掺聚乙烯醇纤维混凝土凝缩值的测定及数学模型的建立

摘要  本文研究了聚乙烯醇纤维对混凝土凝缩性能的影响。试验结果表明，聚乙烯醇纤维能够明显的减少混凝土的凝缩，提高其力学性能。与素混凝土相比，掺有0.9kg/m3 和 12.8kg/m3聚乙烯醇纤维混凝土的凝缩值在6小时内分别降低12.6%和19.4%，而掺有0.9kg/m3聚丙烯纤维混凝土的凝缩值仅减少6.5%。最后，在试验的基础上，建立了凝缩的数学模型。

关键词  混凝土  凝缩  数学模型  聚乙烯醇纤维  聚丙烯纤维 

Abstract  This paper presents the effect of the appropriate polyvinyl alcohol fibers on the settlement shrinkage performance of concrete. The experimental results show that the fibers can obviously reduce settlement shrinkage and improve the mechanical performance of concrete. When the polyvinyl alcohol fiber is introduced, the settlement shrinkage value of concrete reduces obviously. When the time is 6h, comparing with plain concrete, the settlement shrinkage values of concrete with 0.9kg/m³ and 12.8kg/m³ polyvinyl alcohol fiber decrease 12.6% and 19.4% respectively and the settlement shrinkage value of concrete with 0.9kg/m³ polypropylene fiber decreases 6.5%. Finally, on the basis of testing, the mathematical model is established.

Key words  concrete, settlement shrinkage, mathematical model, polyvinyl alcohol fiber, polypropylene fiber

　　近几年来，由于水泥混凝土所具有的一系列优点，比如较高的强度和刚度，良好的稳定性和耐久性，简单的养护和较低的建筑成本等，使其成为公路、机场跑道等主要的路面类型。但是，其固有的缺陷比如收缩变形、较高的脆性等也影响了它的应用，目前，控制混凝土的收缩变形已成为混凝土路面工程的一大难题。

　　为了克服上述缺点，可采用复合化的方法，其中最有效和简单易行的办法是掺加纤维。我国著名混凝土专家、中国工程院资深院士吴中伟教授生前曾多次指出：“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心”。

　　在建筑中使用的纤维包括：玻璃纤维、聚丙烯纤维、钢纤维和碳纤维等。其中高强高弹模聚乙烯醇纤维（PVA纤维）具有许多优良的性能，比如：它的弹性模量仅次于钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和超高分子聚乙烯纤维，其抗拉强度可与钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、超高分子聚乙烯纤维和对位芳香聚酰胺纤维媲美，另外，其耐光性和耐碱性也好，具有优良的化学稳定性[4]。并且将PVA纤维应用于水泥基增强材料，是基于以下几个原因[5]：抗拉强度和弹性模量高；与波特兰水泥具有良好的化学相容性；亲水性好，使PVA纤维能均一地分散在水泥基质中；高强度PVA纤维与水泥基质间具有良好的界面粘合力等。

　　国内对PVA纤维在混凝土材料中的应用研究尚处于起步阶段。PVA纤维具有高强、高弹模、亲水性好（增加粘结力）、耐酸碱、使用安全等一系列优点，在混凝土中掺入PVA纤维可增强混凝土材料的抗裂性能、韧性等，具有良好的工程应用前景。目前，国内外关于PVA纤维的种类和规格对混凝土性能的影响已取得一定的研究成果，但关于PVA纤维对混凝土的凝缩影响研究较少，对其进行深入地研究与探讨是非常有必要的[8-10]。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

　　水泥采用华新南通水泥有限公司生产的华新42.5 MPa普通硅酸盐水泥，其化学组成见表1；粉煤灰采用镇江生产的I级粉煤灰，其物理化学性能见表2。砂采用赣江中河砂，细度模数2.6；石子采用茅迪产玄武岩碎石，粒径5~20mm。

　　减水剂选用江苏博特新材料有限公司生产的以羧酸类接枝聚合物为主体的复合添加剂JM-PCA（I）型超塑化剂。聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维采用江苏博特新材料有限公司生产的润强丝-Q1型高强、高弹模PVA抗裂纤维和润强丝I型抗裂纤维，性能指标见表3。

1.2 试验设备

　　凝缩试件采用内衬3mm聚四氟乙烯管材，底座可拆卸的中空圆柱形钢管，内径Φ98mm，净高度500mm。模具置于大理石台面上[11] 。采用了非接触式的涡流传感器（德国米依公司的multiNCDT 300精密型传感器），其主要技术参数为：测量范围为1mm，线性度为0.2%，分辨率0.01%，传感器温度范围：-50度至+150度，温度稳定性0.02%/度。凝缩的试件模具及测试如图1所示。

1.3 试验方法和配合比

　　成型之前在模具内预放双层聚氯乙烯塑料薄膜，底座与钢管之间涂上密封黄油，混凝土拌合好后即可装模，成型后需要将钢管顶面用铝箔密封防止水分蒸发，加水拌合后0.5h开始测试初始值。试验原材料配合比见表4。

　　因为在混凝土上面放置了一个为涡流式传感器设置的金属片和浮起金属片的塑料薄片，混凝土试件的实际高度为498mm，凝缩值的计算按照下式进行：

2结果分析与讨论

　　不同掺量的PVA纤维对早期高强混凝土初凝前的凝缩值影响如图2所示。

 
　　掺加PVA纤维后，高强混凝土在初凝前的早期凝缩值显著降低。在360min时，PVA纤维掺量为0.9㎏/m3时的凝缩值比基准混凝土降低12.6%；纤维掺量增加，凝缩值下降，但不明显。掺量为12.8㎏/m3时比基准混凝土降低19.4%，即当PVA纤维掺量增加了13.2倍时，凝缩值的减少量增加了7%左右。当纤维掺量大于0.9㎏/m3时，PVA纤维对于改善凝缩的效果不再明显增加。

　　选择聚丙烯单丝纤维和高强高弹模PVA纤维进行比较分析，结果如图3所示。

　　PP纤维可以使360min时凝缩值相对于基准降低6.5%，掺PVA纤维可使凝缩值降低12.6%，为PP纤维的两倍。PVA纤维在减少凝缩方面效果明显，约为PP纤维的两倍。这与PVA纤维的亲水性有密切关系，由于PVA纤维含有亲水性基团（-OH），与水泥基体之间的粘结性能良好，PVA纤维与水泥基体之间的牵扯作用有效抑制了集料的下沉和浆体的上升；纤维对水泥基体还存在增稠作用有效抑制了混凝土中的骨料下沉。

3 掺PVA纤维混凝土凝缩数学模型的建立

　　从试验结果来看，混凝土龄期与凝缩值的关系是非线性的，但可以发现无论是基准混凝土还是高强高弹模PVA增强混凝土的凝缩值都是渐进于某个特定值，可使用指数方程对数据进行公式回归，首先对模型进行粗选，经过比较与分析选择曲线形状较符合的四个模型，选择的候选模型如下：

(a) Asymptotic1模型：；(b) Boxlucas1模型：  ； (c) Boxlucas1Mod模型： ；

 

　　0≤R2≤1，如果R2的值越接近于1，则表明模型对样本数据的拟合优度越高。经过比较和分析，以基准混凝土凝缩的数据为例，发现数学模型(a)的回归公式对样本数据的拟合优度最高，见表5所示。另外发现最后一个模型虽然形式接近，但是实际操作中无法计算出模型参数。因此选用Asymptotic1模型来回归数据的样本，结果如表6。

　　Table5 The 发现R2均大于0.997，说明用此模型来回归数据可行，拟合优度高，并且从图4~图7可见，回归曲线较好地反应了样本的发展趋势，样本点与回归曲线几乎无偏差。比较表6中的a、b、c三个系数，a值为混凝土最终的凝缩值，是模型曲线无限逼近的上限；发现PVA纤维样本的b值接近，故本文认为b为与纤维有关的参数；c值差别不大，故认为是与纤维无关，与混凝土本身有关的常数

　　针对高强高弹模PVA增强高性能混凝土的凝缩机理进行深入的研究与探讨，并结合试验进行论证，主要得出如下结论：

（1）高强高弹模的PVA纤维可以使得凝缩值显著减小，纤维掺量增加到0.9kg/m3后再提高PVA纤维掺量对凝缩的改善并不明显。PVA纤维对凝缩值的改善与其亲水性有密切关系，PVA纤维中的亲水性基团（—OH）与水泥基体之间的粘结性能良好，PVA纤维与水泥基体之间的牵扯作用有效抑制了集料的下沉和浆体的上升，纤维对水泥基体的增稠作用有效地抑制了混凝土中的骨料下沉。

（2）在试验的基础上，建立了凝缩的数学模型。