基于正交试验的碳纤维注浆材料基本力学性能试验研究

2017-05-24朱宝柱张超良

湖南交通科技 2017年1期

关键词：铝酸盐抗压水灰比

刘盼, 朱宝柱，张超良

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410076)

基于正交试验的碳纤维注浆材料基本力学性能试验研究

刘盼, 朱宝柱，张超良

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410076)

通过设计正交试验，利用趋势图法分析硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比、纤维的体积分数和水灰比三种因素对注浆材料抗压抗折强度的影响规律：抗折强度随硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比的增加先快速减小后稍微增大；而随纤维体积分数的增加而先增加后减小；随水灰比的增加其抗折强度越来越小；采用极差法得出三种因素对注浆材料抗压抗折强度的影响规律，最终确定注浆材料的最佳配合比：硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比为0.40，纤维的体积分数为1.0%，水灰比为0.54。

碳纤维；水泥；正交试验；配合比

0 前言

注浆处治时注浆材料早期强度的高低，对交通具有重大的影响。所以，国内学者对注浆材料进行了深入研究。如张旭东[1]通过注浆工程实际，详细介绍了水泥浆、双液浆(水泥-水玻璃浆液)、超细水泥浆液在不同注浆条件下的注浆效果及使用方法。郑大锋[2]等通过试验详细研究了羧甲基纤维素、聚乙烯醇和聚丙烯酸钠三种高聚物对掺入高效减水剂注浆材料的流动度等性能的影响。张高展[3]通过室内试验，得出水泥-水玻璃注浆材料的抗水性和抗渗性比新型工业废渣双液注浆材料的要差，并且后者具有良好的稳定性、流动性和可注性。

传统的水泥注浆材料具有凝结时间长、早期强度不高、凝结硬化后体积收缩明显等诸多缺点，不能满足处治后尽快恢复交通的要求[4,5]。为了改善传统注浆材料的性能，本次试验采取以碳纤维、硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、VAE乳液为原材料，通过室内试验得到不同配合比对注浆材料的抗压抗折性能的影响，从而确定各组分的最佳配合比。

1 正交试验设计

1.1 正交试验设计

正交试验设计[6]是根据因子设计的分式原理，研究多因素多水平的一种设计方法，根据正交性从全部试验中挑选出一些有代表性的点(具有“均匀分散，齐整可比”的特点)进行试验，并通过结果分析推断出最优方案，这种试验设计方法具有效率高、速度快、经济实用的特点。针对硫铝酸盐与普通硅酸盐质量比A、水灰比B、纤维的体积分数C三个主要影响因素，各个因素选取4种水平，把混合料7 d抗压抗折强度作为主要检验指标，通过正交试验研究碳纤维注浆材料各组分的最佳比例，试验正交表见表1。

表1 试验正交表水平硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比/%纤维的体积分数/%水灰比14000.542420.50.563441.00.584461.50.60

1.2 材料组成

试验所使用的试验原料见表2。

表2 试验原料试验材料规格生产厂家碳纤维6mm苏州伟元化纤有限公司普通硅酸盐水泥32.5MPa湖南宝隆科技发展有限公司硫铝酸盐水泥42.5MPa湖南宝隆科技发展有限公司VAE乳液—广州市淇盛化工有限公司

碳纤维特点主要有：与所有的纤维材料相比，碳纤维的比模量最高，抗拉强度与玻璃纤维接近，弹性模量比玻璃纤维高4～5倍，比铝合金高5～6倍；在室温条件下，具有较好的耐腐蚀性，空气中也具有较好的耐氧化性；具有较低的线膨胀系数，耐高温和耐低温性都比较好，具有一定的摩擦减振特性，热容量大、比热小，吸附性和导电性良好。

1.3 材料制备[7,8]

1.3.1 氧化碳纤维表面

碳纤维单丝表面被一层有机胶黏剂裹护，使其与水溶液的相溶性很差，因此很难使其均匀分散在水溶液中。除去碳纤维表面的有机胶黏剂，增强其亲水性，可通过对其表面微氧化来达到这一目的，同时这种方法对碳纤维表面活性的提高也有一定的作用。试验中把气相氧化与液相氧化相结合，具体试验方法如下：

1) 在马弗炉中放入适量碳纤维，并将炉内温度加热到500 ℃，保温2.5 h除去表面胶体；

2) 对处理后的碳纤维进行液相氧化，将其浸入40%的硝酸溶液中煮沸15 min，提高其表面活性；

3) 将碳纤维放入烧杯中用蒸馏水冲洗直到溶液呈中性，再将其干燥后放在洁净的容器中备用。

1.3.2 注浆材料试件制备

1) 将试验所需的碳纤维(根据纤维体积分数利用排水法得到所需纤维质量)和部分水泥加入到搅拌锅中，慢速干拌90 s。

2) 加入试验所需的减水剂、消泡剂和剩余的水，然后，边搅拌边加入剩余水泥，再湿拌120 s。

3) 将所得到的材料倒入标准试模中振实成型，将试件放入标准养护箱中养护，1 d后放入水中继续养护6 d，表面擦干后，进行抗压抗折试验。

碳纤维注浆材料试件制备工艺流程如图1所示。

图1 碳纤维注浆材料试件制备工艺流程

2 数据分析

评价注浆材料性能的优劣主要取决于抗压抗折强度。所以，本试验以碳纤维注浆材料的强度性能为研究重点，研究了不同水灰比、纤维含量和铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥质量比的情况下，注浆材料的抗压抗折强度的变化规律。

根据因素表应用 L16(45)正交表各因素的组合安排制备试件，每组平行试件4个，养生至7 d龄期，并测定试件抗压抗折强度。

根据文献[9]进行注浆材料的抗压抗折强度试验。注浆材料抗压抗折强度试验结果见表3。

采用趋势图分析法，得到各影响因素与抗压抗折强度之间的关系，如图2所示。

根据图2可知，碳纤维注浆材料抗折强度随硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比的增加先快速减小后稍微增大；而随纤维体积分数的增加而先增加后减小；随水灰比的增加其抗折强度越来越小。同时从图2分析可得，碳纤维的加入对注浆材料抗压抗折强度有很大的影响：碳纤维掺量从0.5%增加到1%时，其抗压抗折强度增加最多，当碳纤维掺量为1%时，其7 d抗压抗折强度出现一个最大值，随后略微减小，趋于平缓。而且，掺加纤维与不掺纤维的相比，其7 d抗压强度增加了16%左右，7 d抗折强度增加1倍左右。

分析极差可得，硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比为0.86，纤维的体积分数为0.91%，水灰质量比为1.45，水灰比对碳纤维注浆材料强度的影响最大，纤维的体积分数对其影响居中，硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比对其影响最小。所以，综合上述三个因素对碳纤维注浆材料强度的影响规律，为使其获得最优的抗压抗折强度，其最佳配合比应该是硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥质量比为0.40，纤维的体积分数为1.0%，水灰比为0.54。

表3 测试结果AC/%B纤维组普通组强度差提升百分比7d抗折/MPa7d抗压/MPa7d抗折/MPa7d抗压/MPa7d抗折/MPa7d抗压/MPa7d抗折7d抗压0.400 0.548.9111.574.5710.234.341.340.950.130.50.568.9811.794.5410.314.441.480.980.141.00.589.1511.123.589.755.571.371.560.141.50.608.0210.873.6110.944.41-0.071.22-0.010.420 0.568.0111.643.599.354.422.291.230.240.50.548.2111.124.0410.574.170.551.030.051.00.607.6312.194.099.783.542.410.870.251.50.587.7812.543.579.964.212.581.180.260.440 0.587.6112.133.6710.543.941.591.070.150.50.607.0810.344.6110.012.470.330.540.031.00.549.0812.854.539.784.553.071.000.311.50.568.7912.233.719.655.082.581.370.270.460 0.606.8511.394.5510.312.3 1.080.510.100.50.587.7412.873.599.874.1531.160.301.00.569.1611.574.629.514.542.060.980.221.50.549.2111.843.6811.125.530.721.500.06