摘要 本文研究了聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土凝縮性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚乙烯醇纖維能夠明顯的減少混凝土的凝縮，提高其力學(xué)性能。與素混凝土相比，摻有0.9kg/m3 和 12.8kg/m3聚乙烯醇纖維混凝土的凝縮值在6小時(shí)內(nèi)分別降低12.6%和19.4%，而摻有0.9kg/m3聚丙烯纖維混凝土的凝縮值僅減少6.5%。最后，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了凝縮的數(shù)學(xué)模型。
關(guān)鍵詞 混凝土 凝縮 數(shù)學(xué)模型 聚乙烯醇纖維 聚丙烯纖維
The measurement and mathematical model of settlement shrinkage value of concrete with polyvinyl alcohol fiber
Abstract This paper presents the effect of the appropriate polyvinyl alcohol fibers on the settlement shrinkage performance of concrete. The experimental results show that the fibers can obviously reduce settlement shrinkage and improve the mechanical performance of concrete. When the polyvinyl alcohol fiber is introduced, the settlement shrinkage value of concrete reduces obviously. When the time is 6h, comparing with plain concrete, the settlement shrinkage values of concrete with 0.9kg/m3 and 12.8kg/m3 polyvinyl alcohol fiber decrease 12.6% and 19.4% respectively and the settlement shrinkage value of concrete with 0.9kg/m3
polypropylene fiber decreases 6.5%. Finally, on the basis of testing, the mathematical model is established.
Key words concrete, settlement shrinkage, mathematical model, polyvinyl alcohol fiber, polypropylene fiber
近幾年來，由于水泥混凝土所具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，比如較高的強(qiáng)度和剛度，良好的穩(wěn)定性和耐久性，簡單的養(yǎng)護(hù)和較低的建筑成本等，使其成為公路、機(jī)場跑道等主要的路面類型。但是，其固有的缺陷比如收縮變形、較高的脆性等也影響了它的應(yīng)用，目前，控制混凝土的收縮變形已成為混凝土路面工程的一大難題。
為了克服上述缺點(diǎn)，可采用復(fù)合化的方法，其中最有效和簡單易行的辦法是摻加纖維。我國著名混凝土專家、中國工程院資深院士吳中偉教授生前曾多次指出：“復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強(qiáng)是其核心”。
在建筑中使用的纖維包括：玻璃纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維和碳纖維等。其中高強(qiáng)高彈模聚乙烯醇纖維（PVA纖維）具有許多優(yōu)良的性能，比如：它的彈性模量僅次于鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維和超高分子聚乙烯纖維，其抗拉強(qiáng)度可與鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、超高分子聚乙烯纖維和對(duì)位芳香聚酰胺纖維媲美，另外，其耐光性和耐堿性也好，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。并且將PVA纖維應(yīng)用于水泥基增強(qiáng)材料，是基于以下幾個(gè)原因[5]：抗拉強(qiáng)度和彈性模量高；與波特蘭水泥具有良好的化學(xué)相容性；親水性好，使PVA纖維能均一地分散在水泥基質(zhì)中；高強(qiáng)度PVA纖維與水泥基質(zhì)間具有良好的界面粘合力等。
國內(nèi)對(duì)PVA纖維在混凝土材料中的應(yīng)用研究尚處于起步階段。PVA纖維具有高強(qiáng)、高彈模、親水性好（增加粘結(jié)力）、耐酸堿、使用安全等一系列優(yōu)點(diǎn)，在混凝土中摻入PVA纖維可增強(qiáng)混凝土材料的抗裂性能、韌性等，具有良好的工程應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外關(guān)于
PVA纖維的種類和規(guī)格對(duì)混凝土性能的影響已取得一定的研究成果，但關(guān)于PVA纖維對(duì)混凝土的凝縮影響研究較少，對(duì)其進(jìn)行深入地研究與探討是非常有必要的。
1 試驗(yàn)原材料與方法
1.1 試驗(yàn)原材料
水泥采用華新南通水泥有限公司生產(chǎn)的華新42.5 MPa普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成見表1；粉煤灰采用鎮(zhèn)江生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，其物理化學(xué)性能見表2。砂采用贛江中河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；石子采用茅迪產(chǎn)玄武巖碎石，粒徑5~20mm。
減水劑選用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的以羧酸類接枝聚合物為主體的復(fù)合添加劑JM-PCA（I）型超塑化劑。聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的潤強(qiáng)絲-Q1型高強(qiáng)、高彈模PVA抗裂纖維和潤強(qiáng)絲I型抗裂纖維，性能指標(biāo)見表3。 
1.2 試驗(yàn)設(shè)備
凝縮試件采用內(nèi)襯3mm聚四氟乙烯管材，底座可拆卸的中空?qǐng)A柱形鋼管，內(nèi)徑Φ98mm，凈高度500mm。模具置于大理石臺(tái)面上[11] 。采用了非接觸式的渦流傳感器（德國米依公司的multiNCDT 300精密型傳感器），其主要技術(shù)參數(shù)為：測(cè)量范圍為1mm，線性度為0.2%，分辨率0.01%，傳感器溫度范圍：-50度至+150度，溫度穩(wěn)定性0.02%/度。凝縮的試件模具及測(cè)試如圖1所示。
1.3 試驗(yàn)方法和配合比
成型之前在模具內(nèi)預(yù)放雙層聚氯乙烯塑料薄膜，底座與鋼管之間涂上密封黃油，混凝土拌合好后即可裝模，成型后需要將鋼管頂面用鋁箔密封防止水分蒸發(fā)，加水拌合后0.5h開始測(cè)試初始值。試驗(yàn)原材料配合比見表4。 
不同摻量的PVA纖維對(duì)早期高強(qiáng)混凝土初凝前的凝縮值影響如圖2所示。 
摻加PVA纖維后，高強(qiáng)混凝土在初凝前的早期凝縮值顯著降低。在360min時(shí)，PVA纖維摻量為0.9㎏/m3時(shí)的凝縮值比基準(zhǔn)混凝土降低12.6%；纖維摻量增加，凝縮值下降，但不明顯。摻量為12.8㎏/m3時(shí)比基準(zhǔn)混凝土降低19.4%，即當(dāng)PVA纖維摻量增加了13.2倍時(shí)，凝縮值的減少量增加了7%左右。當(dāng)纖維摻量大于0.9㎏/m3時(shí)，PVA纖維對(duì)于改善凝縮的效果不再明顯增加。
選擇聚丙烯單絲纖維和高強(qiáng)高彈模PVA纖維進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖3所示。PP纖維可以使360min時(shí)凝縮值相對(duì)于基準(zhǔn)降低6.5%，摻PVA纖維可使凝縮值降低12.6%，為PP纖維的兩倍。PVA纖維在減少凝縮方面效果明顯，約為PP纖維的兩倍。這與PVA纖維的親水性有密切關(guān)系，由于PVA纖維含有親水性基團(tuán)（-OH），與水泥基體之間的粘結(jié)性能良好，PVA纖維與水泥基體之間的牽扯作用有效抑制了集料的下沉和漿體的上升；纖維對(duì)水泥基體還存在增稠作用有效抑制了混凝土中的骨料下沉。
3 摻PVA纖維混凝土凝縮數(shù)學(xué)模型的建立
從試驗(yàn)結(jié)果來看，混凝土齡期與凝縮值的關(guān)系是非線性的，但可以發(fā)現(xiàn)無論是基準(zhǔn)混凝土還是高強(qiáng)高彈模PVA增強(qiáng)混凝土的凝縮值都是漸進(jìn)于某個(gè)特定值，可使用指數(shù)方程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行公式回歸，首先對(duì)模型進(jìn)行粗選，經(jīng)過比較與分析選擇曲線形狀較符合的四個(gè)模型，選擇的候選模型如下：
(a) Asymptotic1模型：；(b) Boxlucas1模型： ；
(c) Boxlucas1Mod模型： ；
0≤R2≤1，如果R2的值越接近于1，則表明模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度越高。經(jīng)過比較和分析，以基準(zhǔn)混凝土凝縮的數(shù)據(jù)為例，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型(a)的回歸公式對(duì)樣本數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度最高，見表5所示。另外發(fā)現(xiàn)最后一個(gè)模型雖然形式接近，但是實(shí)際操作中無法計(jì)算出模型參數(shù)。因此選用Asymptotic1模型來回歸數(shù)據(jù)的樣本，結(jié)果如表6。 
發(fā)現(xiàn)R2均大于0.997，說明用此模型來回歸數(shù)據(jù)可行，擬合優(yōu)度高，并且從圖4~圖7可見，回歸曲線較好地反應(yīng)了樣本的發(fā)展趨勢(shì)，樣本點(diǎn)與回歸曲線幾乎無偏差。比較表6中的a、b、c三個(gè)系數(shù)，a值為混凝土最終的凝縮值，是模型曲線無限逼近的上限；發(fā)現(xiàn)PVA纖維樣本的b值接近，故本文認(rèn)為b為與纖維有關(guān)的參數(shù)；c值差別不大，故認(rèn)為是與纖維無關(guān)，與混凝土本身有關(guān)的常數(shù)。
最后，將凝縮的數(shù)學(xué)模型公式重新整理如下： 
4 結(jié)論
針對(duì)高強(qiáng)高彈模PVA增強(qiáng)高性能混凝土的凝縮機(jī)理進(jìn)行深入的研究與探討，并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行論證，主要得出如下結(jié)論：
（1）高強(qiáng)高彈模的PVA纖維可以使得凝縮值顯著減小，纖維摻量增加到0.9kg/m3后再提高PVA纖維摻量對(duì)凝縮的改善并不明顯。PVA纖維對(duì)凝縮值的改善與其親水性有密切關(guān)系，PVA纖維中的親水性基團(tuán)（—OH）與水泥基體之間的粘結(jié)性能良好，PVA纖維與水泥基體之間的牽扯作用有效抑制了集料的下沉和漿體的上升，纖維對(duì)水泥基體的增稠作用有效地抑制了混凝土中的骨料下沉。
（2）在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了凝縮的數(shù)學(xué)模型 。
