基于田口方法的聚丙烯纤维增强混凝土高温损伤后性能研究

张东华

(内蒙古交通职业技术学院， 内蒙古 赤峰 024005)

掺杂聚丙烯纤维能够有效抑制混凝土的收缩性能，提高其耐火性能，尤其是减少或消除混凝土历经高温时的爆裂现象。但是，聚丙烯纤维对混凝土高温后残余力学性能的影响是否显著还存在一定的争议，对于聚丙烯纤维增强混凝土的高温损伤性能的评价研究，也多集中在抗压强度、质量损失及动弹性模量等物理指标的变化分析上面，利用无损检测的方式对混凝土高温损伤力学性能评价的报道尚不多见。

针对上述问题，在对高温后混凝土残余抗压强度分析的基础上，通过超声波无损检测的方式分析历经高温前后混凝土试件超声波速的变化，引入损伤指数指标来初步评价其高温损伤性能，以期为火灾后混凝土构件性能劣化情况的快速检测提供参考。同时，采用田口方法(Taguchi methods)设计试验，引入信噪比(S/N)来降低不可控因素对试验数据异变产生的影响，分析聚丙烯纤维掺量、温度、养护龄期对混凝土高温损伤性能的影响，旨在丰富发展聚丙烯纤维增强混凝土高温性能的研究。

1 试验与方法

1.1 原材料及混凝土配合比设计

水泥采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，性能指标满足GB 175-2007的要求；选用Ⅱ级粉煤灰，主要成分为SiO2和Al2O3以及Fe2O3的褐灰色粉末；粗集料是粒径为6～20 mm的普通碎石；细集料是细度模数为2.6的河砂；减水剂为山东产FDN-C型萘系高效减水剂；采用盐城产束状单丝聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber,PPF)，其密度为0.91 g/cm3，长度为19 mm，直径为18 μm。聚丙烯纤维增强混凝土配合比设计如表1所示。

1.2 试验方法

为了确定温度对聚丙烯纤维增强混凝土性能的具体影响情况，试验中采用L9(33)田口正交试验设计方法，重点考察了PPF掺量(A)、温度(B)和养护龄期(C)3个因素对混凝土性能的影响。每个因素选取3个水平，即PPF掺量为0.1%、0.2%和0.3%，温度为400、600和800 ℃，养护龄期为7、14和28 d，共计9组试验，其因素与水平设计表如表2所示。

表2 因素与水平

采用强制搅拌机拌和掺杂聚丙烯纤维的混凝土基料，倒入模具成型并经振动台密实后，于室内静置24 h后脱模、编号，并立即放入标准养护室中养护至指定龄期，取出后自然晾干，制备规格为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。然后将试块置于箱式电阻炉中加热，其温度分别设定为400、600和800 ℃，升温速率约为10 ℃/min，达到目标温度后恒温处理1 h，关闭加热系统，试块自然冷却至室温，进行抗压强度试验。

试验中，还利用超声波脉冲速率检测装置对混凝土升温前后的内部损伤情况进行探测，以期通过无损检测的方式进一步表征混凝土升温处理前后宏观力学性能的变化。超声波速(UPV)的主要原理是通过脉冲发射器发射超声波脉冲，通过发射和接收传感器，测量信号的传输时间，进而计算脉冲信号在混凝土试块中的超声波速，通过超声波速的大小来判断混凝土试件的内部损伤情况。

2 结果与讨论

基于田口方法的聚丙烯纤维增强混凝土试验设计及试验结果如表3所示。相比正交试验设计来说，田口方法引入信噪比(S/N)指标来降低噪声因子、误差等不可控因素对试验数据变异产生的影响，并以此作为试验结果质量特性的衡量指标。根据衡量指标的特性，S/N分为越大越好的望大特性、越小越好的望小特性和越接近目标值越好的望目特性。该文中，以抗压强度和超声波速两个具有望大特性的指标来判断混凝土性能的优劣，望大特性的信噪比计算公式如式(1)所示：

(1)

式中:S/N为信噪比;N为试验重复次数；Y为试验观测结果，即分别指此处的抗压强度和超声波速。

此外，文中利用Minitab 15.0软件进行田口设计、方差分析、主效应分析以及相关统计指标的计算。

2.1 抗压强度及超声波速信噪比(s/n)分析

田口方法试验结果见表3。

表3 田口方法试验结果

由表3可知：经高温处理后，不同养护龄期聚丙烯纤维增强混凝土的抗压强度为11.03～52.24 MPa，超声波速为1.56～4.18 km/s。结合表3和式(1)，进一步分析可得聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度及超声波速的信噪比响应(表4)。

表4 混凝土抗压强度及超声波速信噪比响应

由表4可知：影响聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度及超声波速的3个因素的极差R由大到小的顺序均为：B(温度)>C(养护龄期)>A(PPF掺量)。在田口方法中，极差的大小反映了因素作用的强弱，说明温度是损伤混凝土力学性能的主要影响因素，养护龄期次之，聚丙烯纤维掺量对其性能损伤的影响程度最弱。

聚丙烯纤维增强混凝土历经高温后的残余抗压强度及超声波速信噪比主效应趋势图，如图1、2所示。不难发现，各因子对混凝土抗压强度及超声波速指标的影响规律基本一致。由图1可知:混凝土的抗压强度随聚丙烯纤维掺量的增加而增加，但PPF掺量(A)对混凝土高温损伤力学性能的影响程度远低于温度(B)和养护龄期(C)。表明尽管聚丙烯纤维的掺杂可以有效传递载荷且阻止混凝土内部微裂纹的产生和扩展，但是由于聚丙烯纤维本身的熔点较低(约170 ℃)，当混凝土试块经过400～800 ℃的高温后，其内部纤维基本溶解了，使得由纤维阻裂效应带来的力学性能的改善作用并不明显。

图1 抗压强度的信噪比主效应趋势图

图2 超声波速的信噪比主效应趋势图

随着温度的升高，混凝土抗压强度的信噪比显著降低。当温度为400 ℃时，混凝土试块的表观颜色逐渐变浅，表面存在些许轻微的裂纹；当温度升高到800 ℃时，试块表面呈现浅灰白色，裂纹数量及宽度显著增加。前人研究结果显示：400 ℃时，水泥浆体中的水化硅酸钙(C-S-H)等水化产物开始逐渐脱水，温度进一步升高时，空隙水含量降低，骨料与水泥浆体之间的缝隙增大，当温度上升至800 ℃时，其宏观破坏现象显著，力学性能明显降低。表明混凝土力学性能的显著降低主要归因于温度升高，混凝土中的吸附水、毛细水、结晶水等逐渐丧失，使得原本均匀密实的水化产物分层并使微裂纹增大且渐至贯通，最终显著损伤了混凝土的力学性能。由图1还可知：养护龄期的延长，混凝土抗压强度的信噪比逐渐升高，表明随着养护时间的增加，水化反应进行得更加彻底，水化产物也更加致密化，进而可以在一定程度上影响混凝土的高温损伤性能。

综合信噪比的分析可得最优工艺参数组合为A3B1C3，即当聚丙烯纤维掺量为0.3%、温度为400 ℃、养护龄期为28 d时，混凝土的力学性能损伤程度最低。

2.2 抗压强度及超声波速方差分析

为进一步评估各因素对聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度及超声波速的影响程度，对试验数据进行方差分析，并得出各个因子的贡献度。表5为基于信噪比方差分析的各个因子对混凝土抗压强度及超声波速变化影响的显著性及贡献率。

表5 混凝土抗压强度及超声波速方差分析

由表5可知：除PPF掺量外，温度、养护龄期对混凝土残余抗压强度及超声波速的影响均是显著的，其P值均低于0.05，即在95%的置信区间上显著。其中，温度对于混凝土抗压强度的影响极为显著，其P值为0.005，低于0.01，即在99%的置信区间上显著。从因子贡献率来看，各变量对于混凝土损伤性能影响的贡献程度也有较大差距。对于抗压强度来说，PPF掺量、温度和养护龄期的贡献率分别为3.91%、82.60%和13.09%；对于超声波速来说，3个因素的贡献率分别为2.80%、62.18%和34.32%。其影响程度的强弱与前文中S/N分析结果一致，均表明温度是损伤混凝土力学性能的最显著因素。

2.3 高温损伤指数分析

随着混凝土性能的劣化，其结构随时间的变化反映为脉冲速度的降低。试验中明显发现，高温损伤后的混凝土试块的超声波速要低于历经高温处理前的超声波速。脉冲速度的降低意味着传输时间的延长，即其所通过的路径更长，表明了内部裂缝增多。通过对高温损伤前后混凝土试块超声波速变化的检测，引入高温损伤指数(DamageIndex,DI)指标来定量/半定量衡量温度对混凝土的损伤情况，其计算公式如下：

DI=1-vdamage/vinitial

(2)

式中：vinitial、vdamage分别为初始未经温度损坏、高温损伤后的超声波速。

另外，还将高温损伤后的混凝土试块浸渍在乙酸乙烯酯单体溶液中24 h，初步探讨了高温损伤后混凝土试件补强和性能修复的措施。图3为高温损伤后浸渍和未浸渍聚合物溶液聚丙烯纤维增强混凝土的高温损伤指数。混凝土经过高温损伤后的损伤指数为0.15～0.80，以N7(A3B1C3)为例，其损伤指数为0.15，表明高温对混凝土性能的劣化影响程度为15%；而N9(A3B3C3)的损伤指数为0.80，说明混凝土试块80%的部分受到了破坏。浸渍乙酸乙烯酯单体溶液后，一方面其损伤指数有所降低，为0.12～0.78，表明浸渍聚合物溶液可以在一定程度上修复高温对混凝土性能造成的损伤；另一方面，浸渍聚合物溶液对编号为N2、N5和N8修复效果要优于编号为N3、N6和N9的混凝土试块，即对600 ℃高温处理的修复效果优于800 ℃。浸渍聚合物之所以能够降低混凝土的高温损伤度，可能是因为浸渍的乙酸乙烯酯单体溶液填补了混凝土基材中的许多孔隙和裂缝，再次强化了水泥/砂石结构之间的黏结，聚合物和水泥之间形成了互相贯穿的三维结构，从而有助于修复高温后的混凝土性能。

图3 高温损伤后浸渍和未浸渍聚合物溶液

3 结论

(1) 信噪比分析显示最佳工艺参数组合为A3B1C3，即PPF掺量为0.3%、温度为400 ℃、养护龄期28 d时，混凝土的残余性能最佳。此时，其残余抗压强度为52.24 MPa、超声波速为4.18 km/s、高温损伤指数为0.15。

(2) 随着温度的升高，混凝土损伤后的残余抗压强度逐渐降低，超声波速亦显著减小。方差分析表明：除PPF掺量外，温度和养护龄期对聚丙纤维增强混凝土高温损伤性能的影响均是显著的，其中温度是影响混凝土高温损伤后残余抗压强度和超声波速的最主要因素(贡献率分别达到82.60%和62.18%)。

(3) 浸渍聚合物溶液可以在一定程度上降低聚丙烯纤维增强混凝土的损伤指数，为经历高温损伤的混凝土构件的性能修复提供初步参考。