基于田口方法的聚丙烯纖維增強混凝土高溫損傷后性能研究

張東華

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

摻雜聚丙烯纖維能夠有效抑制混凝土的收縮性能，提高其耐火性能，尤其是減少或消除混凝土歷經(jīng)高溫時的爆裂現(xiàn)象。但是，聚丙烯纖維對混凝土高溫后殘余力學(xué)性能的影響是否顯著還存在一定的爭議，對于聚丙烯纖維增強混凝土的高溫損傷性能的評價研究，也多集中在抗壓強度、質(zhì)量損失及動彈性模量等物理指標(biāo)的變化分析上面，利用無損檢測的方式對混凝土高溫損傷力學(xué)性能評價的報道尚不多見。

針對上述問題，在對高溫后混凝土殘余抗壓強度分析的基礎(chǔ)上，通過超聲波無損檢測的方式分析歷經(jīng)高溫前后混凝土試件超聲波速的變化，引入損傷指數(shù)指標(biāo)來初步評價其高溫損傷性能，以期為火災(zāi)后混凝土構(gòu)件性能劣化情況的快速檢測提供參考。同時，采用田口方法(Taguchi methods)設(shè)計試驗，引入信噪比(S/N)來降低不可控因素對試驗數(shù)據(jù)異變產(chǎn)生的影響，分析聚丙烯纖維摻量、溫度、養(yǎng)護齡期對混凝土高溫損傷性能的影響，旨在豐富發(fā)展聚丙烯纖維增強混凝土高溫性能的研究。

1 試驗與方法

1.1 原材料及混凝土配合比設(shè)計

水泥采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)滿足GB 175-2007的要求；選用Ⅱ級粉煤灰，主要成分為SiO2和Al2O3以及Fe2O3的褐灰色粉末；粗集料是粒徑為6～20 mm的普通碎石；細集料是細度模數(shù)為2.6的河砂；減水劑為山東產(chǎn)FDN-C型萘系高效減水劑；采用鹽城產(chǎn)束狀單絲聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber,PPF)，其密度為0.91 g/cm3，長度為19 mm，直徑為18 μm。聚丙烯纖維增強混凝土配合比設(shè)計如表1所示。

1.2 試驗方法

為了確定溫度對聚丙烯纖維增強混凝土性能的具體影響情況，試驗中采用L9(33)田口正交試驗設(shè)計方法，重點考察了PPF摻量(A)、溫度(B)和養(yǎng)護齡期(C)3個因素對混凝土性能的影響。每個因素選取3個水平，即PPF摻量為0.1%、0.2%和0.3%，溫度為400、600和800 ℃，養(yǎng)護齡期為7、14和28 d，共計9組試驗，其因素與水平設(shè)計表如表2所示。

表2 因素與水平

采用強制攪拌機拌和摻雜聚丙烯纖維的混凝土基料，倒入模具成型并經(jīng)振動臺密實后，于室內(nèi)靜置24 h后脫模、編號，并立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護至指定齡期，取出后自然晾干，制備規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。然后將試塊置于箱式電阻爐中加熱，其溫度分別設(shè)定為400、600和800 ℃，升溫速率約為10 ℃/min，達到目標(biāo)溫度后恒溫處理1 h，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，試塊自然冷卻至室溫，進行抗壓強度試驗。

試驗中，還利用超聲波脈沖速率檢測裝置對混凝土升溫前后的內(nèi)部損傷情況進行探測，以期通過無損檢測的方式進一步表征混凝土升溫處理前后宏觀力學(xué)性能的變化。超聲波速(UPV)的主要原理是通過脈沖發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，通過發(fā)射和接收傳感器，測量信號的傳輸時間，進而計算脈沖信號在混凝土試塊中的超聲波速，通過超聲波速的大小來判斷混凝土試件的內(nèi)部損傷情況。

2 結(jié)果與討論

基于田口方法的聚丙烯纖維增強混凝土試驗設(shè)計及試驗結(jié)果如表3所示。相比正交試驗設(shè)計來說，田口方法引入信噪比(S/N)指標(biāo)來降低噪聲因子、誤差等不可控因素對試驗數(shù)據(jù)變異產(chǎn)生的影響，并以此作為試驗結(jié)果質(zhì)量特性的衡量指標(biāo)。根據(jù)衡量指標(biāo)的特性，S/N分為越大越好的望大特性、越小越好的望小特性和越接近目標(biāo)值越好的望目特性。該文中，以抗壓強度和超聲波速兩個具有望大特性的指標(biāo)來判斷混凝土性能的優(yōu)劣，望大特性的信噪比計算公式如式(1)所示：

(1)

式中:S/N為信噪比;N為試驗重復(fù)次數(shù)；Y為試驗觀測結(jié)果，即分別指此處的抗壓強度和超聲波速。

此外，文中利用Minitab 15.0軟件進行田口設(shè)計、方差分析、主效應(yīng)分析以及相關(guān)統(tǒng)計指標(biāo)的計算。

2.1 抗壓強度及超聲波速信噪比(s/n)分析

田口方法試驗結(jié)果見表3。

表3 田口方法試驗結(jié)果

由表3可知：經(jīng)高溫處理后，不同養(yǎng)護齡期聚丙烯纖維增強混凝土的抗壓強度為11.03～52.24 MPa，超聲波速為1.56～4.18 km/s。結(jié)合表3和式(1)，進一步分析可得聚丙烯纖維增強混凝土抗壓強度及超聲波速的信噪比響應(yīng)(表4)。

表4 混凝土抗壓強度及超聲波速信噪比響應(yīng)

由表4可知：影響聚丙烯纖維增強混凝土抗壓強度及超聲波速的3個因素的極差R由大到小的順序均為：B(溫度)>C(養(yǎng)護齡期)>A(PPF摻量)。在田口方法中，極差的大小反映了因素作用的強弱，說明溫度是損傷混凝土力學(xué)性能的主要影響因素，養(yǎng)護齡期次之，聚丙烯纖維摻量對其性能損傷的影響程度最弱。

聚丙烯纖維增強混凝土歷經(jīng)高溫后的殘余抗壓強度及超聲波速信噪比主效應(yīng)趨勢圖，如圖1、2所示。不難發(fā)現(xiàn)，各因子對混凝土抗壓強度及超聲波速指標(biāo)的影響規(guī)律基本一致。由圖1可知:混凝土的抗壓強度隨聚丙烯纖維摻量的增加而增加，但PPF摻量(A)對混凝土高溫損傷力學(xué)性能的影響程度遠低于溫度(B)和養(yǎng)護齡期(C)。表明盡管聚丙烯纖維的摻雜可以有效傳遞載荷且阻止混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展，但是由于聚丙烯纖維本身的熔點較低(約170 ℃)，當(dāng)混凝土試塊經(jīng)過400～800 ℃的高溫后，其內(nèi)部纖維基本溶解了，使得由纖維阻裂效應(yīng)帶來的力學(xué)性能的改善作用并不明顯。

圖1 抗壓強度的信噪比主效應(yīng)趨勢圖

圖2 超聲波速的信噪比主效應(yīng)趨勢圖

隨著溫度的升高，混凝土抗壓強度的信噪比顯著降低。當(dāng)溫度為400 ℃時，混凝土試塊的表觀顏色逐漸變淺，表面存在些許輕微的裂紋；當(dāng)溫度升高到800 ℃時，試塊表面呈現(xiàn)淺灰白色，裂紋數(shù)量及寬度顯著增加。前人研究結(jié)果顯示：400 ℃時，水泥漿體中的水化硅酸鈣(C-S-H)等水化產(chǎn)物開始逐漸脫水，溫度進一步升高時，空隙水含量降低，骨料與水泥漿體之間的縫隙增大，當(dāng)溫度上升至800 ℃時，其宏觀破壞現(xiàn)象顯著，力學(xué)性能明顯降低。表明混凝土力學(xué)性能的顯著降低主要歸因于溫度升高，混凝土中的吸附水、毛細水、結(jié)晶水等逐漸喪失，使得原本均勻密實的水化產(chǎn)物分層并使微裂紋增大且漸至貫通，最終顯著損傷了混凝土的力學(xué)性能。由圖1還可知：養(yǎng)護齡期的延長，混凝土抗壓強度的信噪比逐漸升高，表明隨著養(yǎng)護時間的增加，水化反應(yīng)進行得更加徹底，水化產(chǎn)物也更加致密化，進而可以在一定程度上影響混凝土的高溫損傷性能。

綜合信噪比的分析可得最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3B1C3，即當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.3%、溫度為400 ℃、養(yǎng)護齡期為28 d時，混凝土的力學(xué)性能損傷程度最低。

2.2 抗壓強度及超聲波速方差分析

為進一步評估各因素對聚丙烯纖維增強混凝土抗壓強度及超聲波速的影響程度，對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，并得出各個因子的貢獻度。表5為基于信噪比方差分析的各個因子對混凝土抗壓強度及超聲波速變化影響的顯著性及貢獻率。

表5 混凝土抗壓強度及超聲波速方差分析

由表5可知：除PPF摻量外，溫度、養(yǎng)護齡期對混凝土殘余抗壓強度及超聲波速的影響均是顯著的，其P值均低于0.05，即在95%的置信區(qū)間上顯著。其中，溫度對于混凝土抗壓強度的影響極為顯著，其P值為0.005，低于0.01，即在99%的置信區(qū)間上顯著。從因子貢獻率來看，各變量對于混凝土損傷性能影響的貢獻程度也有較大差距。對于抗壓強度來說，PPF摻量、溫度和養(yǎng)護齡期的貢獻率分別為3.91%、82.60%和13.09%；對于超聲波速來說，3個因素的貢獻率分別為2.80%、62.18%和34.32%。其影響程度的強弱與前文中S/N分析結(jié)果一致，均表明溫度是損傷混凝土力學(xué)性能的最顯著因素。

2.3 高溫損傷指數(shù)分析

隨著混凝土性能的劣化，其結(jié)構(gòu)隨時間的變化反映為脈沖速度的降低。試驗中明顯發(fā)現(xiàn)，高溫損傷后的混凝土試塊的超聲波速要低于歷經(jīng)高溫處理前的超聲波速。脈沖速度的降低意味著傳輸時間的延長，即其所通過的路徑更長，表明了內(nèi)部裂縫增多。通過對高溫損傷前后混凝土試塊超聲波速變化的檢測，引入高溫損傷指數(shù)(DamageIndex,DI)指標(biāo)來定量/半定量衡量溫度對混凝土的損傷情況，其計算公式如下：

DI=1-vdamage/vinitial

(2)

式中：vinitial、vdamage分別為初始未經(jīng)溫度損壞、高溫損傷后的超聲波速。

另外，還將高溫損傷后的混凝土試塊浸漬在乙酸乙烯酯單體溶液中24 h，初步探討了高溫損傷后混凝土試件補強和性能修復(fù)的措施。圖3為高溫損傷后浸漬和未浸漬聚合物溶液聚丙烯纖維增強混凝土的高溫損傷指數(shù)?；炷两?jīng)過高溫損傷后的損傷指數(shù)為0.15～0.80，以N7(A3B1C3)為例，其損傷指數(shù)為0.15，表明高溫對混凝土性能的劣化影響程度為15%；而N9(A3B3C3)的損傷指數(shù)為0.80，說明混凝土試塊80%的部分受到了破壞。浸漬乙酸乙烯酯單體溶液后，一方面其損傷指數(shù)有所降低，為0.12～0.78，表明浸漬聚合物溶液可以在一定程度上修復(fù)高溫對混凝土性能造成的損傷；另一方面，浸漬聚合物溶液對編號為N2、N5和N8修復(fù)效果要優(yōu)于編號為N3、N6和N9的混凝土試塊，即對600 ℃高溫處理的修復(fù)效果優(yōu)于800 ℃。浸漬聚合物之所以能夠降低混凝土的高溫損傷度，可能是因為浸漬的乙酸乙烯酯單體溶液填補了混凝土基材中的許多孔隙和裂縫，再次強化了水泥/砂石結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)，聚合物和水泥之間形成了互相貫穿的三維結(jié)構(gòu)，從而有助于修復(fù)高溫后的混凝土性能。

圖3 高溫損傷后浸漬和未浸漬聚合物溶液

3 結(jié)論

(1) 信噪比分析顯示最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C3，即PPF摻量為0.3%、溫度為400 ℃、養(yǎng)護齡期28 d時，混凝土的殘余性能最佳。此時，其殘余抗壓強度為52.24 MPa、超聲波速為4.18 km/s、高溫損傷指數(shù)為0.15。

(2) 隨著溫度的升高，混凝土損傷后的殘余抗壓強度逐漸降低，超聲波速亦顯著減小。方差分析表明：除PPF摻量外，溫度和養(yǎng)護齡期對聚丙纖維增強混凝土高溫損傷性能的影響均是顯著的，其中溫度是影響混凝土高溫損傷后殘余抗壓強度和超聲波速的最主要因素(貢獻率分別達到82.60%和62.18%)。

(3) 浸漬聚合物溶液可以在一定程度上降低聚丙烯纖維增強混凝土的損傷指數(shù)，為經(jīng)歷高溫損傷的混凝土構(gòu)件的性能修復(fù)提供初步參考。