王連廣，王迎港，李 雪，陳 曦

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

纖維混凝土能夠克服傳統(tǒng)混凝土抗拉強度低、延性差、易開裂等缺點。在眾多纖維中，聚丙烯纖維(PPF)具有延性好、成本低、化學性質穩(wěn)定等優(yōu)點[1]。PPF的長度、長徑比和摻量等均存在合適范圍，超出合適范圍后會造成強度損失[2-3]。PPF的摻入提高了混凝土構件的能量吸收能力，使構件擁有更好的動力性能[4]。此外，聚丙烯纖維混凝土耐腐蝕性強，可降低離子滲透程度，腐蝕環(huán)境下強度劣化緩慢，并且可以減少凍融循環(huán)等非荷載因素對結構的影響，從而提高其耐久性[5-7]。由于PPF可制成多種復合材料[8]，且能與其他纖維協(xié)同作用，目前在制備再生混凝土[9-10]、輕質混凝土[11-12]以及混雜纖維混凝土[13]等方面也有良好的應用。

目前，國內外許多專家、學者們聚丙烯噴射混凝土的骨料級配、纖維長度、養(yǎng)護時間、纖維分散程度和水灰比等[14-15]進行了大量的研究，但對高效外加劑對其性能影響的研究較少。筆者以減水劑、速凝劑和膨脹劑的摻量為變量，通過比較混凝土的坍落度和強度，得到外加劑的合理取值，使混凝土在整個使用周期內具有較高的強度和和易性。通過多項式擬合預測速凝劑和減水劑摻量對聚丙烯噴射混凝土強度的影響規(guī)律。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

聚丙烯纖維為單絲纖維，主要性能如表1所示。水泥為普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為I級粉煤灰,膠凝材料主要成分如表2所示。粗骨料為碎石，粒徑5～12 mm。水為自來水。細骨料采用II區(qū)潔凈中砂，細度模數(shù)2.4。外加劑使用粉末低堿速凝劑、硫鋁酸鈣類(CSA)膨脹劑、減水率為30%的聚羧酸減水劑以及混凝土憎水劑。

表1 聚丙烯纖維主要性能Table 1Main properties of polypropylene fiber

表2 膠凝材料主要成分Table 2Main composition of binder materials %

1.2 試驗配合比設計

每種外加劑共設置4個梯度變量。速凝劑分別為膠凝材料質量的0、2%、4%、6%；減水劑分別為膠凝材料質量的0、0.3%、0.5%、0.7%；膨脹劑分別為膠凝材料質量的0、4%、6%、8%；憎水劑用量為2%?；炷僚浜媳葹椋荷?80 kg，石720 kg，水泥427 kg，水230 kg，粉煤灰72 kg。單摻聚丙烯細纖維摻量超過0.9 kg/m3,不大于1.1 kg/m3時，纖維提供的抗拉強度增長率最大，每立方米混凝土放入1 kg聚丙烯纖維[14]。

1.3 試驗內容

先按配合比稱重，再將膠凝材料和骨料放入攪拌機，進行干拌，倒入外加劑和水，攪拌2 min，最后加入PPF。攪拌直至PPF無聚團現(xiàn)象，均勻散布在拌合物之中，停止攪拌，澆入模具，振搗密實。3 h后拆模養(yǎng)護，做好標識。所有混凝土試件為邊長100 mm的正方體，每次抗壓和抗拉試驗使用3塊，共計270塊。坍落度和強度試驗，分別參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T 50080—2016)》和《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2016)》進行。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

不同減水劑和速凝劑摻量下，聚丙烯噴射混凝土的抗拉強度和抗壓強度試驗結果如表3所示。存在減水劑、速凝劑的環(huán)境下，加入膨脹劑，聚丙烯噴射混凝土的抗拉強度和抗壓強度試驗結果如表4所示。

表3 減水劑和速凝劑對強度的影響Table 3Influence of water reducing agent and accelerating agent on strength

表4 膨脹劑對強度的影響Table 4Influence of expansion agent on strength

2.2 試驗結果分析

2.2.1 速凝劑的影響

對比試件SJ2、SJ3、SJ4和SJ5，保持減水劑摻量不變，速凝劑摻量分別為0、2%、4%和6%的情況下，聚丙烯噴射混凝土坍落度無明顯改變。各組混凝土試件的強度變化如圖1所示。

圖1 速凝劑對聚丙烯噴射混凝土強度的影響Fig.1Influence of accelerator on the strength of polypropylene sprayed concrete

由圖1可以看出，隨著速凝劑摻量的增加，早期強度值明顯上升，這是由于水化產(chǎn)物水化硫鋁酸鈣黏結在一起形成了空間網(wǎng)狀結構，提高了結構的強度；超過一定摻量后，強度出現(xiàn)下降，這是由于混凝土凝結過快，使內部孔隙變多，密實度下降。養(yǎng)護齡期1 d時，SJ2的抗壓強度、抗拉強度分別為4 MPa和0.67 MPa。相比SJ2的抗壓強度和抗拉強度，SJ3的強度分別提高18%、2%，SJ4強度分別提高 79%、78%，SJ5強度分別提高20%、27%。可以看出，速凝劑的摻量為4%時，混凝土的早期強度最高，增加了80%左右。

混凝土的后期強度隨速凝劑摻量的增加逐漸下降。28d時，對比SJ2的抗壓強度、抗拉強度，SJ3的強度分別下降 9%、4%，SJ4強度分別下降 12%、6%，SJ5強度分別下降 27%、8%?？梢娝倌齽┑膿搅繛?%時，混凝土后期強度較高，僅下降10%左右，滿足使用要求。

為了保證施工安全，同時具有較高的早期強度和后期強度，聚丙烯噴射混凝土中速凝劑的最佳摻量為4%。

2.2.2 減水劑的影響

由表3可知，隨著減水劑摻量的增加，坍落度從175 mm增大至225 mm，《噴射混凝土應用技術規(guī)程》(JGJ/T372—2016)要求噴射混凝土坍落度為80～200 mm。在摻入0.7%減水劑時坍落度達到了225 mm,有少量水泌出。其他摻量情況下，混凝土均擁有很好的和易性。對比SJ4、SJ6、SJ7和SJ8，保持速凝劑摻量不變，減水劑摻量分別取0、2%、4%和6%，不同齡期聚丙烯噴射混凝土的強度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 減水劑對聚丙烯噴射混凝土強度的影響Fig.2Influence of water reducer on the strength of polypropylene sprayed concrete

由圖2(a)可以看出，速凝劑摻量不變，減水劑摻量分別為0、0.3%、0.5%、0.7%時，混凝土抗壓強度呈先減小后增大再減小的趨勢。當減水劑摻量較小時，由于達不到改性效果，各齡期混凝土強度明顯降低；合適摻量的聚羧酸減水劑會產(chǎn)生靜電排斥作用和空間位阻效應，防止顆粒聚團，促進了水泥的水化反應，改善了孔隙結構，使微顆?？臻g排列緊湊，提高了混凝土的抗壓強度[15-17]；當摻量過大時，減水劑破壞了內部水泥顆粒和骨料之間的聯(lián)系，使新拌混凝土出現(xiàn)離析，挾裹著砂的水泥漿液流出，致使粗細骨料之間不能協(xié)調作用，導致強度出現(xiàn)一定程度的下降。

由圖2(b)可以看出，抗拉強度也出現(xiàn)先增后減的趨勢。1 d時，與SJ4抗拉強度相比，SJ7和SJ8分別減小了22%、47%;28 d時，SJ7和SJ8分別下降23%、24%。

為保證有較好流動性，且具有較高早期、后期強度，聚丙烯纖維噴射混凝土宜選用0.5%摻量的減水劑。

2.2.3 膨脹劑的影響

通過對比P1(SJ4)、P3、SJ6和P5的強度發(fā)現(xiàn)，在只有減水劑的環(huán)境中，添加膨脹劑，可使混凝土28 d抗拉強度和抗壓強度分別提高12%和4%。在只有速凝劑的環(huán)境中，添加膨脹劑，可使混凝土28 d抗拉強度和抗壓強度均有小幅度提高，約為5%?？梢?，膨脹劑可以與速凝劑、減水劑共同作用。隨著膨脹劑的摻入，噴射混凝土坍落度有所降低，但仍滿足工作要求。因此，減水劑和速凝劑的最優(yōu)用量分別為0.5%和4%。在此條件下，更改膨脹劑用量，檢測觀察試件強度變化，試驗結果如圖3所示。

圖3 膨脹劑對聚丙烯噴射混凝土強度的影響Fig.3Influence of expansive agent on the strength of polypropylene sprayed concrete

由圖3(a)可知，隨著膨脹劑用量的增加，混凝土抗壓強度有明顯變化，呈緩慢上升的趨勢。這是由于膨脹劑的化學成分參與到水化反應當中，生成了鈣礬石晶體。這些晶體在混凝土內部相互關聯(lián)，使結構更加密實。此外，這些晶體附著在纖維表面，增強了纖維附著力，提高了纖維的抗拔出能力，并抵消了部分收縮應力，使微觀結構的空隙減少，從而提高了抗壓強度[18]。以P1的抗壓強度為基準，在7 d時， P2、P3和P4分別增長了4%、7%和12%;在28 d時分別增長了 2%、10%和9%。由圖3(b)可見，對于28 d的抗拉強度，膨脹劑提高的不是很明顯，最多提高不超過0.2 MPa。

過量的膨脹劑不會使抗壓強度繼續(xù)上升，反而呈下降的趨勢。這是因為，隨著膨脹程度的增大，混凝土內部會有微裂縫產(chǎn)生，反而減低了強度[19]。因此，為了擁有較高的前期和后期抗壓抗拉強度，CSA膨脹劑的推薦摻量為6%。

3 噴射混凝土強度的預測模型

3.1 噴射混凝土強度的預測方法

王家濱等[20]利用最小二乘法，以水灰比、纖維摻量和粉煤灰摻量為變量，建立了噴射混凝土強度預測模型，通過擬合的方法確定未知參數(shù)，具有較好的強度預測功能。在此方法基礎上，筆者采用麥夸特法。為了減少局部誤差引起的預測結果失真，迭代過程中結合通用全局優(yōu)化法，對模型進行優(yōu)化處理。在纖維用量、骨料級配以及粉煤灰摻量等其他影響因素不變情況下，改變速凝劑和減水劑摻量，將表3中速凝劑、減水劑摻量和28 d抗壓強度值輸入多元非線性曲線擬合軟件1stOpt進行擬合。在擬合過程中有600多組函數(shù)參與，擬合后根據(jù)各函數(shù)特性和試驗數(shù)據(jù)特性，從中挑選最為合適的曲線。為保證擬合函數(shù)拐點數(shù)目與試驗結果圖像相同，宜選用多項式函數(shù)。當選用高次方擬合時，會出現(xiàn)效果圖尖銳，自變量對結果影響過大，不符合實際情況，可信度低；當選用3次方擬合時，滿足要求。選擇3次方的多項式函數(shù)進行擬合，收斂判斷次數(shù)為15次。

3.2 擬合式參數(shù)含義

由圖1和圖2可以看出，28 d時抗壓強度與抗拉強度變化規(guī)律相似，因此兩者采用相同的擬合方法。

噴射混凝土28d抗壓強度擬合式為

Z=P1+P2·x+P3·x2+P4·x3+P5·y+P6·y2+P7·y3.

(1)

噴射混凝土28 d抗拉強度擬合式為

Z′=P′1+P′2·x+P′3·x2+P′4·x3+P′5·y+

P′6·y2+P′7·y3.

(2)

式中：Z和Z′分別為28 d抗壓強度和抗拉強度標準值,MPa;x和y分別為速凝劑和減水劑摻量,%;Pi和P′i為待求系數(shù)。

將表3中速凝劑、減水劑的摻量和28 d抗壓強度值代入式(1)和式(2)，待求系數(shù)計算結果如表5所示?；炷翉姸阮A測結果如表6所示。

表5 待求系數(shù)計算結果Table 5Calculation results of coefficients

表6 混凝土強度預測結果Table 6Prediction results of the strength of concrete

3.3 擬合結果分析

圖4為擬合函數(shù)的三維圖像，圖中x軸為速凝劑摻量，y軸為減水劑摻量，z軸為28 d抗壓強度。

圖4 抗壓強度擬合結果Fig.4Numerical fitting results of compressive strength

分析擬合函數(shù)Z的待求系數(shù)，P6和P7的數(shù)量級相對于P3和P4較大，這是因為減水劑和速凝劑的摻量相差近10倍，屬于正?，F(xiàn)象。分析Z′的未知數(shù)結果，可以看出P′2、P′3和P′4數(shù)量級遠小于P′5、P′6和P′7，說明速凝劑對于28 d抗拉強度影響較小，且P′3和P′4趨近于0，說明隨著速凝劑摻量的增加，28 d抗拉強度具有單調遞減的趨勢。擬合曲線趨勢與試驗的數(shù)值趨勢相符合。

根據(jù)函數(shù)Z的所有試驗值與預測值作差的平方和，求出均方根誤差RMSE=0.38，決定系數(shù)DC=0.978。同理可以求出，函數(shù)Z′的RMSE=0.26,DC=0.995。函數(shù)Z和Z′擬合曲線的決定系數(shù)均高于0.975，各點誤差較小，擬合結果與實際數(shù)據(jù)較吻合，可以較好地預測聚丙烯噴射混凝土的力學性能，具有較強的指導意義。

根據(jù)28 d抗壓強度的預測函數(shù)Z，求出Z最大時，x值為3.51，y值為0.55，即預測出速凝劑最優(yōu)用量為3.51%，試驗獲得最優(yōu)用量為4%，相差0.49%；預測減水劑的最優(yōu)用量為0.55%，試驗獲得最優(yōu)用量為0.5%，相差0.05%。根據(jù)28 d抗拉強度擬合曲線Z′的表達式，可知不添加速凝劑和減水劑的情況下，抗拉強度最高。在使用減少劑的情況下，求出Z′最大時，y值為0.54，即預測減水劑的最優(yōu)用量為0.54%，試驗獲得最優(yōu)用量為0.5%，相差0.04%。速凝劑和減水劑的預測最優(yōu)摻量與實測最優(yōu)摻量非常接近，實測最優(yōu)摻量的可靠性較高。

4 工程應用

在遼寧省本溪市高速公路某隧道邊墻處，由于二襯砌背后有水侵入，且防排水措施失效，出現(xiàn)施工縫漏水和路面結冰。在夏季，進行開槽處理，重新修建防排水措施后，采用聚丙烯噴射混凝土進行修復，配合比參照本試驗，摻入了0.5%聚羧酸減水劑、4%速凝劑和6%的CSA膨脹劑。施工過程中，噴射聚丙烯混凝土工作性良好，噴層與初期支護混凝土密貼。后期檢測混凝土28 d抗壓強度可達到28.3 MPa以上，無脫落滲水現(xiàn)象，符合工程修復要求。

5 結 論

(1)隨著速凝劑摻量的增加，混凝土的早期強度呈先增長后降低的趨勢，而后期強度緩慢下降。低堿粉末狀速凝劑的適宜摻量為4%，可提高混凝土早期強度80%左右，后期強度可達到空白樣的87.5%以上。

(2)隨著減水劑摻量的增加，混凝土的早期強度和后期強度均呈先下降后增加再下降的趨勢。聚羧酸減水劑的適宜摻量為0.5%，相比0.3%和0.7%的摻量可以提高9%的抗壓強度和29%的抗拉強度，且具有良好的和易性。

(3)隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土抗壓強度呈緩慢上升的趨勢，而抗拉強度提升不明顯。膨脹劑適宜摻量為6%時，可提高混凝土后期抗壓強度約2.8 MPa。

(4)在纖維用量、骨料級配以及粉煤灰摻量等其他影響因素不變情況下，僅對速凝劑和減水劑摻量進行改變，混凝土28 d強度可采用多項式曲線預測，且合適次數(shù)為三次。該函數(shù)可以較好地預測聚丙烯噴射混凝土的力學性能，并對速凝劑和減水劑的摻量有指導意義。