外加劑對(duì)聚丙烯噴射混凝土強(qiáng)度的影響

王連廣，王迎港，李 雪，陳 曦

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

纖維混凝土能夠克服傳統(tǒng)混凝土抗拉強(qiáng)度低、延性差、易開裂等缺點(diǎn)。在眾多纖維中，聚丙烯纖維(PPF)具有延性好、成本低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。PPF的長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比和摻量等均存在合適范圍，超出合適范圍后會(huì)造成強(qiáng)度損失[2-3]。PPF的摻入提高了混凝土構(gòu)件的能量吸收能力，使構(gòu)件擁有更好的動(dòng)力性能[4]。此外，聚丙烯纖維混凝土耐腐蝕性強(qiáng)，可降低離子滲透程度，腐蝕環(huán)境下強(qiáng)度劣化緩慢，并且可以減少凍融循環(huán)等非荷載因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而提高其耐久性[5-7]。由于PPF可制成多種復(fù)合材料[8]，且能與其他纖維協(xié)同作用，目前在制備再生混凝土[9-10]、輕質(zhì)混凝土[11-12]以及混雜纖維混凝土[13]等方面也有良好的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外許多專家、學(xué)者們聚丙烯噴射混凝土的骨料級(jí)配、纖維長(zhǎng)度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、纖維分散程度和水灰比等[14-15]進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)高效外加劑對(duì)其性能影響的研究較少。筆者以減水劑、速凝劑和膨脹劑的摻量為變量，通過比較混凝土的坍落度和強(qiáng)度，得到外加劑的合理取值，使混凝土在整個(gè)使用周期內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和和易性。通過多項(xiàng)式擬合預(yù)測(cè)速凝劑和減水劑摻量對(duì)聚丙烯噴射混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

聚丙烯纖維為單絲纖維，主要性能如表1所示。水泥為普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為I級(jí)粉煤灰,膠凝材料主要成分如表2所示。粗骨料為碎石，粒徑5～12 mm。水為自來水。細(xì)骨料采用II區(qū)潔凈中砂，細(xì)度模數(shù)2.4。外加劑使用粉末低堿速凝劑、硫鋁酸鈣類(CSA)膨脹劑、減水率為30%的聚羧酸減水劑以及混凝土憎水劑。

表1 聚丙烯纖維主要性能Table 1Main properties of polypropylene fiber

表2 膠凝材料主要成分Table 2Main composition of binder materials %

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

每種外加劑共設(shè)置4個(gè)梯度變量。速凝劑分別為膠凝材料質(zhì)量的0、2%、4%、6%；減水劑分別為膠凝材料質(zhì)量的0、0.3%、0.5%、0.7%；膨脹劑分別為膠凝材料質(zhì)量的0、4%、6%、8%；憎水劑用量為2%?；炷僚浜媳葹椋荷?80 kg，石720 kg，水泥427 kg，水230 kg，粉煤灰72 kg。單摻聚丙烯細(xì)纖維摻量超過0.9 kg/m3,不大于1.1 kg/m3時(shí)，纖維提供的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大，每立方米混凝土放入1 kg聚丙烯纖維[14]。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

先按配合比稱重，再將膠凝材料和骨料放入攪拌機(jī)，進(jìn)行干拌，倒入外加劑和水，攪拌2 min，最后加入PPF。攪拌直至PPF無聚團(tuán)現(xiàn)象，均勻散布在拌合物之中，停止攪拌，澆入模具，振搗密實(shí)。3 h后拆模養(yǎng)護(hù)，做好標(biāo)識(shí)。所有混凝土試件為邊長(zhǎng)100 mm的正方體，每次抗壓和抗拉試驗(yàn)使用3塊，共計(jì)270塊。坍落度和強(qiáng)度試驗(yàn)，分別參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080—2016)》和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2016)》進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同減水劑和速凝劑摻量下，聚丙烯噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。存在減水劑、速凝劑的環(huán)境下，加入膨脹劑，聚丙烯噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 減水劑和速凝劑對(duì)強(qiáng)度的影響Table 3Influence of water reducing agent and accelerating agent on strength

表4 膨脹劑對(duì)強(qiáng)度的影響Table 4Influence of expansion agent on strength

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 速凝劑的影響

對(duì)比試件SJ2、SJ3、SJ4和SJ5，保持減水劑摻量不變，速凝劑摻量分別為0、2%、4%和6%的情況下，聚丙烯噴射混凝土坍落度無明顯改變。各組混凝土試件的強(qiáng)度變化如圖1所示。

圖1 速凝劑對(duì)聚丙烯噴射混凝土強(qiáng)度的影響Fig.1Influence of accelerator on the strength of polypropylene sprayed concrete

由圖1可以看出，隨著速凝劑摻量的增加，早期強(qiáng)度值明顯上升，這是由于水化產(chǎn)物水化硫鋁酸鈣黏結(jié)在一起形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；超過一定摻量后，強(qiáng)度出現(xiàn)下降，這是由于混凝土凝結(jié)過快，使內(nèi)部孔隙變多，密實(shí)度下降。養(yǎng)護(hù)齡期1 d時(shí)，SJ2的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為4 MPa和0.67 MPa。相比SJ2的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，SJ3的強(qiáng)度分別提高18%、2%，SJ4強(qiáng)度分別提高 79%、78%，SJ5強(qiáng)度分別提高20%、27%?？梢钥闯?，速凝劑的摻量為4%時(shí)，混凝土的早期強(qiáng)度最高，增加了80%左右。

混凝土的后期強(qiáng)度隨速凝劑摻量的增加逐漸下降。28d時(shí)，對(duì)比SJ2的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，SJ3的強(qiáng)度分別下降 9%、4%，SJ4強(qiáng)度分別下降 12%、6%，SJ5強(qiáng)度分別下降 27%、8%?？梢娝倌齽┑膿搅繛?%時(shí)，混凝土后期強(qiáng)度較高，僅下降10%左右，滿足使用要求。

為了保證施工安全，同時(shí)具有較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，聚丙烯噴射混凝土中速凝劑的最佳摻量為4%。

2.2.2 減水劑的影響

由表3可知，隨著減水劑摻量的增加，坍落度從175 mm增大至225 mm，《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T372—2016)要求噴射混凝土坍落度為80～200 mm。在摻入0.7%減水劑時(shí)坍落度達(dá)到了225 mm,有少量水泌出。其他摻量情況下，混凝土均擁有很好的和易性。對(duì)比SJ4、SJ6、SJ7和SJ8，保持速凝劑摻量不變，減水劑摻量分別取0、2%、4%和6%，不同齡期聚丙烯噴射混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 減水劑對(duì)聚丙烯噴射混凝土強(qiáng)度的影響Fig.2Influence of water reducer on the strength of polypropylene sprayed concrete

由圖2(a)可以看出，速凝劑摻量不變，減水劑摻量分別為0、0.3%、0.5%、0.7%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)。當(dāng)減水劑摻量較小時(shí)，由于達(dá)不到改性效果，各齡期混凝土強(qiáng)度明顯降低；合適摻量的聚羧酸減水劑會(huì)產(chǎn)生靜電排斥作用和空間位阻效應(yīng)，防止顆粒聚團(tuán)，促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，改善了孔隙結(jié)構(gòu)，使微顆?？臻g排列緊湊，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度[15-17]；當(dāng)摻量過大時(shí)，減水劑破壞了內(nèi)部水泥顆粒和骨料之間的聯(lián)系，使新拌混凝土出現(xiàn)離析，挾裹著砂的水泥漿液流出，致使粗細(xì)骨料之間不能協(xié)調(diào)作用，導(dǎo)致強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的下降。

由圖2(b)可以看出，抗拉強(qiáng)度也出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。1 d時(shí)，與SJ4抗拉強(qiáng)度相比，SJ7和SJ8分別減小了22%、47%;28 d時(shí)，SJ7和SJ8分別下降23%、24%。

為保證有較好流動(dòng)性，且具有較高早期、后期強(qiáng)度，聚丙烯纖維噴射混凝土宜選用0.5%摻量的減水劑。

2.2.3 膨脹劑的影響

通過對(duì)比P1(SJ4)、P3、SJ6和P5的強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，在只有減水劑的環(huán)境中，添加膨脹劑，可使混凝土28 d抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高12%和4%。在只有速凝劑的環(huán)境中，添加膨脹劑，可使混凝土28 d抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有小幅度提高，約為5%?？梢?，膨脹劑可以與速凝劑、減水劑共同作用。隨著膨脹劑的摻入，噴射混凝土坍落度有所降低，但仍滿足工作要求。因此，減水劑和速凝劑的最優(yōu)用量分別為0.5%和4%。在此條件下，更改膨脹劑用量，檢測(cè)觀察試件強(qiáng)度變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 膨脹劑對(duì)聚丙烯噴射混凝土強(qiáng)度的影響Fig.3Influence of expansive agent on the strength of polypropylene sprayed concrete

由圖3(a)可知，隨著膨脹劑用量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度有明顯變化，呈緩慢上升的趨勢(shì)。這是由于膨脹劑的化學(xué)成分參與到水化反應(yīng)當(dāng)中，生成了鈣礬石晶體。這些晶體在混凝土內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。此外，這些晶體附著在纖維表面，增強(qiáng)了纖維附著力，提高了纖維的抗拔出能力，并抵消了部分收縮應(yīng)力，使微觀結(jié)構(gòu)的空隙減少，從而提高了抗壓強(qiáng)度[18]。以P1的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，在7 d時(shí)， P2、P3和P4分別增長(zhǎng)了4%、7%和12%;在28 d時(shí)分別增長(zhǎng)了 2%、10%和9%。由圖3(b)可見，對(duì)于28 d的抗拉強(qiáng)度，膨脹劑提高的不是很明顯，最多提高不超過0.2 MPa。

過量的膨脹劑不會(huì)使抗壓強(qiáng)度繼續(xù)上升，反而呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著膨脹程度的增大，混凝土內(nèi)部會(huì)有微裂縫產(chǎn)生，反而減低了強(qiáng)度[19]。因此，為了擁有較高的前期和后期抗壓抗拉強(qiáng)度，CSA膨脹劑的推薦摻量為6%。

3 噴射混凝土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型

3.1 噴射混凝土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法

王家濱等[20]利用最小二乘法，以水灰比、纖維摻量和粉煤灰摻量為變量，建立了噴射混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，通過擬合的方法確定未知參數(shù)，具有較好的強(qiáng)度預(yù)測(cè)功能。在此方法基礎(chǔ)上，筆者采用麥夸特法。為了減少局部誤差引起的預(yù)測(cè)結(jié)果失真，迭代過程中結(jié)合通用全局優(yōu)化法，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。在纖維用量、骨料級(jí)配以及粉煤灰摻量等其他影響因素不變情況下，改變速凝劑和減水劑摻量，將表3中速凝劑、減水劑摻量和28 d抗壓強(qiáng)度值輸入多元非線性曲線擬合軟件1stOpt進(jìn)行擬合。在擬合過程中有600多組函數(shù)參與，擬合后根據(jù)各函數(shù)特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)特性，從中挑選最為合適的曲線。為保證擬合函數(shù)拐點(diǎn)數(shù)目與試驗(yàn)結(jié)果圖像相同，宜選用多項(xiàng)式函數(shù)。當(dāng)選用高次方擬合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)效果圖尖銳，自變量對(duì)結(jié)果影響過大，不符合實(shí)際情況，可信度低；當(dāng)選用3次方擬合時(shí)，滿足要求。選擇3次方的多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合，收斂判斷次數(shù)為15次。

3.2 擬合式參數(shù)含義

由圖1和圖2可以看出，28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律相似，因此兩者采用相同的擬合方法。

噴射混凝土28d抗壓強(qiáng)度擬合式為

Z=P1+P2·x+P3·x2+P4·x3+P5·y+P6·y2+P7·y3.

(1)

噴射混凝土28 d抗拉強(qiáng)度擬合式為

Z′=P′1+P′2·x+P′3·x2+P′4·x3+P′5·y+

P′6·y2+P′7·y3.

(2)

式中：Z和Z′分別為28 d抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;x和y分別為速凝劑和減水劑摻量,%;Pi和P′i為待求系數(shù)。

將表3中速凝劑、減水劑的摻量和28 d抗壓強(qiáng)度值代入式(1)和式(2)，待求系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示?；炷翉?qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果如表6所示。

表5 待求系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 5Calculation results of coefficients

表6 混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果Table 6Prediction results of the strength of concrete

3.3 擬合結(jié)果分析

圖4為擬合函數(shù)的三維圖像，圖中x軸為速凝劑摻量，y軸為減水劑摻量，z軸為28 d抗壓強(qiáng)度。

圖4 抗壓強(qiáng)度擬合結(jié)果Fig.4Numerical fitting results of compressive strength

分析擬合函數(shù)Z的待求系數(shù)，P6和P7的數(shù)量級(jí)相對(duì)于P3和P4較大，這是因?yàn)闇p水劑和速凝劑的摻量相差近10倍，屬于正常現(xiàn)象。分析Z′的未知數(shù)結(jié)果，可以看出P′2、P′3和P′4數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)小于P′5、P′6和P′7，說明速凝劑對(duì)于28 d抗拉強(qiáng)度影響較小，且P′3和P′4趨近于0，說明隨著速凝劑摻量的增加，28 d抗拉強(qiáng)度具有單調(diào)遞減的趨勢(shì)。擬合曲線趨勢(shì)與試驗(yàn)的數(shù)值趨勢(shì)相符合。

根據(jù)函數(shù)Z的所有試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值作差的平方和，求出均方根誤差RMSE=0.38，決定系數(shù)DC=0.978。同理可以求出，函數(shù)Z′的RMSE=0.26,DC=0.995。函數(shù)Z和Z′擬合曲線的決定系數(shù)均高于0.975，各點(diǎn)誤差較小，擬合結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)較吻合，可以較好地預(yù)測(cè)聚丙烯噴射混凝土的力學(xué)性能，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

根據(jù)28 d抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)函數(shù)Z，求出Z最大時(shí)，x值為3.51，y值為0.55，即預(yù)測(cè)出速凝劑最優(yōu)用量為3.51%，試驗(yàn)獲得最優(yōu)用量為4%，相差0.49%；預(yù)測(cè)減水劑的最優(yōu)用量為0.55%，試驗(yàn)獲得最優(yōu)用量為0.5%，相差0.05%。根據(jù)28 d抗拉強(qiáng)度擬合曲線Z′的表達(dá)式，可知不添加速凝劑和減水劑的情況下，抗拉強(qiáng)度最高。在使用減少劑的情況下，求出Z′最大時(shí)，y值為0.54，即預(yù)測(cè)減水劑的最優(yōu)用量為0.54%，試驗(yàn)獲得最優(yōu)用量為0.5%，相差0.04%。速凝劑和減水劑的預(yù)測(cè)最優(yōu)摻量與實(shí)測(cè)最優(yōu)摻量非常接近，實(shí)測(cè)最優(yōu)摻量的可靠性較高。

4 工程應(yīng)用

在遼寧省本溪市高速公路某隧道邊墻處，由于二襯砌背后有水侵入，且防排水措施失效，出現(xiàn)施工縫漏水和路面結(jié)冰。在夏季，進(jìn)行開槽處理，重新修建防排水措施后，采用聚丙烯噴射混凝土進(jìn)行修復(fù)，配合比參照本試驗(yàn)，摻入了0.5%聚羧酸減水劑、4%速凝劑和6%的CSA膨脹劑。施工過程中，噴射聚丙烯混凝土工作性良好，噴層與初期支護(hù)混凝土密貼。后期檢測(cè)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到28.3 MPa以上，無脫落滲水現(xiàn)象，符合工程修復(fù)要求。

5 結(jié) 論

(1)隨著速凝劑摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，而后期強(qiáng)度緩慢下降。低堿粉末狀速凝劑的適宜摻量為4%，可提高混凝土早期強(qiáng)度80%左右，后期強(qiáng)度可達(dá)到空白樣的87.5%以上。

(2)隨著減水劑摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均呈先下降后增加再下降的趨勢(shì)。聚羧酸減水劑的適宜摻量為0.5%，相比0.3%和0.7%的摻量可以提高9%的抗壓強(qiáng)度和29%的抗拉強(qiáng)度，且具有良好的和易性。

(3)隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈緩慢上升的趨勢(shì)，而抗拉強(qiáng)度提升不明顯。膨脹劑適宜摻量為6%時(shí)，可提高混凝土后期抗壓強(qiáng)度約2.8 MPa。

(4)在纖維用量、骨料級(jí)配以及粉煤灰摻量等其他影響因素不變情況下，僅對(duì)速凝劑和減水劑摻量進(jìn)行改變，混凝土28 d強(qiáng)度可采用多項(xiàng)式曲線預(yù)測(cè)，且合適次數(shù)為三次。該函數(shù)可以較好地預(yù)測(cè)聚丙烯噴射混凝土的力學(xué)性能，并對(duì)速凝劑和減水劑的摻量有指導(dǎo)意義。