摻聚乙烯醇纖維混凝土凝縮值的測定及數(shù)學模型的建立

摘要  本文研究了聚乙烯醇纖維對混凝土凝縮性能的影響。試驗結(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，在試驗的基礎上，建立了凝縮的數(shù)學模型。

關鍵詞  混凝土  凝縮  數(shù)學模型  聚乙烯醇纖維  聚丙烯纖維 

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，比如較高的強度和剛度，良好的穩(wěn)定性和耐久性，簡單的養(yǎng)護和較低的建筑成本等，使其成為公路、機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，可采用復合化的方法，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：“復合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強是其核心”。

　　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，其抗拉強度可與鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、超高分子聚乙烯纖維和對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)良的化學穩(wěn)定性[4]。并且將PVA纖維應用于水泥基增強材料，是基于以下幾個原因[5]：抗拉強度和彈性模量高；與波特蘭水泥具有良好的化學相容性；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PVA纖維在混凝土材料中的應用研究尚處于起步階段。PVA纖維具有高強、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，在混凝土中摻入PVA纖維可增強混凝土材料的抗裂性能、韌性等，具有良好的工程應用前景。目前，國內(nèi)外關于PVA纖維的種類和規(guī)格對混凝土性能的影響已取得一定的研究成果，但關于PVA纖維對混凝土的凝縮影響研究較少，對其進行深入地研究與探討是非常有必要的[8-10]。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

　　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，其化學組成見表1；粉煤灰采用鎮(zhèn)江生產(chǎn)的I級粉煤灰，其物理化學性能見表2。砂采用贛江中河砂，細度模數(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)的潤強絲-Q1型高強、高彈模PVA抗裂纖維和潤強絲I型抗裂纖維，性能指標見表3。

1.2 試驗設備

　　凝縮試件采用內(nèi)襯3mm聚四氟乙烯管材，底座可拆卸的中空圓柱形鋼管，內(nèi)徑Φ98mm，凈高度500mm。模具置于大理石臺面上[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），其主要技術參數(shù)為：測量范圍為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試如圖1所示。

1.3 試驗方法和配合比

　　成型之前在模具內(nèi)預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開始測試初始值。試驗原材料配合比見表4。

　　因為在混凝土上面放置了一個為渦流式傳感器設置的金屬片和浮起金屬片的塑料薄片，混凝土試件的實際高度為498mm，凝縮值的計算按照下式進行：

2結(jié)果分析與討論

　　不同摻量的PVA纖維對早期高強混凝土初凝前的凝縮值影響如圖2所示。

 
　　摻加PVA纖維后，高強混凝土在初凝前的早期凝縮值顯著降低。在360min時，PVA纖維摻量為0.9㎏/m3時的凝縮值比基準混凝土降低12.6%；纖維摻量增加，凝縮值下降，但不明顯。摻量為12.8㎏/m3時比基準混凝土降低19.4%，即當PVA纖維摻量增加了13.2倍時，凝縮值的減少量增加了7%左右。當纖維摻量大于0.9㎏/m3時，PVA纖維對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高彈模PVA纖維進行比較分析，結(jié)果如圖3所示。

　　PP纖維可以使360min時凝縮值相對于基準降低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系，由于PVA纖維含有親水性基團（-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)學模型的建立

　　從試驗結(jié)果來看，混凝土齡期與凝縮值的關系是非線性的，但可以發(fā)現(xiàn)無論是基準混凝土還是高強高彈模PVA增強混凝土的凝縮值都是漸進于某個特定值，可使用指數(shù)方程對數(shù)據(jù)進行公式回歸，首先對模型進行粗選，經(jīng)過比較與分析選擇曲線形狀較符合的四個模型，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，以基準混凝土凝縮的數(shù)據(jù)為例，發(fā)現(xiàn)數(shù)學模型(a)的回歸公式對樣本數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度最高，見表5所示。另外發(fā)現(xiàn)最后一個模型雖然形式接近，但是實際操作中無法計算出模型參數(shù)。因此選用Asymptotic1模型來回歸數(shù)據(jù)的樣本，結(jié)果如表6。

　　Table5 The 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了樣本的發(fā)展趨勢，樣本點與回歸曲線幾乎無偏差。比較表6中的a、b、c三個系數(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，故本文認為b為與纖維有關的參數(shù)；c值差別不大，故認為是與纖維無關，與混凝土本身有關的常數(shù)

　　針對高強高彈模PVA增強高性能混凝土的凝縮機理進行深入的研究與探討，并結(jié)合試驗進行論證，主要得出如下結(jié)論：

（1）高強高彈模的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纖維摻量對凝縮的改善并不明顯。PVA纖維對凝縮值的改善與其親水性有密切關系，PVA纖維中的親水性基團（—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）在試驗的基礎上，建立了凝縮的數(shù)學模型。