綠色高性能纖維增強水泥基復合材料正交試驗設計及工作性能研究

黃 波 管 濤

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464000）

1 纖維增強環氧樹脂膠混凝土復合材料簡介

纖維增強環氧樹脂膠混凝土復合材料（Engine ered Cememitious Composite，ECC）通常為粒徑不超過5mm的細瀝青混凝土，用于超耐磨聚乙烯醇纖維（Polyvinyl A1cohol Fiber，又稱PVA纖維）、高壓聚乙烯纖維（Polyetylene Fiber，又稱PE纖維）等。并在日本、歐洲迅速開發、設計和應用。ECC控制變形明顯、塑性好、機械動能消化吸收能力強。實際上，拉深的內應力是混凝土的數百倍，是建筑鋼的幾十倍。ECC具有獨特的間隙分散能力，將傳統環氧樹脂混凝土復合材料的脆性破壞模式轉變為延性破壞模式。 ECC在建筑專業領域有很好的應用前景。由于ECC沒有粗集料，混凝土用量急劇增加，導致成本增加。同時，混凝土釋放出大量二氧化碳，污染空氣。作為我國特有的發電方式，火力發電會產生大量的固體粉煤灰。合理利用粉煤灰作為建筑裝飾材料，可實現生態保護與資本的雙向效益。研究結果表明，粉煤灰可有效地替代ECC。但是，如果粉煤灰的用量過大，在使用過程中可能會對復合材料性能（流動性、水溶性、偶聯反應性）造成明顯的破壞，那么，可以通過添加減水劑來改善。

為了合理提高ECC結構的理論力學性能及生態保護的實用價值，新型建材綠色高強化纖對水泥復合材料（GHPFRCC）的基礎分析進行了改進。GHPFRCC原料的性能受砂灰比、PVA化纖用量、產品中減水劑用量等因素影響。根據試驗結果，進行了GHPFRCC混凝土配合比的方案設計。包括設計方案、制備工藝、流動性、水溶性等。

2 配合比設計

2.1 原材料參數

GHPFRCC的原料包括聚乙烯醇纖維、水、減水劑、混凝土、石英砂和粉煤灰。原料的技術參數如下：PVA幾何參數（包括纖維長度、直徑等）、纖維分布（包括分布區間和分布趨勢等）、纖維組成、纖維與混合砂漿性能（黏結抗拉強度、纖維結構）、纖維彌散、纖維與混凝土是否相容等因素決定了纖維灰替代混凝土是改善ECC配合比設計的重點，并充分考慮了水灰對混凝土特性的危害性，提高了預期效果。

2.2 試驗設備

GHPFRCC配合比檢測常用的工業設備有物理天平（檢測范圍：15kg，精度：0.5g）、電子分析天平（檢測范圍：5kg，精度：0.1g）、混凝土水泥砂漿流動性測試儀（又稱潛水)、單軸強制攪拌機、供水壓力罐（3 000ml）、不銹鋼盤、一次性紙杯、托盤等。

2.3 試驗方法

田口正交法由日本的田口玄一博士首創，成本較低、質量好、經濟效益高。根據試驗規范和試驗中的因素和水平方案設計正交試驗表，制定試驗方案，然后進行測試，以相對較小的測試頻率獲得較好的測試結果。

在低成本下提高生產率，縮短產品開發周期，穩健性好，節省人力和物力。采用田口方案設計，對混合比例為1的GHPFRCC進行5元素無交互正交試驗設計，分析和預測試驗結果。根據田口方案設計（見表1）的具體實施過程，選取的元素和層次如下：

（1）混凝土水灰比：0.25、0.27、0.33、0.37。

（2）粉煤灰摻量：60%、65%、70%、75%。

（3）砂膠比：0.36、0.46、0.56、 0.66。

（4）PVA纖維的體積摻量：1.5%、1.7%、2%、2.2%。

（5）減水劑摻量：0.1%、0.15%、0.2%、0.25%。

按照正交表進行GHPFRCC制作試驗，步驟如下：

（1）準確稱量。

（2）將細石英砂、混凝土和粉煤灰倒入攪拌機，攪拌2min，使原材料充分混合。

（3）當減水劑產品滲入水中時，將其倒入混合物中，攪拌2～5min。

（4）手動緩慢加入PVA化學纖維，攪拌5～10min，當化纖漿料不參與結塊或結塊時終止，從而保證化纖充分均勻分散。

（5）準確測量流動性。

3 流動性及保水性能

常用的水泥砂漿工作性包括水泥密度試驗和潛水試驗。在中、低流動性水泥砂漿的工作性一般是用潛水結果來評價的，而延性、中流動性水泥砂漿的工作性是通過水泥密度和水泥等級來評價水泥的性能。根據《混凝土水泥砂漿流動性的測定》（GB/T 2419-2005），對GHPFRCC的流動性進行了潛水試驗。

3.1 流動性分析

使用Minitab移動應用程序分析流動性的影響因素和規律。表2為GHPFRCC活動性測試結果：損傷等級1﹥2﹥3﹥4﹥5。

表2 GHPFRCC流動性測試結果

從表2可以看出，GHPFRCC的最小流動性值為186。為了使測試結果更有效地應用于項目，必須確定其適合的流動度。為了減少攪拌過程中的摩擦，改善水泥砂漿中合成纖維的平衡性，保證混凝土的良好流動性，可將其用于水泥砂漿中。另外，合理使用混凝土減水劑以減少水分（吸附分散、保濕、補水等），改善GHPFRCC的工作特性。

3.2 保水性分析

GHPFRCC的保水性試驗結果見表3。

表3 GHPFRCC保水性測試結果

從表1和表3可以看出，GHPFRCC的保水性隨水灰比的變化而變化。當水灰比為0.24時，GHPFRCC在4種減水劑混合時的保水性較好。但當水灰比擴大到0.36時，其他3組的保水性較差。除第15組（若為0.1%）減水劑較少外，其余3組均能較好地保水。當水灰比為0.28和0.32時，減水劑用量為0.1%～0.15%時，保水性較好。直接原因是分散于GHPFRCC中的許多PVA合成纖維相互重疊，對石材產生“對比”作用，降低了原料表面的泌水率和瀝青混凝土的假凝。另外，PVA化纖的加入增加了復合材料的黏度，混合器內混合的摩擦阻力增大，粒度分析受到影響。

4 試驗與模擬結果分析

根據梁柱節點偽地基樁試驗，分別模擬了GHPFRCC梁柱節點和C30混凝土梁柱節點的偽地基樁試驗，得到了模擬值和試驗值。其中，GHPFRCC梁柱節點和C30混凝土梁柱節點的后向曲線如圖1所示。從圖1可以看出，GHPFRCC梁柱節點與C30混凝土梁柱節點后向曲線圖的連接點在檢測初期表現為光滑“模糊”，但渦流損耗占用面積小，渦流損耗的能耗也降低了。當試樣破損、傾斜時，由于建筑鋼材與混凝土的黏結作用以及區域中心混凝土的剪切變形，鐵磁材料逐漸呈現“倒S形”。但與GHPFRCC梁柱節點相比，C30混凝土梁柱節點后向夾點偏差較大，夾點水平較小；在達到最大荷載后，C30混凝土梁柱節點的承載力迅速下降，而GHPFRCC梁柱節點的節點加寬特性優良；GHPFRCC梁柱節點的較大載荷高于C30混凝土梁柱節點，GHPFRCC梁柱節點的鐵磁材料更光滑，能耗更強。后向夾點主要是由于建筑鋼與混凝土的黏結作用和區域中心的剪切變形造成的。GHPFRCC具有較高的耐磨性，與建筑鋼材的變形相容。在重復載荷作用下，區域中心的剪裁形狀更小，鐵磁材料更光滑。結果表明，GHPFRCC可有效提高連接點區的能耗和抗拉強度承載力，在連接點區域采用GHPFRCC混凝土可提高連接點區域建筑物的抗震等級。

圖1 梁柱節點滯回曲線對比

5 結語

通過GHPFRCC砂漿配合比設計方案，測定了16組GHPFRCC的流動性和保水性，對影響因素及規律進行了科學研究。

（1）在獲得砂漿配合比的同時，采用正交試驗設計方法可大大降低試驗頻率，節省人力、物力。

（2）本實驗室設計的GHPFRCC的制備和加工工藝的工作特性相對穩定，可用于相關試驗。

（3）水灰比對GHPFRCC的流動性危害較大。水灰比越大，流動性越小。

（4）水灰比和減水劑用量對GHPFRCC的保水性不利。有效地設定水灰比和減水劑的添加量，對提高GHPFRCC的保水性能有重要作用。