绿色高性能纤维增强水泥基复合材料正交试验设计及工作性能研究

黄 波 管 涛

（信阳职业技术学院，河南 信阳 464000）

1 纤维增强环氧树脂胶混凝土复合材料简介

纤维增强环氧树脂胶混凝土复合材料（Engine ered Cememitious Composite，ECC）通常为粒径不超过5mm的细沥青混凝土，用于超耐磨聚乙烯醇纤维（Polyvinyl A1cohol Fiber，又称PVA纤维）、高压聚乙烯纤维（Polyetylene Fiber，又称PE纤维）等。并在日本、欧洲迅速开发、设计和应用。ECC控制变形明显、塑性好、机械动能消化吸收能力强。实际上，拉深的内应力是混凝土的数百倍，是建筑钢的几十倍。ECC具有独特的间隙分散能力，将传统环氧树脂混凝土复合材料的脆性破坏模式转变为延性破坏模式。 ECC在建筑专业领域有很好的应用前景。由于ECC没有粗集料，混凝土用量急剧增加，导致成本增加。同时，混凝土释放出大量二氧化碳，污染空气。作为我国特有的发电方式，火力发电会产生大量的固体粉煤灰。合理利用粉煤灰作为建筑装饰材料，可实现生态保护与资本的双向效益。研究结果表明，粉煤灰可有效地替代ECC。但是，如果粉煤灰的用量过大，在使用过程中可能会对复合材料性能（流动性、水溶性、偶联反应性）造成明显的破坏，那么，可以通过添加减水剂来改善。

为了合理提高ECC结构的理论力学性能及生态保护的实用价值，新型建材绿色高强化纤对水泥复合材料（GHPFRCC）的基础分析进行了改进。GHPFRCC原料的性能受砂灰比、PVA化纤用量、产品中减水剂用量等因素影响。根据试验结果，进行了GHPFRCC混凝土配合比的方案设计。包括设计方案、制备工艺、流动性、水溶性等。

2 配合比设计

2.1 原材料参数

GHPFRCC的原料包括聚乙烯醇纤维、水、减水剂、混凝土、石英砂和粉煤灰。原料的技术参数如下：PVA几何参数（包括纤维长度、直径等）、纤维分布（包括分布区间和分布趋势等）、纤维组成、纤维与混合砂浆性能（黏结抗拉强度、纤维结构）、纤维弥散、纤维与混凝土是否相容等因素决定了纤维灰替代混凝土是改善ECC配合比设计的重点，并充分考虑了水灰对混凝土特性的危害性，提高了预期效果。

2.2 试验设备

GHPFRCC配合比检测常用的工业设备有物理天平（检测范围：15kg，精度：0.5g）、电子分析天平（检测范围：5kg，精度：0.1g）、混凝土水泥砂浆流动性测试仪（又称潜水)、单轴强制搅拌机、供水压力罐（3 000ml）、不锈钢盘、一次性纸杯、托盘等。

2.3 试验方法

田口正交法由日本的田口玄一博士首创，成本较低、质量好、经济效益高。根据试验规范和试验中的因素和水平方案设计正交试验表，制定试验方案，然后进行测试，以相对较小的测试频率获得较好的测试结果。

在低成本下提高生产率，缩短产品开发周期，稳健性好，节省人力和物力。采用田口方案设计，对混合比例为1的GHPFRCC进行5元素无交互正交试验设计，分析和预测试验结果。根据田口方案设计（见表1）的具体实施过程，选取的元素和层次如下：

（1）混凝土水灰比：0.25、0.27、0.33、0.37。

（2）粉煤灰掺量：60%、65%、70%、75%。

（3）砂胶比：0.36、0.46、0.56、 0.66。

（4）PVA纤维的体积掺量：1.5%、1.7%、2%、2.2%。

（5）减水剂掺量：0.1%、0.15%、0.2%、0.25%。

按照正交表进行GHPFRCC制作试验，步骤如下：

（1）准确称量。

（2）将细石英砂、混凝土和粉煤灰倒入搅拌机，搅拌2min，使原材料充分混合。

（3）当减水剂产品渗入水中时，将其倒入混合物中，搅拌2～5min。

（4）手动缓慢加入PVA化学纤维，搅拌5～10min，当化纤浆料不参与结块或结块时终止，从而保证化纤充分均匀分散。

（5）准确测量流动性。

3 流动性及保水性能

常用的水泥砂浆工作性包括水泥密度试验和潜水试验。在中、低流动性水泥砂浆的工作性一般是用潜水结果来评价的，而延性、中流动性水泥砂浆的工作性是通过水泥密度和水泥等级来评价水泥的性能。根据《混凝土水泥砂浆流动性的测定》（GB/T 2419-2005），对GHPFRCC的流动性进行了潜水试验。

3.1 流动性分析

使用Minitab移动应用程序分析流动性的影响因素和规律。表2为GHPFRCC活动性测试结果：损伤等级1﹥2﹥3﹥4﹥5。

表2 GHPFRCC流动性测试结果

从表2可以看出，GHPFRCC的最小流动性值为186。为了使测试结果更有效地应用于项目，必须确定其适合的流动度。为了减少搅拌过程中的摩擦，改善水泥砂浆中合成纤维的平衡性，保证混凝土的良好流动性，可将其用于水泥砂浆中。另外，合理使用混凝土减水剂以减少水分（吸附分散、保湿、补水等），改善GHPFRCC的工作特性。

3.2 保水性分析

GHPFRCC的保水性试验结果见表3。

表3 GHPFRCC保水性测试结果

从表1和表3可以看出，GHPFRCC的保水性随水灰比的变化而变化。当水灰比为0.24时，GHPFRCC在4种减水剂混合时的保水性较好。但当水灰比扩大到0.36时，其他3组的保水性较差。除第15组（若为0.1%）减水剂较少外，其余3组均能较好地保水。当水灰比为0.28和0.32时，减水剂用量为0.1%～0.15%时，保水性较好。直接原因是分散于GHPFRCC中的许多PVA合成纤维相互重叠，对石材产生“对比”作用，降低了原料表面的泌水率和沥青混凝土的假凝。另外，PVA化纤的加入增加了复合材料的黏度，混合器内混合的摩擦阻力增大，粒度分析受到影响。

4 试验与模拟结果分析

根据梁柱节点伪地基桩试验，分别模拟了GHPFRCC梁柱节点和C30混凝土梁柱节点的伪地基桩试验，得到了模拟值和试验值。其中，GHPFRCC梁柱节点和C30混凝土梁柱节点的后向曲线如图1所示。从图1可以看出，GHPFRCC梁柱节点与C30混凝土梁柱节点后向曲线图的连接点在检测初期表现为光滑“模糊”，但涡流损耗占用面积小，涡流损耗的能耗也降低了。当试样破损、倾斜时，由于建筑钢材与混凝土的黏结作用以及区域中心混凝土的剪切变形，铁磁材料逐渐呈现“倒S形”。但与GHPFRCC梁柱节点相比，C30混凝土梁柱节点后向夹点偏差较大，夹点水平较小；在达到最大荷载后，C30混凝土梁柱节点的承载力迅速下降，而GHPFRCC梁柱节点的节点加宽特性优良；GHPFRCC梁柱节点的较大载荷高于C30混凝土梁柱节点，GHPFRCC梁柱节点的铁磁材料更光滑，能耗更强。后向夹点主要是由于建筑钢与混凝土的黏结作用和区域中心的剪切变形造成的。GHPFRCC具有较高的耐磨性，与建筑钢材的变形相容。在重复载荷作用下，区域中心的剪裁形状更小，铁磁材料更光滑。结果表明，GHPFRCC可有效提高连接点区的能耗和抗拉强度承载力，在连接点区域采用GHPFRCC混凝土可提高连接点区域建筑物的抗震等级。

图1 梁柱节点滞回曲线对比

5 结语

通过GHPFRCC砂浆配合比设计方案，测定了16组GHPFRCC的流动性和保水性，对影响因素及规律进行了科学研究。

（1）在获得砂浆配合比的同时，采用正交试验设计方法可大大降低试验频率，节省人力、物力。

（2）本实验室设计的GHPFRCC的制备和加工工艺的工作特性相对稳定，可用于相关试验。

（3）水灰比对GHPFRCC的流动性危害较大。水灰比越大，流动性越小。

（4）水灰比和减水剂用量对GHPFRCC的保水性不利。有效地设定水灰比和减水剂的添加量，对提高GHPFRCC的保水性能有重要作用。