鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性試驗研究

楊林，李明

（東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性試驗研究

楊林，李明

（東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

應用響應面對鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性進行試驗研究。根據鋼纖維增韌聚合物混凝土的實際使用情況確定了響應面試驗的高、低水平和中間水平，并依據統計學分析及圖像分析，明確了各因素對磨損量影響的顯著性大小，因素之間的交互作用大小。依據建立的模型求得最優配合比為：鋼纖維體積率1.13，丁苯乳液質量分數10.26%、水灰比0.40，模型預測符合實際情況，模型可指導高耐磨性鋼纖維增韌聚合物混凝土配合比設計。

鋼纖維增韌聚合物混凝土；耐磨性；模型；響應面尋優

鋼纖維增韌聚合物混凝土是指鋼纖維與聚合物乳液混合摻入混凝土中，二者復摻能顯著提高混凝土的力學性能，鋼纖維能夠增強聚合物混凝土的抗折強度，聚合物可以增強水泥基體對于鋼纖維的握裹作用，使鋼纖維抗拉強度高的特性得到充分發揮［1，2，3］，鋼纖維增韌聚合物混凝土因其具有優良的力學性能而被廣泛的應用在道路及建筑領域。以往研究主要針對鋼纖維增韌聚合物混凝土的力學性能，本文將基于RSM（response surface methodology）對其耐磨性進行深入研究。RSM在生物學領域應用廣泛，建筑領域應用較少，RSM的實質是一套較為復雜的統計方法，它通過近似構造一個有具體形式的多項式來表達隱式功能函數，在綜合考慮變量值的相互作用以及不確定性基礎上尋找最優解，相對于正交試驗，它所需試驗次數較少，并且克服了正交試驗只能給出最佳因素水平組合的缺陷，其預測值更加接近實際值［4］。RSM包含CCD（central composite design）和BBD（Box-Behnken design）兩種試驗組合設計，其中BBD適合因素少于5個，水平為3個的試驗，適合鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性的試驗研究。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

試驗用水泥為天鵝牌P·O 42.5水泥，各項指標符合要求；試驗所用細集料為本地河砂，細度模數為2.7；粗骨料采用哈爾濱阿城市玉泉鎮產 5～20mm連續級配碎石；鋼纖維為河北衡水廣駿橡塑制品廠生產路面橋梁專用剪切型異型鋼纖維；聚合物乳液為山東鼎鼎化工提供的水泥專用羧基丁苯膠乳；外加劑為萘系高效減水劑及山東宏祥化學試劑廠提供的 HB-03型聚醚改性有機硅消泡劑。

圖1 丁苯乳液及鋼纖維

鋼纖維技術指標 表1

聚合物乳液技術參數 表2

1.2 試驗方法

根據JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》規定，將尺寸為 150mm×150mm× 150mm的試件標準養護至27d，擦干表面水分后自然干燥12h，再放入烘箱中烘干12h至恒重。將成型時與頂面垂直的面作為磨削面，在200N負荷下磨30r，刷凈浮塵后稱重 m1（kg）作為試件磨損前質量，在200N的負荷下磨 60r，刷凈浮塵后稱重為 m2（kg）作為磨損后的質量，試驗中應將吸塵器口對準磨耗面，將磨耗面上粉塵及時吸走，則該面積下的磨損量為 m1-m2，試驗中的磨損面積為 0.0125m2，磨損量G=m1-m2/0.0125同一配合比三組平行試驗，三組試驗結果平均值作為該配合比下的磨損量［5］。

1.3 分析因素的水平選取

本次試驗主要研究鋼纖維體積率、丁苯乳液質量分數（相對于水泥質量）、水灰比［6］（固定水泥質量不變）三種因素對鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性的影響，鋼纖維增韌聚合物混凝土的配合比設計沒有相關的規范作為依據，一般認為配合比設計可參考鋼纖維混凝土的配合比設計，本次研究依據響應面的特點和規范要求及實際工程應用對力學性能［7］、工作性［8］及經濟性［9］的要求，三種影響因素的水平變化范圍如表。

因素的水平變化范圍 表3

1.4 RSM試驗設計

前文已經說明了RSM試驗中的BBD試驗設計相對于CCD試驗設計更適合鋼纖維聚合物混凝土耐磨性的試驗研究，根據表2中三種因素的變化范圍，應用design expert v8.0.6對BBD試驗進行設計，BBD試驗中的水泥用量為400kg/m3，鋼纖維增韌聚合物混凝土實際用水量為計算用水量減丁苯乳液中含水量，鋼纖維增韌聚合物混凝土的表觀密度為 2450kg/m3，因素水平如表3所示，BBD試驗設計如表4所示，+1代表高水平，0代表中間水平，-1代表低水平。

響應面分析法中的因素與水平表 表4

2 試驗結果分析

2.1 響應面分析法試驗方案的建立與結果分析

以鋼纖維體積率、聚合物乳液質量分數、水灰比為自變量，為使試驗結果更加精確和直觀，將試件試驗前后質量差作為響應值，試驗方案及結果見表5。

響應面實驗設計方案及結果 表5

試驗數據回歸分析 表6

2.2 試驗結果的統計學分析

表6中A代表鋼纖維體積率，B代表聚合物乳液質量分數，C代表水灰比。方差分析結果中模型方程的檢驗中p＜0.001表明回歸模型顯著，擬合程度高，有統計學意義，模型負相關系數為 99.65%，說明響應值有 99.65%來源于所選變量，擬合程度高。在各因素及因素之間交互作用的統計檢驗結果中：鋼纖維的體積率A、鋼纖維體積率的二次項A2、聚合物摻量的二次項B2、水灰比的二次項C2對響應值的作用都是極顯著的；鋼纖維體積率與聚合物乳液的質量分數的交互項AB對響應值是高度顯著的；聚合物乳液質量分數B、水灰比C、鋼纖維體積率與水灰比的交互項AC都是差異顯著的。單因素對于耐磨性的影響顯著性從大到小的順序為：鋼纖維體積率＞聚合物乳液摻量＞水灰比。失擬項0.0962＞0.05不顯著，表明擬合程度好。應用design expert v8.0.6軟件進行多元線性回歸，得到磨損量與各參數函數關系：

磨損量=37.24-4.89A-1.05B+0.99C-2.08AB +1.60AC-1.08BC+9.78A2+14.55B2+11.18C2

2.3 響應曲面分析

圖2 鋼纖維體積分數（A）及聚合物乳液質量分數（B）對磨損量影響響應面及等高線圖

圖3 鋼纖維體積分數（A）及水灰（C）比對磨損量影響響應面及等高線圖

圖4 聚合物乳液質量分數（B）及水灰比（C）對磨損量影響響應面及等高線圖

三維響應面圖中可直觀的分析出，各因素的交互作用對于響應值既磨損量的作用趨勢，AB、AC、BC對于響應值的作用都是在一定范圍內呈現先減小后增大的趨勢，形成了凹型曲面，證明在各因素的高低水平范圍內可以取到極值即磨損量最低值，直接證明了響應面試驗設計中各因素高低水平的選取是合理的。二維等高線中可直觀分析各因素之間交互作用的影響程度，越接近橢圓則交互作用越明顯，越接近正圓則交互作用越弱，AB、AC的二維等高線圖是明顯的橢圓，表明交互作用顯著，而BC的等高線則接近正圓交互作用不顯著［10］，這與統計學分析結果一致。

2.4 最優組合的確定與驗證

在利用design expert 8.0.6進行求解時應將影響因素的值設定為“in range”，響應值選取最小“minimize”，并設定為一個無法達到的下限例如“1”，求得最優解為：鋼纖維體積分數1.13%、聚合物乳液質量分數10.26%、水灰比0.40。模型預測磨損量為36.55g，實際驗證在此配合比下實測三組試件的平均磨損量為37.39g，與模型預測值相差2.30%，理論值與實際驗證值符合情況較好。

3 結 論

①三種因素對鋼纖維增韌聚合物混凝土耐磨性的影響的顯著性由大到小的順序為：鋼纖維體積率、聚合物乳液質量分數、水灰比。

②通過響應面試驗的統計學結果及響應面圖分析得出鋼纖維體積率與聚合物乳液質量分數、水灰比對于混凝土的耐磨性存在強烈的交互作用。

③利用響應面分析得到的模型方程求得最優組合：鋼纖維體積率 1.13%、聚合物乳液質量分數10.26%、水灰比0.40，實際值與模型預測值偏差較小，證明了響應面分析對于最優組合中參數的確定是準確的，對獲得耐磨性更好的混凝土配合比設計具有指導意義。

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［3］林曉峰，關恒，許金余.鋼纖維聚合物混凝土的試驗及其應用［J］.混凝土與水泥制品，2007（1）.

［4］王永菲，王成國.響應面法的理論與應用［J］.中央民族大學學報，2005，14（3）.

［5］JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程［S］.

［6］JTG/T F30-2014，公路水泥混凝土路面施工技術細則［S］.

［7］熊劍平.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究［D］.西安：長安大學，2005.

［8］梁乃興，曹源文，姚紅云.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究［J］.公路交通科技，2005，22（3）.

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［10］Karuppaiya M，Sasikumar E，Viruthagiri T，etal.Optimization of process conditions using response surface methodology（RSM）for ethanol production from waste cashew apple juice by Zymomonasmobilis.Asian Journal of Food and Agro-Industry，2010（3）.

TU502

A

1007-7359（2016）02-0247-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.088

黑龍江省交通廳科技項目（MJ20110034）。

楊林（1970-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授，研究方向：路面結構及材料。