聚合物乳胶粉改性碳纤维增强混凝土的配合比设计.pdf

第2 4卷 第5期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.52 0 2 3年1 0月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YO c t.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 5基金项目:国家自然科学基金(5 2 2 7 8 2 8 7)作者简介:秦立军(2 0 0 0-),男,河北衡水人,硕士生,研究方向为防护工程材料动态力学性能。E-m a i l:1 7 5 3 1 8 9 6 0 4 91 6 3.c o m通信作者:白二雷(1 9 7 9-),男,陕西西安人,副教授,博士,研究方向为防护工程。E-m a i l:b w x k g y 1 6 3.c o m引用格式:秦立军,白二雷,王志航,等.聚合物乳胶粉改性碳纤维增强混凝土的配合比设计J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(5):1 0 2-1 1 0.Q I N L i j u n,B A I E r l e i,WAN G Z h i h a n g,e t a l.M i x P r o p o r t i o n D e s i g n o f P o l y m e r M o d i f i e d C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e sJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(5):1 0 2-1 1 0.聚合物乳胶粉改性碳纤维增强混凝土的配合比设计秦立军1,白二雷1,*,王志航1,夏 伟1,杨 宁2(1.空军工程大学航空工程学院,西安,7 1 0 0 3 8;2.7 5 8 4 0 部队,广州,5 1 0 0 0 0)摘要 为提高碳纤维在混凝土中的分散性,利用可再分散聚合物乳胶粉与短切碳纤维对混凝土进行复合改性,运用正交试验方法,基于L9(43)正交试验表,设计两批1 8(29)组聚合物乳胶粉-碳纤维复合改性混凝土(P M C F R C)的坍落度、2 8 d抗压强度及纤维分散性检测试验。第1批正交试验研究了水灰比、聚合物掺量、碳纤维掺量对P M C F R C性能的影响,第2批正交试验研究了分散剂种类、分散剂掺量、减水剂掺量对P M C F R C性能的影响,获得P M C F R C的坍落度、抗压强度、电阻率等基本参数,并利用极差和方差分析方法,研究各因素的主次顺序,分析其是否影响显著,基于此寻找出P M C F R C最优配合比。结果表明:第1批正交试验中,对于坍落度、电阻率以及电阻率变动系数,碳纤维掺量为显著因素;对于2 8 d抗压强度,水灰比为显著因素;第2批正交试验中,对于坍落度和2 8 d抗压强度,减水剂掺量为显著因素;对于电阻率和电阻率变动系数,分散剂掺量为显著因素。P M C F R C最佳配合比为:水灰比0.4 9,聚合物掺量1 2%,碳纤维掺量0.3%,砂率3 4%,分散剂选用羟乙基纤维素,分散剂掺量0.4%,减水剂掺量1.2%,消泡剂掺量0.3%。关键词 聚合物乳胶粉;碳纤维;复合改性;配合比设计D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 5.0 1 3中图分类号 T B 3 3 2 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 5-0 1 0 2-0 9M i x P r o p o r t i o n D e s i g n o f P o l y m e r M o d i f i e d C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e sQ I N L i j u n1,B A I E r l e i1,*,WANG Z h i h a n g1,X I A W e i1,YANG N i n g2(1.A v i a t i o n E n g i n e e r i n g S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 3 8,C h i n a;2.U n i t 7 5 8 4 0,G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T o i m p r o v e t h e d i s p e r s i o n o f c a r b o n f i b e r i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e,u s i n g r e d i s p e r s i b l e p o l y-m e r l a t e x p o w d e r a n d s h o r t c u t c a r b o n f i b e r s f o r c o m p o s i t e m o d i f i c a t i o n o f c o n c r e t e,t w o b a t c h e s o f 1 8(29)g r o u p s o f p o l y m e r l a t e x p o w d e r-c a r b o n f i b e r c o m p o s i t e m o d i f i e d c o n c r e t e(P M C F R C)w e r e d e s i g n e d b a s e d o n t h e L9(43)o r t h o g o n a l t e s t t a b l e f o r t h e s l u m p,2 8 d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d f i b e r d i s p e r s i o n.T h e f i r s t b a t c h o f o r-t h o g o n a l t e s t e d i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t s o f w a t e r-c e m e n t r a t i o,p o l y m e r a d m i x t u r e a n d c a r b o n f i b e r a d m i x t u r e o n t h e p e r f o r m a n c e o f P M C F R C.T h e s e c o n d b a t c h o f o r t h o g o n a l t e s t e d i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t s o f d i s p e r s a n t t y p e,d i s p e r s a n t a d m i x t u r e a n d w a t e r-r e d u c i n g a g e n t a d m i x t u r e o n t h e p e r f o r m a n c e o f P M C F R C,o b t a i n e d t h e b a s i c p a-r a m e t e r s o f t h e s l u m p,c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d r e s i s t i v i t y o f P M C F R C,a n d u s e d t h e e x t r e m e d i f f e r e n c e a n d A N O V A m e t h o d s r e s p e c t i v e l y,t h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r y o r d e r o f e a c h f a c t o r w a s s t u d i e d t o a n a l y z e w h e t h e r t h e i r e f f e c t s w e r e s i g n i f i c a n t o r n o t,b a s e d o n w h i c h t h e o p t i m a l m i x r a t i o o f P M C F R C w a s f o u n d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n t h e f i r s t b a t c h o f o r t h o g o n a l t e s t s,f o r t h e s l u m p,r e s i s t i v i t y a n d r e s i s t i v i t y c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n,t h e a m o u n t o f c a r b o n f i b e r a d m i x t u r e i s s i g n i f i c a n t f a c t o r;f o r 2 8 d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h,t h e w a t e r-c e m e n t r a t i o i s s i g n i f i c a n t f a c t o r;i n t h e s e c o n d b a t c h o f o r t h o g o n a l t e s t s,f o r s l u m p a n d 2 8 d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h,t h e a m o u n t o f w a t e r-r e d u c i n g a g e n t a d m i x t u r e i s s i g n i f i c a n t f a c t o r;f o r r e s i s t i v i t y a n d r e s i s t i v i t y c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n,t h e a-m o u n t o f d i s p e r s a n t a d m i x t u r e i s s i g n i f i c a n t f a c t o r.T h e o p t i m u m r a t i o o f P M C F R C i s 0.4 9 w a t e r/c e m e n t r a t i o,1 2%p o l y m e r,0.3%c a r b o n f i b e r,3 4%s a n d r a t e,0.4%h y d r o x y e t h y l c e l l u l o s e a s d i s p e r s a n t,1.2%w a t e r r e d u c-i n g a g e n t a n d 0.3%d e f o a m e r.K e y w o r d s s y n t h e s i s p o l y m e r l a t e x p o w d e r;c a r b o n f i b e r;c o m p o s i t e m o d i f i c a t i o n;c o m p o u n d r a t i o d e s i g n 因传统混凝土存在抗冲击性能差、抗拉强度低、易发生脆性破坏等缺陷,导致其在工程应用中受到一定限制。为改善这些缺陷,2 0世纪7 0年代,有学者提出利用纤维改善基体脆性的途径1。国内外学者针对钢纤维、玄武岩纤维、碳纤维等改性混凝土的性能进行了大量研究,取得了较好的效果2-6。其中,碳纤维在混凝土基体中既能作为复合材料的一部分承担荷载,又能作为功能性填料发挥作用。碳纤维增强混凝土既有良好的力学性能,又有优异的电磁特性,显示出巨大的工程应用潜力7-8。目前,关于碳纤维增强混凝土静动态力学性能和耐久性的研究已取得丰富成果,但也发现碳纤维在混凝土基体中的作用并没有得到充分发挥9-1 3。刘玉娟等1 4研究了短切碳纤维分散性对混凝土力学性能的影响,指出纤维与混凝土基体间存在明显缺陷,混凝土在破坏时,多数纤维被拔出。师海霞等1 5研究了不同性质的苯丙乳液改性混凝土的工作性能和力学性能,并采用扫描电镜观察了其微观结构,结果表明,聚合物乳液通过影响聚合物成膜对混凝土力学性能产生较大影响,能够显著改善混凝土的和易性,并起到一定的减水作用。杨建森等1 6研究了可再分散醋酸乙烯(v i n y l a c e t a t e e t h y l e n e,VA E)乳胶粉改性混凝土的力学性能,结果表明,掺加聚合物乳胶粉可以有效改善聚合物改性混凝土(p o l y m e r m o d i f i e d c o n c r e t e,PMC)的力学性能,但不能单纯依靠增加乳胶粉掺量改善PMC性能。王志航等1 7研究了聚合物改性碳纤维增强混凝土的动态压缩力学性能,结果表明,在碳纤维增强混凝土中加入聚合物,一方面可以发挥聚合物的改性效果,另一方面能进一步改善碳纤维在混凝土中的分散性,从而综合呈现出聚合物-纤维复合改性效果。然而,聚合物乳胶粉-碳纤维复合改性混凝土(p o l y m e r m o d i f i e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e,P M C F R C)的性能主要受水灰比、聚合物掺量、碳纤维掺量及助剂种类和掺量等因素影响,且各因素间交互作用尚不明确。鉴于以上问题,本研究通过采用正交设计的试验方法进行P M C F R C配合比设计,选取坍落度、2 8 d抗压强度、电阻率、电阻率变动系数作为混凝土配合比研究的试验指标。由于配合比研究涉及的因素较多且相互之间具有耦合作用,为提高试验效率,减少试验量,增强试验数据的可读性,采用分批正交试验方法设计试验,通过对正交试验结果进行极差分析和方差分析,研究各因素的影响程度,并确定P M C F R C配合比设计优化方案。1 实验1.1 实验原材料原材料包括水泥、砂、石、水、可再分散聚合物乳胶粉、碳纤维、分散剂、减水剂、消泡剂和成膜助剂。水泥:4 2.5级普通硅酸盐水泥,陕西尧柏水泥有限公司;砂:灞河中砂;石:52 0 mm的石灰岩碎石;水:洁净的普通自来水;可再分散聚合物乳胶粉:V I NNA P A S5 0 4 4 N德国瓦克公司;碳纤维:P AN基短切碳纤维,日本东丽公司;分散剂:羟乙基纤维素分散剂(HE C)、甲基纤维素分散剂(MC)、羧甲基纤维素分散剂(CMC),山东省济宁市济宁百川化工有限公司;减水剂:S TH P C-0 3 A型F D N高效减水剂母液,河北圣通建材科技有限公司;消泡剂:NO P C ON X Z型金属皂类消泡剂,日本诺普科公司;成膜助剂:D N-1 2型成膜助剂,江苏天音化工有限公司。聚合物乳胶粉、碳纤维分别如图1和图2所示,主要性能指标见表1和表2。图1 可再分散聚合物乳胶粉图2 短切碳纤维301第5期 秦立军,等:聚合物乳胶粉改性碳纤维增强混凝土的配合比设计表1 聚合物乳胶粉的主要性能指标外观固含量/%灰分/%容积密度/(g/c m3)颗粒尺寸/m玻璃化温度/最低成膜温度/白色粉末9 91 320.4 00.5 5 1700表2 碳纤维的主要性能指标直径/m 长度/mm含碳量/w t%相对密度/(g/c m3)拉伸模量/G P a抗拉强度/G P a断裂伸长率/%电阻率/(mm)70.269 31.7 62 2 02 4 03.01.2 51.6 01.51 0-21.2 试件制备根据 混凝土物理力学性能试验方法1 8(G B/T 5 0 0 8 1-2 0 1 9),试件的制备分为称料、纤维分散、聚合物分散、拌合、成型和养护6个步骤,具体制备流程为:称料,使用电子秤称取原料。纤维分散,将称量好的自来水装入分散操作的容器中,使用D-8 4 0 1W型 高 速 电 动 搅 拌 机 进 行 低 速 搅 拌(1 2 0 r/m i n),搅拌过程中缓慢掺入分散剂,形成均匀凝胶后缓慢加入碳纤维并搅拌1 0 m i n;碳纤维均匀分散并成单丝状态后,添加减水剂、成膜助剂和部分消泡剂继续搅拌6 0 s,制成碳纤维分散液。聚合物分散,人工搅拌可再分散聚合物乳胶粉与水泥至均匀分散,制得聚合物乳胶粉与水泥的混合粉体。拌合,将细集料和一半碳纤维分散液倒入搅拌机搅拌 6 0 s,加入粗集料搅拌 6 0 s,加入聚合物乳胶粉与水泥的混合粉体搅拌6 0 s,加入剩余碳纤维分散液搅拌6 0 s,加入剩余消泡剂搅拌1 2 0 s,将混合物从搅拌机中及时倒出并人工翻拌6 0 s。成型。养护。1.3 试验方法良好的工作性能及静态力学性能是混凝土在实际施工、使用过程中应满足的两项基本性能,本研究主要从原料种类和配比参数两方面考虑其对PMC-F R C基础配合比设计的影响。配比参数是基础配合比的研究重点,本文主要研究水灰比、聚合物掺量、碳纤维掺量以及分散剂和减水剂掺量对PMC-F R C性能的影响。在原料种类研究中,选取3种使用较广的碳纤维分散剂进行试验,暂不考虑水泥、聚合物以及其他助剂种类对PMC F R C性能的影响。由于配合比研究考虑的因素较多,采用分批正交试验的方法,拆分正交表,将研究的因素分为2批,分开进行试验研究。具体试验方案如下:第1批试验:选取水灰比、聚合物掺量、碳纤维掺量作为正交试验因素,根据前期研究结果选取各试验因素的水平,设计四因素三水平正交试验。各正交试验因素具体水平选取情况见表3,其中砂率取3 4%,分散剂选用CMC,掺量为1.2 2 k g/m3,减水剂、消泡剂掺量采用生产厂商给出的建议值,分别为2.0 4 k g/m3、0.6 1 k g/m3;第2批试验:选取分散剂种类、分散剂掺量、减水剂掺量作为正交试验因素,其中空白列为误差项,在后续极差计算过程中需要考虑,方差分析则不需要考虑其影响。设计四因素三水平正交试验,各正交试验因素具体水平选取情况见表4,其中,砂率取3 4%,水灰比、聚合物掺量、碳纤维掺量均取表3中的中间水平,消泡剂掺量采用生产厂商给出的建议值0.6 1 k g/m3。表3 第1批正交试验的因素和水平表水平 水灰比(A)聚合物掺量(B)碳纤维产量(C)空白(D)10.4 84%0.1%120.4 98%0.3%230.5 01 2%0.5%3表4 第2批正交试验的因素和水平表水平分散剂种类(A)分散剂掺量(B)减水剂掺量(C)空白(D)1甲基纤维素(MC)0.2%0.8%12羧甲基纤维素(CMC)0.4%1.0%23羟乙基纤维素(HE C)0.6%1.2%31.3.1 坍落度试验坍落度试验严格按照 普通混凝土拌合物性能试验方法标准1 9(G B/T 5 0 0 8 0-2 0 1 6)进行操作,坍落度S的计算方法为:S=h0-h1(1)式中:S为混凝土坍落度(mm);h0为试验前拌合物高度(mm);h1为试验后坍落度高度(mm)。1.3.2 抗压试验试验参照 混凝土物理力学性能试验方法1 8(G B/T 5 0 0 8 1-2 0 1 9)进行,试件抗压强度按下式进行计算:fc c=FA(2)fc,u=fc c(3)401空军工程大学学报2 0 2 3年式中:fc c为标准试件抗压强度(MP a);fc,u为本试验试件2 8 d抗压强度(MP a);F为试件破坏荷载(N);A为试件承压面积(mm2);为换算系数,本试验中抗压试件尺寸为1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm,取0.9 5。1.3.3 碳纤维分散性检测试验混凝土导电性的研究结果表明,混凝土中存在离子导电、电子导电和 空穴导电3种导电 方式。PMC F R C的电导率的计算式为:=1=1+2+3(4)式中:为PMC F R C电导率(S/mm);为混凝土电阻率(mm);1为离子电导率(S/mm);2为自由电子电导率(S/mm);3为空穴电导率(S/mm)。对于PMC F R C,导电方式主要为电子导电和空穴导电,在碳纤维掺量相同情况下,碳纤维的分散效果是影响混凝土电阻率的主要因素,可用硬化试件电阻率测试法测试碳纤维在混凝土中的分散效果。测试时,用导线将直流电源、万用表和混凝土预埋电极按照图3所示连接,打开电源供电,待电流稳定后,分别记录电压与电流的数值,图4为连接好的测试电路。电阻率的计算式为:=U SI L(5)式中:为 试 件 电 阻 率(mm);S为 试 件 面 积(mm2);L为试件长度(mm);U为测试电压(V);I为测试电流(A)。图3 试件电阻率测试电路示意图图4 连接好的测试电路由于P MC F R C电阻率受纤维分散剂、消泡剂等诸多因素对水泥水化的影响,水泥水化则会进一步影响P MC F R C的导电方式,仅通过混凝土电阻率大小评价碳纤维在P MC F R C中的分散效果是片面的,完善碳纤维分散性评价体系需要补充其他指标。碳纤维在P MC F R C基体 中分散情况不同将导致导电方式不同,碳纤维分散不均匀时,P MC F R C中部分区域纤维密集分布,相互搭接,导电方式以沿碳纤维网络的电子导电为主;而在纤维量不足以构建网络的区域,导电方式以水泥浆基体的离子导电为主,不同的纤维分散情况对应的试件电阻率存在巨大差异。根据该性质可设立试件电阻率变动系数(),该指标表征同组试件的电阻率差异,与P MC F R C电阻率共同反映纤维在混凝土中的分散情况。()计算式如下:=S()/-(6)S =ni=1(i-)2/(n-1)(7)式中:S 为试样电阻率的标准差值;-为试样电阻率的平均值(mm);为试样电阻率变动系数(%);n为试验的重复次数,本试验中n=3。当纤维均匀分散时,较小,反之()较大。2 结果与讨论2.1 直观分析试验依据正交试验方案进行,对两批正交试验中各试验试件进行检测。从表5、表6中的试验结果可以看出,对于坍落度,M 8试验组坍落度最大,对应的各因素取值为:水灰比0.5 0,聚合物掺量8%,碳纤 维 产 量0.1%;M 3试 验 组 坍 落 度 最小,对应的各因素取值为:水灰比0.4 8,聚合物掺量1 2%,碳纤维产量0.5%。对于2 8 d抗压强度,M 2试验组性能最好,对应的各因素取值为:水灰比0.4 8,聚合物掺量8%,碳纤维产量0.3%。而当碳纤维掺量为0.3%时,N 9试验组纤维分散效果最好,对应的各因素为:HE C型分散剂,分散剂掺量为0.6%,减水剂掺量为1.2%。P MC F R C的电阻率随碳纤维掺量、分散剂掺量的变化趋势相反;电阻率变动系数随碳纤维掺量的变化趋势相似,随分散剂掺量相反。501第5期 秦立军,等:聚合物乳胶粉改性碳纤维增强混凝土的配合比设计表5 第1批正交试验结果试件编号正交试验因素水灰比(A)聚合物掺量(B)碳纤维掺量(C)空白(D)坍落度/mm2 8 d抗压强度/MP a电阻率/(mm)电阻率变动系数/%M 10.4 8(1)4%(1)0.1%(1)16 33 5.11 6 0.3 42.1 0M 20.4 8(1)8%(2)0.3%(2)25 23 7.81 0 6.3 75.0 9M 30.4 8(1)1 2%(3)0.5%(3)34 33 6.38 6.8 09.3 2M 40.4 9(2)4%(1)0.3%(2)35 53 4.11 0 5.7 94.5 6M 50.4 9(2)8%(2)0.5%(3)14 53 2.88 4.9 81 0.9 4M 60.4 9(2)1 2%(3)0.1%(1)26 83 2.11 5 9.9 52.2 6M 70.5 0(3)4%(1)0.5%(3)24 92 9.58 2.7 61 0.4 5M 80.5 0(3)8%(2)0.1%(1)37 22 9.11 5 7.9 61.1 2M 90.5 0(3)1 2%(3)0.3%(2)15 93 1.11 0 2.4 35.9 2表6 第2批正交试验结果试件编号正交试验因素分散剂种类(A)分散剂掺量(B)减水剂掺量(C)空白(D)坍落度/mm2 8 d抗压强度/MP a电阻率/(mm)电阻率变动系数/%N 1MC(1)0.2%(1)0.8%(1)15 9 3 1.21 4 5.2 08.6 0N 2MC(1)0.4%(2)1.0%(2)26 23 4.4 1 1 4.0 35.8 8N 3MC(1)0.6%(3)1.2%(3)36 5 3 5.39 8.0 93.9 1N 4CMC(2)0.2%(1)1.0%(2)36 33 3.31 4 6.0 99.5 4N 5CMC(2)0.4%(2)1.2%(3)16 63 5.6 1 1 7.3 56.4 7N 6CMC(2)0.6%(3)0.8%(1)25 63 1.99 9.5 44.5 6N 7HE C(3)0.2%(1)1.2%(3)26 9 3 5.21 4 2.0 78.1 3N 8HE C(3)0.4%(2)0.8%(1)35 8 3 2.71 0 9.1 25.3 9N 9HE C(3)0.6%(3)1.0%(2)16 03 4.39 4.7 63.5 42.2 极差分析通过对试验数据进行直观分析,可得知各因素对混凝土不同性能指标的影响趋势,而不同因素的影响程度则需要对试验数据进行进一步的极差和方差分析。极差计算方法为:R=m a xk1,k2,k3 -m i nk1,k2,k3 (8)如表7、表8所示,极差描述了某一因素对试验指标的影响程度,通过比较不同因素的极差大小,可以定性评价各因素对该指标的影响程度。表7 第1批正交试验极差分析指标因素水平水灰比聚合物掺量碳纤维掺量空白坍落度/mm k15 2.7 05 5.6 96 7.7 35 5.7 9 k25 6.0 85 6.6 95 5.3 45 6.3 7 k36 0.1 65 6.5 64 5.8 75 6.7 8 极差7.4 61.0 02 1.8 60.9 92 8 d抗压强度/MP a k13 6.4 23 2.9 03 2.1 03 3.0 2 k23 3.0 23 3.2 43 4.3 53 3.1 7 k32 9.8 93 3.1 93 2.8 83 3.1 5 极差6.5 30.3 42.2 50.1 5电阻率/(mm)k11 1 7.8 41 1 6.3 01 5 9.4 21 1 5.9 2 k21 1 6.9 11 1 6.4 41 0 4.8 61 1 6.3 6 k31 1 4.3 81 1 6.3 98 4.8 51 1 6.8 5 极差3.4 60.1 47 4.5 70.9 3电阻率变动系数/%k15.5 05.7 01.8 36.3 2 k25.9 25.7 25.1 95.9 3 k35.8 35.8 31 0.2 45.0 0 极差0.4 20.1 38.4 11.3 2601空军工程大学学报2 0 2 3年表8 第2批正交试验极差分析指标因素水平分散剂种类分散剂掺量减水剂掺量空白坍落度/mm k16 1.9 96 3.5 05 7.6 26 1.7 7 k26 1.9 56 2.1 86 1.8 56 2.4 9 k36 2.2 56 0.5 16 6.7 26 1.9 3 极差0.3 02.9 99.1 00.7 22 8 d抗压强度/MP a k13 3.6 43 3.2 53 1.9 53 3.7 0 k23 3.6 13 4.2 33 4.0 03 3.8 3 k33 4.0 93 3.8 53 5.3 83 3.8 0 极差0.4 80.9 83.4 30.1 3电阻率/(mm)k11 1 9.1 11 4 4.4 51 1 7.9 51 1 9.1 0 k21 2 0.9 91 1 3.5 01 1 8.2 91 1 8.5 5 k31 1 5.3 29 7.4 61 1 9.1 71 1 7.7 7 极差5.6 74 6.9 91.2 21.3 3电阻率变动系数/%k16.1 38.7 66.1 86.2 0 k26.8 65.9 16.3 26.1 9 k35.6 94.0 06.1 76.2 8 极差1.1 74.7 60.1 50.0 9 第1批正交试验中相应的因素水平变化趋势如图5所示,可以看出:以坍落度为评价指标,影响P M C F R C和易性因素的主次排序为:碳纤维掺量水灰比聚合物掺量。当混凝土的坍落度低于需要时,可以适当减少碳纤维掺量,增大水灰比来改善混凝土和易性。以2 8 d抗压强度为评价指标,水灰比是影响P M C F R C静态力学性能的主要因素,其次是碳纤维掺量,碳纤维掺量为0.3%时,2 8 d抗压强度均值最大。当P M C F R C的抗压强度低于要求时,可以适当减小水灰比,提高碳纤维产量。以电阻率与电阻率变动系数作为P M-C F R C导电性的评价指标,碳纤维掺量是影响P M C-F R C导电性能的主要因素,其次是水灰比,可以看出碳纤维分散程度对混凝土导电性具有重要影响。(a)坍落度 (b)2 8 d轴心抗压强度 (c)电阻率 (d)电阻率变动系数图5 第1批正交试验结果 第2批正交试验中相应的因素水平变化趋势如图6所示,可以看出:701第5期 秦立军,等:聚合物乳胶粉改性碳纤维增强混凝土的配合比设计以坍落度为评价指标,影响PMC F R C和易性因素的主次排序为:减水剂掺量分散剂掺量分散剂种类,当PMC F R C的坍落度低于需要时,可适当增大减水剂掺量,减小分散剂掺量。以2 8 d抗压强度为评价指标,减水剂掺量是影响PMC F R C静态力学性能的主要因素,其次是分散剂掺量,在一定程度上,减水剂掺量越高,PMC F R C静态力学性能越好。以电阻率与电阻率变动系数为评价指标,分散剂掺量为影响PMC F R C导电性能因素的最主要因素,其次为分散剂种类。(a)坍落度 (b)2 8 d轴心抗压强度 (c)电阻率 (d)电阻率变动系数图6 第2批正交试验结果2.3 方差分析方差分析可以定量地度量各因素对PMC F R C不同性能指标的影响程度,从而精确地评价各因素影响的显著性。各因素的方差分析结果如表9、表1 0所示。表9 第1批正交试验方差分析指标因素离差平方和自由度均方F值置信概率坍落度/mm水灰比8 3.7 924 1.9 05 6.1 39 5%聚合物掺量1.7 920.9 01.2 0不明显碳纤维掺量7 2 0.9 923 6 0.5 04 8 2.9 69 9%空白1.4 920.7 52 8 d抗压强度/MP a水灰比6 3.9 423 1.9 71 6 0 6.4 19 9%聚合物掺量0.2 120.1 05.2 5不明显碳纤维掺量7.8 523.9 21 9 7.1 79 9%空白0.0 420.0 2电阻率/(mm)水灰比1 9.1 629.5 81 4.6 5不明显聚合物掺量0.0 320.0 20.0 2不明显碳纤维掺量8 9 3 7.4 224 4 6 8.7 16 8 3 4.1 79 9%空白1.3 120.6 5电阻率变动系数/%水灰比0.2 9 20.1 40.1 0不明显聚合物掺量0.0 320.0 20.0 1不明显碳纤维掺量1 0 7.5 125 3.7 53 8.9 19 5%空白2.7 621.3 8注:F0.0 52,2 =1 9.0 0;F0.0 12,2 =9 9.0 0801空军工程大学学报2 0 2 3年表1 0 第2批正交试验方差分析指标因素离差平方和自由度均方F值置信概率坍落度/mm分散剂种类0.1 620.0 80.1 9不明显分散剂掺量1 3.4 826.7 41 5.7 7不明显减水剂掺量1 2 4.3 426 2.1 71 4 5.5 19 9%空白0.8 520.4 32 8 d抗压强度/MP a分散剂种类0.4 320.2 21 7.1 7不明显分散剂掺量1.4 520.7 25 7.2 09 5%减水剂掺量1 7.9 428.9 77 1 0.0 49 9%空白0.0 320.0 1电阻率/(mm)分散剂种类5 0.1 522 5.0 71 8.5 4不明显分散剂掺量3 4 2 3.3 421 7 1 1.6 71 2 6 5.5 89 9%减水剂掺量2.3 621.1 80.8 7不明显空白2.7 021.3 5电阻率变动系数/%分散剂种类2.0 921.0 51 4 7.8 99 9%分散剂掺量3 4.3 321 7.1 62 4 2 4.9 79 9%减水剂掺量0.0 420.0 22.9 2不明显空白0.0 120.0 1注:F0.0 52,2 =1 9.0 0;F0.0 12,2 =9 9.0 0 从表9第1批正交试验方差分析结果可以看出,碳纤维掺量在坍落度、2 8 d抗压强度、电阻率中的F值均大于F0.0 12,2 =9 9.0 0,因此可认为碳纤维掺量在置信概率9 9%区间内对PMC F R C的坍落度、2 8 d抗压强度、电阻率影响显著;在电阻率变动系数中F值大于F0.0 52,2 =1 9.0 0,因此可认为碳纤维掺量在置信概率9 5%区间内对PMC F R C的电阻率变动系数影响显著。水灰比对PMC F R C的2 8 d抗压强度影响显著的概率超过9 9%,对坍落度影响显著的概率超过9 5%。聚合物掺量对坍落度、2 8 d抗压强度、电阻率、电阻率变动系数无明显影响。从表1 0第2批正交试验方差分析结果可以看出,减水剂掺量在置信概率9 9%区间内对PMC-F R C的坍落度、2 8 d抗压强度影响显著,而对PM-C F R C的电阻率、电阻率变动系数无明显影响。分散剂掺量在置信概率9 9%区间内对PMC F R C的电阻率、电阻率变动系数影响显著,对2 8 d抗压强度影响显著的概率超过9 5%。分散剂种类对PMC F R C的电阻率变动系数影响显著的概率超过9 9%,而对PMC F R C的电阻率影响不显著。导致这一试验结果可能与混凝土电阻率受诸多因素影响有关。部分纤维分散剂对水泥的水化作用以及混凝土的孔隙结构有一定的影响作用,可能存在掺加分散剂后试件电阻率上升,而多个试件的电阻率差异减小的情况。2.4 基础配合比确定 混凝土结构设计规范2 0(G B 5 0 0 1 0-2 0 1 5)规定,配筋密列的结构,混凝土灌注时的坍落度宜为5 07 0 mm,而碳纤维掺量为0.5%(水平3)时,坍落度均值为4 5.8 7 mm,不符合设计规范要求,故碳纤维掺量不宜大于0.5%。此外,减水剂掺量、水灰比以及分散剂掺量对混凝土和易性均有较大的影响,为确保混凝土具有较好的工作性能,减水剂掺量、水灰比以及分散剂掺量均不宜过大。由正交试验结果可知,水灰比、碳纤维掺量、分散剂种类、分散剂掺量、减水剂掺量等5项配合比设计参数对混凝土的抗压力学性能均有明显影响。为确保混凝土具有较好的力学性能,应选择HE C分散剂,水灰比不宜设置过大,并适量设置碳纤维掺量和分散剂、减水剂掺量。在碳纤维分散性方面,由正交试验结果可知,碳纤维掺量、分散剂掺量、分散剂种类3项配合比设计参数对试件的电阻率影响较为明显,碳纤维掺量、砂率、分