通孔的產(chǎn)生，填充彌補了一定的缺陷，增強了混凝土內(nèi)部的約束力，聚乙烯醇纖維對混凝土抗?jié)B性能有一定的提升。

（5）在試驗溫度20～260 ℃，溫度越高試件滲透高度越高。推測溫度越高導致混凝土內(nèi)外溫差越大，溫度應(yīng)力也隨之增大，當溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度和變形能力時，混凝土開始產(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，使水更容易通過和滲透。

比較各因素各水平下的平均相對滲透系數(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 對相對滲透系數(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條件改變引起的試驗指標變化與試驗誤差引起的指標變化區(qū)分開來，無法估計試驗誤差大小，沒有具體的評定標準，為彌補這一缺陷進行方差分析，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），則表明該因素對試驗指標影響顯著，在置信度為99%、95%、90%（即α=0.01、0.05、0.1）時對應(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 個影響因素中改性橡膠粉摻量是主要因素，其對混凝土抗?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，本次試驗通過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 個因素對相對滲透系數(shù)Kr的定量關(guān)系式，且考慮4 個因素之間的相互作用，回歸模型可以假設(shè)為：

式中：Kr——相對滲透系數(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)試驗數(shù)據(jù)代入回歸模型式（1）中，通過SPSS進行回歸分析可得式（2）：

由SPSS 計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）通過對試件滲透高度的極差分析對比可知，在試驗水平范圍內(nèi)對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）對比各水平k 值得知，在試驗水平范圍內(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）對試件相對滲透系數(shù)的方差分析對比F 值與極差分析結(jié)論一致，通過量化分析得知，改性橡膠粉摻量對試件抗?jié)B性影響顯著水平F0.05＞F＞F0.1，影響水平一般，水灰比、PVA 纖維摻量及溫度對試件抗?jié)B性影響在試驗水平范圍內(nèi)可忽略不計。

（4）通過SPSS 進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)驗公式，且擬合度比較好，擬合程度可以達到90.4%。