王玲玲 鐘 煬 司晨玉 姜寧寧 李世晉 閔 柯 趙玉廈(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

0 引言

PVA 纖維作為水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，具有強(qiáng)度高、耐候性好、環(huán)保無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)PVA 纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于橋梁、公路、抗震及結(jié)構(gòu)修復(fù)等領(lǐng)域。目前眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泥基復(fù)合材料開(kāi)展了理論分析、宏微觀性能以及實(shí)際應(yīng)用等方面的研究[1,2]，結(jié)果表明水泥基復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，但仍然缺乏一定的成熟的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)其配合比進(jìn)行明確的規(guī)定，制約了水泥基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用[3]。為進(jìn)一步提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，探究水泥基復(fù)合材料的合理配合比，本研究通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了水膠比、PVA 纖維體積摻量、納米SiO2摻量以及減水劑摻量等因素對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響，為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)原材料包括P.O42.5 級(jí)水泥、Ⅰ級(jí)粉煤灰、40～80 目精制石英砂、聚羧酸高效減水劑以及普通自來(lái)水；選用日本可樂(lè)麗公司生產(chǎn)的KURALON K-Ⅱ型的PVA 纖維；選用VK-SP30 型號(hào)納米SiO2，平均粒徑為30nm，外觀為白色松散粉末。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用40mm×40mm×160mm 的試件進(jìn)行28d抗折強(qiáng)度和28d 抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。成型后的試件置于室內(nèi)陰涼處，24h 后脫模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d 后，在TYE-10C 型水泥膠砂抗壓試驗(yàn)機(jī)和TYE-300型壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選取水膠比、PVA 纖維體積摻量、納米SiO2摻量以及減水劑摻量作為因素及其合適的水平設(shè)計(jì)L16(45)正交試驗(yàn)。因素與水平如表1 所示，正交試驗(yàn)方案如表2 所示。

表1 因素與水平

表2 正交試驗(yàn)方案

3.2 水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能分析

3.2.1 水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度分析

⑴抗折強(qiáng)度極差分析

從表3 可知，影響水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度的主次因素為PVA 纖維體積摻量＞水膠比＞納米SiO2摻量＞減水劑摻量。當(dāng)水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時(shí)，水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度可達(dá)13.45MPa。

表3 水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度極差分析

⑵抗折強(qiáng)度方差分析

由表4 可知，PVA 纖維體積摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度的影響非常顯著，水膠比次之，納米SiO2摻量和減水劑摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響較小。

表4 水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度方差分析

各因素對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度的影響分別如圖1 所示。

圖1a 表明，隨著水膠比的增大，水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度逐漸減小，在水膠比為0.27 時(shí)，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度最大。這是由于隨著水膠比的增大，水泥基復(fù)合材料的孔隙率逐漸增大，結(jié)構(gòu)致密性變差，從而降低水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度[4]。由圖1b 可知，水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度隨著PVA 纖維體積摻量的增加逐漸增大。在基體受力過(guò)程中，PVA 纖維起到了限制試件橫向變形以及裂縫的滑移和發(fā)展的阻裂作用，使試件的承載能力有所提高，試件的抗折強(qiáng)度增大，且纖維的摻量越大，這種作用越明顯[5]。由圖1c 可以看出，隨著納米SiO2摻量的增加呈一定幅度的增大趨勢(shì)，納米SiO2摻量為2.0%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。從圖1d可以看出，隨著減水劑摻量的增加，水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度先增大后減小，在減水劑摻量為0.60%時(shí)達(dá)到最大。

圖1 各因素對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度影響分析

3.2.2 水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度分析

⑴抗壓強(qiáng)度極差分析

由表5 可知，影響水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度的主次因素為水膠比＞納米SiO2摻量＞PVA 纖維體積摻量＞減水劑摻量。當(dāng)水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時(shí)，水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)70.85MPa。

表5 水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度極差分析

⑵抗壓強(qiáng)度方差分析

由表6 可知，水膠比和納米SiO2摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度的影響顯著，PVA 纖維體積摻量次之，減水劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小。

表6 水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度方差分析

各因素對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度的影響分別如圖2 所示。

圖2a 表明，隨著水膠比的增大，水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度逐漸減小，水膠比的增大意味著水泥基復(fù)合材料基體用水量增加，和易性得到改善，減小了PVA纖維與基體之間的粘結(jié)摩擦，但纖維的橋聯(lián)作用未能得到充分發(fā)揮，同時(shí)基體內(nèi)部的空隙增多，密實(shí)性變差，內(nèi)部缺陷增加，導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料抗壓韌性減弱，從而降低其抗壓強(qiáng)度。由圖2b 可以看出，水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度隨著PVA 纖維體積摻量的增加逐漸增大。圖2c 表明，隨著納米SiO2摻量的增加，水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度不斷增大。由圖2d 可知，水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度隨著減水劑摻量的增加先增加后減小，在減水劑摻量為0.45% 時(shí)達(dá)到最大。

圖2 各因素對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度影響分析

4 結(jié)論

采用L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究水膠比、PVA 纖維體積摻量、納米SiO2摻量和減水劑摻量等因素及其合適的水平對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度、28d 抗壓強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

⑴PVA 纖維體積摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度影響非常顯著，水膠比次之，納米SiO2摻量和減水劑摻量對(duì)抗折強(qiáng)度影響較小。當(dāng)水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時(shí)，水泥基復(fù)合材料28d 抗折強(qiáng)度可達(dá)13.45MPa。

⑵水膠比和納米SiO2摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料28d抗壓強(qiáng)度影響顯著，PVA 纖維體積摻量次之，減水劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小。當(dāng)水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時(shí)，水泥基復(fù)合材料28d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)70.85MPa。