不同影响因素下聚乙烯醇纤维改性橡胶混凝土抗渗性研究

2022-05-09孙杰马稳吴爽冯川孙明星彭胜许奎

新型建筑材料 2022年4期

孙杰，马稳，吴爽，冯川，孙明星，彭胜，许奎

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430065；2.中铁建设集团中南建设有限公司，湖北武汉 430035）

近些年来，研究人员常常把注意力集中于提高混凝土强度以及延长混凝土结构使用年限方面[1-4]。对普通混凝土抗渗性也展开了大量的研究工作，可以在混凝土中加入橡胶、纤维等材料，弥补普通混凝土的抗渗缺陷。田艳凤等[5]选用16～40目橡胶粉进行4 种掺量的配比设计，开展橡胶混凝土的抗渗试验研究，并指出橡胶粉掺入混凝土对内部孔隙有填充作用，橡胶混凝土毛细孔隙率相对越低，且橡胶粉粒径越小填充效果越好，抗渗性较好，橡胶粉的最佳粒径为20 目和40 目。在连续干湿循环和氯离子溶液下，Islam Md 等[6]通过实验发现，在腐蚀性环境中细橡胶骨料掺入混凝土后其耐久性更好。刘松岸和刘亚飞[7]研究发现，橡胶颗粒对混凝土耐久性改性效果显著。闫长旺等[8]研究了PVA 纤维对混凝土抗盐侵蚀性能的影响，结果表明，在混凝土中掺入长度为12 mm、体积掺量为1.2 kg/m3的聚乙烯醇纤维时，纤维混凝土的抗盐侵蚀性能最优。黄加圣[9]研究发现，聚乙烯醇纤维可以抑制混凝土裂缝的产生与发展，强化了胶凝材料与骨料之间的粘结力，掺入PVA 纤维后，渗水高度值低于基准混凝土，尤其对高水胶比混凝土抗渗增强效果更为明显。闻洋和陈伟[10]的研究发现，PVA 纤维可以有效地抑制早期塑性裂缝的产生，并显著提高材料的抗渗性，各项性能表现最佳时PVA 纤维长度为8 mm、掺量为1.4 kg/m3。由此可见，混凝土中掺入一定量的PVA 纤维或橡胶粉，混凝土的抗渗性表现出积极的效应。

本文通过正交试验研究了水灰比、橡胶粉体积取代率、PVA 纤维体积掺量、温度4 种因素对试件的渗透高度及相对渗透系数的影响，在试验水平范围内，得出各个影响因素对不同指标影响的最佳水平组合，为PVA 纤维改性橡胶混凝土的相关研究提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：P·O 42.5，武汉华新水泥股份有限公司；碎石：粒径5～25 mm；细骨料：普通河砂，级配良好，表观密度1560 kg/m3；减水剂：HPWR Q8011 型高性能减水剂，淡黄色，减水效率26%，陕西秦奋建材有限公司；橡胶粉：60 目，粒径0.25 mm；改性溶液：用含量为95%的氢氧化钠颗粒进行配制，采用配制好的10%浓度氢氧化钠溶液浸泡橡胶粉48 h 进行改性处理；聚乙烯醇（PVA）纤维：高强高模聚乙烯醇，长度12 mm，市购。

1.2 正交试验设计

设计4 因素、4 水平L16（44）正交试验，因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

1.3 试验方法

本次试验模型中，参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。制备16 组标准尺寸为175 mm×185 mm×150 mm 的抗渗试块，每组6 块，在标准养护28 d 及温度60 ℃环境持续作用后，将试件侧面轻轻裹上1 层均匀且不太厚的石蜡，在裹好石蜡的试件侧面中心部位以及成型面远端处套上橡胶密封圈，加强密封效果，并将试件放入试模上进行抗渗试验。采用渗透高度法，开通6 个试位下的阀门，试验设定水压1.2 MPa。试验结束后，取出试件，在承压板上放置劈裂试验所用到的弧形垫块，在垫块中心的顶部放置1 根钢筋，打开压力机使其沿纵断面劈裂开，将试件一分为二，观察断面水痕。用直尺等间距量取10 处水痕的高度，取其平均值为该试件的渗透高度hi，6 个试件均值为该组最终渗透高度h，且计算相对渗透系数K 作为评定指标。

1.4 配合比设计

根据JG/J 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中的配合比计算方法进行配合比设计，根据配合比计算每组试验用量。结果如表2 所示。

表2 正交试验设计及渗透高度、相对渗透系数测试结果

2 试验结果及分析

2.1 极差分析

根据正交试验结果，对渗透高度和相对渗透系数进行极差分析，结果如表3 所示。

表3 渗透高度相对渗透系数的极差分析

从表3 可以看出：

（1）综合比较渗透高度极值，4 种影响因素中橡胶粉取代率对渗透高度影响极为明显，极差为53.9，水灰比和聚乙烯醇纤维体积率次之，温度极差为5.9，其影响最小。比较R 值大小，53.9>17.5>13.0>5.9，即RB>RA>RC>RD，由此可以判断出对强度影响程度由高到低依次为改性橡胶粉取代率、水灰比、PVA 纤维掺量及温度。在不同因素对渗透高度影响波动幅度中，水灰比、改性橡胶粉取代率、PVA 纤维掺量和温度的波动幅度分别为37.5%、112.3%、22.7%、10.4%，改性橡胶粉取代率波动幅度比较显著。

（2）当水灰比从0.34 增加到0.49 时，试件的渗透高度由19.775 mm 提高到37.275 mm。水灰比由0.34 增加到0.39，渗透高度显著提高了68.4%，主要是较小的水灰比不利于水泥的充分水化，混凝土密实度降低，透水性增加明显。水灰比由0.39 增加到0.44，再由0.44 增加到0.49 时，渗透高度增加较小，分别为9.2%、2.5%。表明在试验水平范围内水灰比越大，混凝土内部相互联通的、无规则的毛细孔越多，水泥石的孔隙率增加，透水性强，渗透高度越高。

（3）随改性橡胶粉掺量的增加，试件的渗透高度先减小后增大，改性橡胶粉取代率从4%增加到12%，渗透高度从67.325 mm 显著减小到16.125 mm。经NaOH 溶液改性后，橡胶周边包围的裂缝显著减少，水泥浆体与改性橡胶粘结更好，抗渗透性加强。但橡胶粉掺量从12%增加到16%时，渗透高度仅增大了16.6 mm，改性橡胶集料掺量过多时，会稍微改变其填充效果，增大混凝土的含气量。说明橡胶粉掺量在一定范围内的提高能改善混凝土内部结构提高抗渗性。

（4）随PVA 纤维掺量的增加，试件的渗透高度先增大后减小，其掺量0.1%～0.3%试件渗透高度呈上升趋势，掺量0.3～0.7%为下降阶段。在一定范围内，PVA 纤维的掺入可以在试件成型早期较好地抑制混凝土微裂缝的产生和开展，阻断内部毛细孔，减少内外部连通孔的产生，填充弥补了一定的缺陷，增强了混凝土内部的约束力，聚乙烯醇纤维对混凝土抗渗性能有一定的提升。

（5）在试验温度20～260 ℃，温度越高试件渗透高度越高。推测温度越高导致混凝土内外温差越大，温度应力也随之增大，当温度应力大于混凝土的抗拉强度和变形能力时，混凝土开始产生温度应力裂缝，内部结构随着温度的提高逐渐破坏，使水更容易通过和渗透。

比较各因素各水平下的平均相对渗透系数k 值，以因素A 为例，kA1＜kA2＜kA3＜kA4可判断出因素A 最优水平为水平1。同理，因素B 最优水平为水平3，因素C 最优水平为水平1，因素D 最优水平为水平1。因素B 对相对渗透系数的影响程度较大，因素A、C、D 次之，得出最佳水平组合为A1B3C1D1。

综上所述：各因素对混凝土渗透性影响程度由高到低依次为改性橡胶粉取代率＞水灰比＞PVA 纤维掺量＞温度。在试验水平范围内的最佳水平组合为A1B3C1D1。

2.2 方差分析

极差分析法不能将试验条件改变引起的试验指标变化与试验误差引起的指标变化区分开来，无法估计试验误差大小，没有具体的评定标准，为弥补这一缺陷进行方差分析，如表4所示。

表4 渗透系数的方差分析

极差分析若F 因素＞Fα（f 因素，fe），则表明该因素对试验指标影响显著，在置信度为99%、95%、90%（即α=0.01、0.05、0.1）时对应的临界值分别为：F0.01（3，3）=29.5，F0.05（3，3）=9.28，F0.1（3，3）=5.39。只有F0.05（3，3）＞FB＞F0.1（3，3），其他F 值均小于F0.1=5.39，且FB＞FA＞FC＞FD，表明4 个影响因素中改性橡胶粉掺量是主要因素，其对混凝土抗渗性有显著的影响，而水灰比、PVA 纤维掺量和温度对混凝土渗透耐久性影响很小，这与极差分析结果基本相吻合。