聚丙烯纤维与胶粉复掺对混凝土收缩性能的影响.pdf

2 0 1 5年第 1 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NC RE T E AND C E ME NT P R ODUCT S 2 01 5 No 1 0 0c t o b e r 聚丙烯纤维与胶粉复掺对混凝土收缩性能的影响 郑小军 ， 杨建森 ， 伏利鹏 ( 宁 夏大 学土 木与 水利 学 院 ， 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘 要 ： 针对我 国内陆寒冷盐碱 地区的环境特 性， 制备 了面向该环境混凝土路面工程应 用的聚丙烯纤维复合胶 粉改性混凝土 ， 采用正 交试验研 究 了该混凝土材料 的收缩性 能 ， 建 立 了收缩模 型 ， 并运 用游程检验法检验 了其 显著 性。结果表 明， 聚 丙烯 纤维复合胶粉 改性混凝土 的收 缩率 与测试龄期 t 符合指 数 函数 关 系， 且在 显著性水 平 = 0 O 1下其 相关性 显著； 聚 丙烯纤维乖肢粉掺 量对混凝土的收缩影响明显 ， 并与混凝 土的最 大收缩率之 间存在显著的 数学模型 关系。胶粉会增大混凝土后期的干燥收缩 ， 纤维掺量 的增加 能够有效抑制混凝土的收缩 。 硅粉掺 量为 2 5 和 纤 维 长 度 为 6 mm 时 混 凝 土 的 收 缩 最 小 关键词 ： 聚丙烯纤维 ； 胶粉 ； 正交试验 ； 收缩率 Ab s t r a c t ： Ai mi n g a t t h e c h a r a c t e ris t i c s o f c o l d s a l i n e a l k a l i a r e a s o f i n l a n d i n o u r c o u n t r y ，p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o m p o s i t i n g l a t e x p o w d e r m o d i fi e d c o n c r e t e ( P F C L P C ) i s p r e p a r e d f o r a p p l i c a t i o n o f c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t e n g i n e e ri n g i n t h i s e n v i r o n me n t S h rin k a g e p e rf o r ma n c e o f t h e c o n c r e t e i s i n v e s t i g a t e d t h r o u g h o h o g o n a l e x p e ri me n t ， s h ri n k i n g mo d e l o f P F ML P C i s s e t u p b y r e g r e s s i o n a n a l y s i s a n d t h e i u n t e s t i s u s e d t o t e s t s i g n i fi c a n c e o f t h e mo d e 1 T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s h rin k a g e r a t i o e , o f P F C L P C a n d t h e t e s t i n g a g e t c a n fi t t h e r e l a t i o n s h i p o f e x p o n e n t i al f u n c t i o n ，a n d t h e c o r r e l a t i o n i s s i g n i fi c a n t w h e n the s i g n i f i c a n t l e v e l i s O O1 T h e i n fl u e n c e o f d o s a g e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r o r l a t e x p o w d e r o n s h rin k - a g e o f c o n c r e t e i s o b v i o u s l y ，a n d a s i g n i fi c a n t r e l a t i o n s h i p o f ma t h e ma t i c a l mo d e l e x i s t s b e t we e n t h e ma x i mu m s h ri n k a g e r a t i o a n d t h e mL a t e x p o w d e r e n h a n c e s s h ri n k a g e o f c o n c r e t e ，o n t h e c o n t r a r y ，wi t h t h e i n c r e a s i n g o f fi b e r c o n t e n t ，t h e s h ri n k a g e o f c o n c r e t e c a n r e d u c e e f f e c t i v e l y Wh e n c o n t e n t o f s i l i c a f u me i s 2 5 o r fi b r e l e n g t h i s 6 mms h rin k a g e o f P F C U) C i s mi n i mu m Ke y wo r d s ： P o l y p r o p y l e n e fi b e r ； L a t e x p o w d e r ； Or t h o g o n a l e x p e r i me n t ； S h rin k a g e r a t i o 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5 ) 1 O 一 5 3 0 4 0前言 水泥混凝土在硬化 和使用过程 中由物理 、 化 学等非荷载 因素 引起 的体积减小变形称为收缩 变 形【 ” 。普通水泥混凝土收缩率一般为 0 0 4 0 0 6 ， 极限延伸率约为 0 0 1 一 0 0 2 ， 因此 ， 由于收缩引起 的混凝土开裂时有发生2 1 水泥混凝土 8 O 的非荷 载裂缝是由于收缩变形引起的【3 J 。 聚合物改性混凝土在国内外经过长期发展 ， 已 成为混凝土结构进行维修或加 固时常用 的材料之 一 。而新旧混凝土收缩差异过大的问题已成为 昆 凝 土结构罩面修复的关键4 1 。因此 ， 开展水泥混凝土收 缩变形方面 的研究对水泥混凝土路面 的新建或修 复意义重大。从 已有 的研究看 ， 由于聚合物乳 液能 够促使水泥基材的充分水化以及成膜效应 提高了 水 泥基材的密实度 ， 从而可大大改善混凝土的干缩 基金项 目： 国家 自然科学 基金项 目( 5 1 1 6 8 0 4 1 ) ； 教 育部创 新 团队发展计划项 目( I R T 1 0 6 7 ) 。 性能5 。另外 ， 聚丙烯纤维 的断裂伸长率大于混凝 土的断裂伸长率 ， 弹性模量较小 。 因此 ， 在混凝土受 力时聚丙烯纤维能有效抑制大面积裂缝的出现 ， 并 且减 轻出现裂缝处 的应力集 中而达 到改善混凝 土 变形性能的效果l 7 】 ： 而聚合物乳液又可以增强纤维 与水泥基材 的黏结力 ，在混凝土受到应力作用时 ， 使纤维不至于从水泥基材断面拔 出， 从而使纤维充 分 发挥 效应 9 1 。 在混凝土的各类收缩 中， 干燥 收缩较 大 ， 而 自 收缩 相对 较小 ， 一般 为 干燥 收缩 的 1 1 0左 右 ， 所 以 ， 干燥 收缩 的试验结果基本上可 以反 映混凝 土收缩 的大小【 埘 。 因此 ， 本文主要对聚丙烯纤维复合胶粉改 性混凝土( P F C L P C ) 硬化后的干燥 收缩进行了试 验 研 究 1 试验 1 1 原 材料 水泥 ： P O 4 2 5级水泥 。 砂 ： 中砂 ， 细度模 数 2 3 2 ， 满 足 区级配 ， 含泥 一 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 O期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 4期 量 2 O ， 泥块 含量 0 8 。 石 ： 碎 石 ， 最大粒 径 l O mm， 级配 良好 。 胶粉 ：德国某公司产的醋酸乙烯酯一 乙烯共聚 物乳 胶粉 5 0 4 4 N 硅粉 ： 挪威某公司产 ， 比表面积 1 8 0 0 0 m V k g ， 2 8 d 活性 指数 1 2 1 。 纤维 ： 泰安某公司产聚丙烯单丝纤维 ， 其断面 为圆形 ， 当量长度分别为 6 ra m、 9 ra m和 1 2 mm。 1 2 试验 方案 采用 I _ 9 ( 3 ) 的正交试验方案 ， 水胶 比 0 4 、 砂 率 3 6 。硅粉掺量以其 占胶凝材料总质量 的百分 比计 取 ，胶粉掺量以其 占胶凝材料 总质量 的百分 比计 取 ， 纤维掺量 以其 占混凝土体积百分 比计取 ， 各因 素及水平分布见表 1 。 l _ 3 试 验方 法 采用接触式混凝土收缩性能测试法 依据 G B T 表 1 P F C L P C的正交试 验配合 比参 数和强度 注 ： 括 号内的数 字为因素各水平的编号。 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝 土长期性能和耐久性能试 验 方 法 标 准 进 行 测 试 。 尺 寸为 l O O m mx l O O mm 5 1 5 ra m试 件 ， 放置在相 对湿度为 ( 6 0 5 ) ， 温度 为 ( 2 0 2 ) o C的养护 环 境 ，分别 测 定 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d 、 9 0 d 、 1 2 0 d 、 1 5 0 d和 1 8 0 d龄 期试 件 的 收缩值。 2结 果与分 析 对 聚丙烯纤维复合胶粉 改性 混凝土规定各龄 期收缩值进行测定 ， 并对各试验组不 同龄期收缩率 进行计算 ， 结果见表 2 。 表 2 P F C L P C不 同龄期 的收缩率x l O 根据表 2试验结果绘制收缩率 与龄期 t 关系 图， 见 图 1 。由图 1可以看出， 聚丙烯纤维复合胶粉 改性混凝土各组 的收缩率在 1 4 5 d龄期段增长较 快 ， 平均增长了 5 3 6倍 ； 4 5 1 5 0 d龄期段 ， 收缩率增 长较为平缓 ， 平均增长了 0 ， 1 6倍 。1 5 0 d后 ， 聚丙烯 纤维复合胶粉改性混凝的收缩率基本趋于稳定 ， 收 缩率分布在( 4 5 5 6 7 3 ) x l O 之间 ， 与普通混凝土基 本相同。 2 1 -收缩模型与参数分析 5 4一 ( 1 ) 收缩模型的建立与相关性分析 对图 1中曲线进行拟合分析发现 ， 一 t 关系符 合式 ( 1 ) 所示指数 函数 ， 相关性系数 r r o 。 ( 0 7 3 5 ) ， 各拟合参数及相关性系数见表 3 。 8 1 e x p ( - t 2 ) + ( 1 ) 式中 ： 为收缩龄期 时的收缩率 ， x l O ； t 为收 缩龄期 ， d ； a o 为常数参数 ； 卢 。 为 回归系数 ， ： 的单 位为 d 。 C t o、 卢 和 ： 的值与混凝土四个因素参数有关 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑小军 ， 杨建森 ， 伏利鹏 聚丙烯纤维与胶粉复掺对混凝土收缩性能的影响 7 0 0 6 o 0 5 0 0 鱼 4 0 0 槲 好 3 0 0 ： 2 o 0 1 0 o 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 o 0 1 2 0 1 40 1 6 0 龄期， d 图 1 s 一 t 关系曲线 ( 2 ) 收缩模型参数与检验 对参数 及 a o 进行回归分析 ，可得三者分 别与纤 维掺量 、 纤维长度 、 胶粉掺量 以及硅粉掺 量 之间关系可 以用式 ( 2 ) 、 式 ( 3 ) 和式 ( 4 ) 所示关 系式 表 3 各组曲线的拟合参数 描述 ， 由于在显著水平 = 0 0 5游程检验显示游程总 个数统 计量 U 、 U 、 U N 3 均大 于I 临界值 C N = 7 ， 因 此 ，认为参数 及 a o 的预测值与拟合值之间无 显著差异 可以用三者的回归方程计算聚丙烯纤维 复合胶粉改性混凝土收缩模型的相关参数 ， 游程检 验结果 见 表 4 。 表 4参数 卢 - 及 嘞的游程检验 卢 1 = 一 5 6 1 4 9 4 2 f 十 0 6 8 8 一 0 9 0 6 s + 2 0 1 2 2 3 5 f一 1 1 2 8 6 + 3 8 7 6 p - 1 8 8 2 s - 5 4 0 7 5 7 ( 2 ) = - 6 3 2 0 3 3 f + 0 6 4 l p + 0 7 3 7 s + 2 3 3 9 8 o f+ 0 2 2 9 一 5 2 9 O p一 5 6 2 8 s +1 2 1 1 2 ( 3 ) a o = 5 2 0 0 4 3 3 f + 2 8 1 4 p + 6 9 3 2 s - 1 6 7 0 6 0 7 f一 1 4 0 9 - 3 0 4 0 7 1 l p - 3 4 4 9 1 s + 6 6 7 8 1 6 ( 4 ) 式中： 厂为纤维掺量 ， ； Z 为纤维长度 ， m m； p为 胶粉掺量 ， ； s为硅粉掺量 ， 。 2 2 最大收缩率模型 根据最小二乘 法原理对试 验数据进行拟合分 析发现 ， 式 ( 5 ) 可 以显著地表征聚丙烯纤维复合胶 粉 改性 混凝土 的最大收缩率( 1 8 0 d收缩率 ) 与组成 参数之间的关系。 一1 0 0 2 =8 1 4 6 5 4 1 n x 1 + 3 4 2 2 2 4 7 5 l x z - 2 l 一 3 1 2 2 7 7 1 3 ( 5 ) 式 中： 为 1 8 0 d收缩龄期的混凝土最大收缩 率， 1 0 4 ； 。 为纤维掺量 ， ； ： 为胶粉掺量 ， 。 进一步对回归系数进行方差分析 ， 分析结果见 表 5 。 表 5 回归系数的方差分析 从方差分析结果可 以看 出 ， 显著性 F = O 0 1 2 7 7 0 0 5 ， 可见 式 ( 5 ) 的回归 关系显 著 。 因此 ， 式 ( 5 ) 可以作 为聚丙烯纤维复合胶粉改 性混凝土的最大收缩率模型 ， 用 以计算 和设计其收 缩 性 能 。 2 - 3 正交分析与讨论 由于聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝 土各组的 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 O期 混凝土与水泥制 品 总第 2 3 4期 收缩 率 随 收 缩 龄 期 的 增 加 而 变 化 ， 因 此 ， 在 进 行 正 交分析 时以混凝土各收缩龄期 中最大 的收缩率为 主进 行 分析 。 由表 2得各 组 试 样 1 8 0 d的收 缩率 均 最大 ，因此 ，对混凝土 1 8 0 d的收缩率进行直观分 析 。 分析结果见表 6 。各因素与 1 8 0 d收缩率关系见 图 2所示 从 表 6中混 凝 土 1 8 0 d龄期 收 缩率 极 差 R 的大 小可以看出 对混凝土收缩率影响 因素的主次顺序 依次为胶粉掺量 、 纤维掺量 、 硅粉掺量 、 纤维长度 。 从 图 2可 以看 出 ，胶 粉 的 掺 入 会 增 大 混 凝 土 的收 缩 ， 从不掺胶粉到胶粉掺量为 5 时 ， 混凝土的收缩 率增加了6 6 9 ，而且收缩率随着胶粉掺量的增加 呈递增趋势 。随着纤维掺量的增加 ， 混凝土的收缩 率呈线性急剧下 降趋势 ， 并且下降幅度较大。硅粉 对混凝土收缩率的影响存在一个最佳掺量 ， 其值 为 2 5 ：纤 维 长度 对 混凝 土 的 收缩 影 响相 对 微弱 ， 但 从 图 2可以得出 在应用聚丙烯纤维时应首先考虑 较短 的纤 维 。 表 6 P F C L P C的 1 8 0 d龄期收缩率极差分析 注 ： K ， K2 ， 分别为水平 1 、 水平 2 、 水平 3时各指标之和 ； ， k ： ， k 3 为平均值 ； 为极 差。 宝 槲 骠 0 苎 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 因素水平 图 2各因素对水平变化与 1 8 0 d收缩率 的关系 3结论 ( 1 ) 收缩龄期 1 8 0 d后 ， 聚丙烯纤维复合胶粉改 性混凝 的收缩率趋于稳定 ，收缩率分布在( 4 5 5 6 7 3 ) x l 0 之 间 ， 与普 通混 凝 土的收 缩基 本相 同。 ( 2 ) 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝 土收缩率与 龄期符合指数函数 e x p ( 一 ： ) + n 0 ， 且相关性在 显著水平 o t = O O 1 下显著 ， 其 中的参数 卢 、 a o 可 以 分别采用 四个 因素的多项式进行计算 ， 据此可 以预 测或者设计该类混凝土的收缩性能。 ( 3 ) 聚丙烯纤维 和胶粉掺量对混凝土的收缩影 响明显 并与混凝土的最大收缩率之间存在显著的 数学模 型关 系。胶粉会增 大混凝 土后期 的干燥收 缩 ，纤维掺量 的增加能够有效抑制混凝土的收缩 ， 硅粉掺量为 2 5 和纤维长度为 6 m m时混凝土的收 缩 最小 。 一 5 6一 参考 文献 ： 1 】 张巍， 杨全兵 混凝土收缩研究综述 J 低 温建 筑技术， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 4 - 6 2 】 陈萌 混凝 土结构收缩裂分的机理分析 与控 制 D 武汉： 武 汉 理 工 大 学 。 2 0 0 6 ： 1 - 3 3 】 王永平 混凝土收缩试验研究【 D 】 天津： 天津大学， 2 0 1 0 ： 3 - 5 4 黄建有， 郑益， 何璐 水泥混凝 土薄层修 复技术研究 J 】 公 路 交通科技， 2 0 1 4 ( 7 ) ： 1 3 【 5 】 韩振东， 程棋锋， 闻宝联， 等 聚合物改性混凝 土研 究【 J 1 商 品 混凝土 2 0 1 3 ( 7 ) ： 3 7 3 8 【 6 】 姚红云， 梁乃兴， 孙立 军， 等 羧基 丁苯聚合物改性混凝 土性 能及其机理f J 1 建 筑材 料学 报， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 3 0 3 6 【 7 C h a n g L i n ， O b a d a K a y a l i b ， E v g e n y V M o r o z o v ， e t a 1 I n fl u e n c e o f F i b r e t y p e o n F l e x u r a l b e h a v i o u r o f s e l f c o mp a c t i n g F i b r e r e i n f o r c e d C e me n t i t i o u s C o m p o s i t e s C e me n t C o n c r e t e Co mp o s i t e s ， 2 0 1 4 ， 5 1 ：2 7 3 7 8 】F a n g X u ， Mi n g k a i Z h o u ， J i a n p i n g C h e n ， e t a 1 M e c h a n i c a l p e rf o r ma n c e e v a l u a t i o n o f P o l y e s t e r F i b e r a n d S BR l a t e x C o m p o u n d - mo d i f i e d C e me n t C o n c r e t e r o a d o v e r l a y Ma t e r i a l J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 4 ， 6 3 ： 1 4 2 -1 4 9 9 赵丽杰， 李崇智， 章银祥 复掺聚合 物和纤维对 砂浆性能 的 影响 J 河南科技大学学报： 自然科学版， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 4 ) ： 7 0 7 4 1 0 】 黄国兴， 惠荣 炎 混凝 土徐变与收缩【 M】 北京： 中 国电力 出 版 社 2 0 1 2 收 稿 日期 ： 2 01 5 0 7 2 1 作者简 介： 郑小军( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 联 系电话 ： 1 3 6 1 9 5 1 4 2 3 7 E-ma i I ： 5 47 7 7 4 3 9 9q qc o m 通讯作者 ： 杨建森 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 教授 。 E -ma i l ： V i s 5 0 81 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m