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文章信息
- 王祯辉, 郭荣鑫, 郭路鑫, 夏海廷, 张久长.
- WANG Zhen-hui, GUO Rong-xin, GUO Lu-xin, XIA Hai-ting, ZHANG Jiu-chang
- 基于正交试验的聚甲醛纤维机场道面混凝土力学性能研究
- Study on Mechanical Property of Airport Pavement Concrete with POM Fiber Based on Orthogonal Test
- 公路交通科技, 2023, 40(12): 57-65
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(12): 57-65
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.12.007
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文章历史
- 收稿日期: 2021-11-12
, 2. 云南省土木工程防灾重点实验室, 云南 昆明 650500;
3. 昆明理工大学 民航与航空学院, 云南 昆明 650500
2. Yunnan Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan 650500, China;
3. Faculty of Civil Aviation and Aeronautics, Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan 650500, China
水泥混凝土道面是目前机场道面常用结构之一。由于常年裸露、荷载大, 使用频率高等各种复杂因素的影响[1]，机场道面出现表面开裂、面板掉皮等破坏现象，使用效果并不理想[2]。上述情况对机场道面混凝土的力学性能及耐久性能提出了更高的要求，各种具有优良性能的纤维机场道面混凝土应运而生。目前，钢纤维[3]、玄武岩纤维[4]、聚丙烯纤维[5]、聚乙烯醇纤维[6]、混杂纤维[7]等在机场道面混凝土中开展了研究及应用，其中以钢纤维及玄武岩纤维较为成熟，形成了应用研究成果，一定程度提升了机场道面的力学性能和耐久性能。钢纤维在实际应用中存在易锈蚀，不适用于酸雨侵蚀环境，与混凝土黏附力低，密度大易下沉，在混凝土中分布不均匀等缺陷。玄武岩纤维弹性模量较高，纤维较脆，其比表面积大，当体积掺量超过0.1%时，水泥浆难以包裹纤维，对混凝土的韧性提升能力欠佳[8]。
聚甲醛(Polyoxymethylene, POM)纤维是一种由聚甲醛树脂通过熔纺挤出超拉伸得到的有机合成纤维，具有良好的力学强度、尺寸稳定性、热稳定性、光稳定性、耐碱耐化学腐蚀及优异的耐磨损性能，具有作为一种增强相材料的应用前景[9]。与其他常用混凝土增强纤维相比，其引气性更低[10]，拌和物工作性更好，分散性也较好，散落堆积状态下不会凝聚成团，且在混凝土搅拌时较容易加入，分散。POM纤维具有优良的兼容性，其化合物构成中含有大量醚键，使得它与多种无机物质的结合能力很高，而且其碳氧基团具有很好的极性，氧元素含量也较高，这些特性使得POM纤维能够与混凝土基体形成氢键，从而形成更加稳定的边界[11-12]，为水泥基材料增强提供了巨大的潜力[13]。各高校及研究机构的研究成果表明，POM纤维用于混凝土增强，取得了良好的效果[14-15]。目前关于POM纤维混凝土的研究主要围绕房建混凝土，其高坍落度、大流动性及主要成型为抗压构件的特点，与机场道面混凝土在材料设计、施工工艺及服役受载情况等方面均有较大差异。开展POM纤维在机场道面混凝土中的应用研究是机场改扩建工程中应用POM纤维混凝土的技术基础及重要的技术支撑。
本研究根据机场道面混凝土的干硬性特征以及POM纤维的特点设计基准配合比，采用正交试验法探究水胶比、POM纤维长度、POM纤维掺量3个因素对机场道面混凝土静态力学性能的影响，并基于正交试验结果，开展POM纤维长度及掺量对机场道面混凝土性能的影响规律研究，为POM纤维混凝土在机场道面的推广应用提供一定参考价值。
1 原材料及配合比 1.1 原材料水泥选用云南某水泥有限公司产42.5普通硅酸盐水泥，密度为3 100 kg/m3。粉煤灰选用F型Ⅰ级低钙粉煤灰，密度为2 300 kg/m3。矿渣粉选用河北某矿产品公司的S95级高炉矿渣粉，密度为2 900 kg/m3。粗集料采用4.75~16 mm和16~26.5 mm双级配碎石，其合成表观密度为2 748 kg/m3。细集料依据昆明地材特点选用机制砂，规格为Ⅰ区粗砂，细度模数为3.13，表观密度为2 708 kg/m3。水选用当地生活饮用水。外加剂选用湖南某牌聚羧酸高性能减水剂，聚甲醛纤维产自某集团有限公司，其物理力学指标见表 1。
| 密度/ (g·cm-3) |
长度/ mm |
直径/ mm |
断裂强度/ MPa |
拉伸模量/ GPa |
耐碱性/ % |
| 1.41 | 6, 8, 12, 16, 24 | 0.2 | 890~1 000 | 8~10 | 99 |
1.2 配合比设计
根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(MH/T 5004—2010)设计要求，配制3组基准组配合比，强度试验结果详见表 2。OC-1~OC-3为基准组混凝土配合比，第1组不掺矿物掺料，第2组矿物掺合料等量取代水泥质量的15%，第3组矿物掺合料等量取代水泥质量的30%。
| 编号 | 水胶比 | 配合比/ (kg·m-3) |
抗压强度/ MPa |
抗弯拉强度/ MPa |
||||||
| 水泥 | 粉煤灰 | 矿渣粉 | 28 d | 56 d | 28 d | 56 d | ||||
| OC-1 | 0.40 | 348.78 | — | — | 57.9 | 58.9 | 5.54 | 5.92 | ||
| OC-2 | 0.40 | 296.46 | 31.39 | 20.93 | 58.9 | 54.3 | 5.13 | 6.08 | ||
| OC-3 | 0.40 | 244.15 | 62.78 | 41.85 | 49.4 | 53.8 | 4.76 | 5.84 | ||
在基准组混凝土配比中，OC-2与OC-3组均添加了矿物掺合料，其中OC-3组矿物掺合料总量达30%。矿物掺合料的加入导致其早期强度有所下降，但仍满足《民用机场水泥混凝土道面设计规范》的要求，后期强度增速较快，尤其在抗弯拉强度增长方面表现良好。结合矿物掺合料早期水化热低、中后期强度增长速度快等特点，正交试验采用OC-3组为基准配合比。
1.3 试件制作及试验方法本试验为充分考虑试件的质量及均匀性，严格控制各组分投料顺序以及搅拌时间，配制工序如图 1所示。
|
| 图 1 试件制作流程图 Fig. 1 Flowchart of specimen making |
| |
抗压试验所用的加载设备为YE-200型液压式压力试验机，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm标准立方体，加载速率为20 kN/s。抗弯拉试验所用的加载设备为CSS-44100型电子万能试验机，选用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，采用四点弯加荷，加载速率为0.2 kN/s。以上测试均参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)。弯曲荷载-挠度曲线测试所用加载设备及试件尺寸与抗弯拉试验一致，测试全程保持加载速率恒为1 mm/min，测试跨度为300 mm，在试件的跨中位置布置位移传感器以测定跨中挠度。
2 正交试验 2.1 正交试验设计采用正交试验法进行试验设计，OC-3组作为对比用基准组，利用L9 (33)正交表设计PFRC-1~PFRC-9正交试验组。主要研究3种不同水胶比(0.40，0.37，0.34)，3种不同POM纤维长度(6，8，12 mm)，3种不同POM纤维掺量(体积分数分别为0.6，0.9，1.2)对机场道面混凝土强度影响的显著性及主次顺序。正交试验水平和因素见表 3，正交试验方案见表 4。
| 水平 | 因素 | ||
| A(POM纤维长度/ mm) |
B(水胶比) | C(POM纤维掺量 体积分数) |
|
| 1 | 6 | 0.34 | 0.6 |
| 2 | 8 | 0.37 | 0.9 |
| 3 | 12 | 0.40 | 1.2 |
| 编号 | 因素 | ||
| A(POM纤维 长度/mm) |
B(水胶比) | C(POM纤维掺量 体积分数) |
|
| OC-3 | — | 0.40 | — |
| PFRC-1 | 6 | 0.34 | 0.6 |
| PFRC-2 | 6 | 0.37 | 0.9 |
| PFRC-3 | 6 | 0.40 | 1.2 |
| PFRC-4 | 8 | 0.34 | 0.9 |
| PFRC-5 | 8 | 0.37 | 1.2 |
| PFRC-6 | 8 | 0.40 | 0.6 |
| PFRC-7 | 12 | 0.34 | 1.2 |
| PFRC-8 | 12 | 0.37 | 0.6 |
| PFRC-9 | 12 | 0.40 | 0.9 |
2.2 试验过程及破坏现象
基准组(OC)试件在受压后产生不均匀裂纹后呈锥形开裂破坏，纤维增强组(PFRC)破坏形式为表面脱皮，出现纵向扩展裂纹，且纤维越长，裂纹越少。Felipe[16]在其研究中发现，随着纤维用量增加，混凝土韧性得到提高，剥离现象减少，与本试验试件破坏特征相一致，可推断POM纤维的加入能有效提高混凝土韧性，减缓裂纹扩展，有效抑制混凝土开裂及表皮脱落。
图 2为基准组与POM纤维增强组试件的抗弯拉破坏特征。基准组(OC)测试试件从中间处断裂为两段，荷载达极限后即快速下降，呈明显脆性破坏特征；纤维增强组(PFRC)裂纹扩展较慢，荷载达极限后缓慢下降，呈现一定的延性破坏特征，在破坏时能达到“裂而不断”的理想效果。
|
| 图 2 抗弯拉试验破坏特征 Fig. 2 Failure characteristics of flexural tensile test |
| |
2.3 正交试验强度试验结果分析
28 d和56 d龄期各组混凝土的抗压强度及抗弯拉强度的试验结果如图 3、图 4所示。
|
| 图 3 28 d和56 d抗压强度结果 Fig. 3 Compressive strength results in 28 d and 56 d |
| |
|
| 图 4 28 d和56 d抗弯拉强度结果 Fig. 4 Flexural tensile strength results in 28 d and 56 d |
| |
结果表明：相比OC-3组，PFRC-1~9组总体上28 d与56 d抗压强度均为增强。分组来看，在0.40水胶比条件下，PFRC-3，6，9组28 d抗压强度提升范围为0.6%~10.1%，56 d抗压强度提升范围为0.9%~6.3%，考虑到水泥混凝土材料的非均匀性，上述抗压强度的变化可视为正常的测试波动，纤维掺入未引起其抗压强度发生显著变化。其余两组水胶比条件下的POM纤维混凝土28 d及56 d抗压强度波动均在10%以内，进一步说明纤维长度和掺量的改变并不能引起其抗压强度发生显著变化，正交试验中混凝土抗压强度的增强主要由水胶比引起。PFRC-1~9组抗弯拉强度的变化与抗压强度相同，均为相同水胶比条件下变化不显著。
2.4 强度影响因素敏感性分析采用极差分析法和方差分析法对正交试验指标敏感性进行分析。表 5为正交试验极差分析结果。由表 5知，因素B对抗压和抗弯拉强度的影响较大，尤其是后期强度。对28 d抗压强度，A因素的影响明显大于C因素，而56 d抗压强度结果与此相反。对28 d及56 d抗弯拉强度而言，因素A和因素C对其影响相当，A略高于C。通过R值的大小可以判断，对混凝土强度影响最大的因素顺序是：水胶比、POM纤维长度、POM纤维掺量，考虑其主要指标，即28 d抗弯拉强度，主次顺序为B, A, C，最优组合为A2B1C3。28 d抗压强度，56 d抗压强度，56 d抗弯拉强度的较优组合分别为A3B1C3，A3B1C2，A3B1C1。
| 性能指标 | 因素 | A(POM纤维 长度/mm) |
B(水胶比) | C(POM纤维 掺量体积分数) |
| 28 d抗压 强度 |
K1 | 52.9 | 56.4 | 54.1 |
| K2 | 53.5 | 55.8 | 54.6 | |
| K3 | 57.1 | 51.3 | 54.9 | |
| R1 | 4.2 | 5.1 | 0.8 | |
| 28 d抗弯拉 强度 |
K1 | 5.00 | 5.37 | 5.05 |
| K2 | 5.38 | 5.34 | 5.16 | |
| K3 | 5.20 | 4.87 | 5.38 | |
| R2 | 0.38 | 0.50 | 0.33 | |
| 56 d抗压 强度 |
K1 | 60.03 | 63.33 | 59.07 |
| K2 | 59.80 | 61.13 | 60.80 | |
| K3 | 60.33 | 55.70 | 60.30 | |
| R3 | 0.53 | 7.63 | 1.73 | |
| 56 d抗弯拉 强度 |
K1 | 6.03 | 6.48 | 6.10 |
| K2 | 5.96 | 5.90 | 6.02 | |
| K3 | 6.09 | 5.69 | 6.00 | |
| R4 | 0.13 | 0.79 | 0.10 | |
| 注：K1，K2，K3分别为各因素同一水平试验指标的平均值；R为极差。 | ||||
基于IBM SPSS Statistics对正交试验结果进行方差分析。其中，不考虑交互作用，只考虑各因素的主效应。28 d抗弯拉强度分析结果见表 6。
| 源 | Ⅲ类平方和 | 自由度 | 均方差 | F值 | 显著性 |
| 校正模型 | 0.861a | 6 | 0.144 | 8.426 | 0.110 |
| 截距 | 242.736 | 1 | 242.736 | 14 250.669 | 0.000 |
| A | 0.220 | 2 | 0.110 | 6.472 | 0.134 |
| B | 0.471 | 2 | 0.236 | 13.834 | 0.067 |
| C | 0.169 | 2 | 0.085 | 4.973 | 0.167 |
| 误差 | 0.034 | 2 | 0.017 | — | — |
| 总计 | 243.632 | 9 | — | — | — |
| 校正后总数 | 0.895 | 8 | — | — | — |
由28 d抗弯拉强度方差分析可知，影响因素中，水胶比(B)的F值为13.834，大于F0.01 (2, 6)=10.925，POM纤维长度(A)的F值为6.472，大于F0.05 (2, 6)=5.143，POM纤维掺量(C)的F值为4.973，大于F0.1 (2, 6)=3.463。因此，有99.9%的把握相信B检验结果，即水胶比对28 d抗弯拉强度具有十分显著影响，有99.5%的把握相信A检验结果，即POM纤维长度对28 d抗弯拉强度具有高度显著影响，有99%的把握相信C检验结果，即POM纤维掺量对28 d抗弯拉强度有一定影响。其他各龄期抗压及抗弯拉强度方差分析结果均与极差分析结果相一致。
对A, B, C三因素进行邓肯氏(Duncan)检验，结果如表 7所示，因素B对28 d抗弯拉强度有较为显著的影响，且B2和B1两个水平之间并没有显著的差异，根据经济技术指标双重考虑，优选出水胶比0.37(B2)为B因素的最优水平。因素A和C的3个水平在同一显著性上，难以确定其最优水平，需要对POM纤维长度及掺量分别开展单因素多变量试验研究以确定POM纤维最优参数。
| 因素A | 水平数 | 子集 | 因素B | 水平数 | 子集 | 因素C | 水平数 | 子集 | |
| 1 | 1 | 2 | 1 | ||||||
| A1 | 3 | 5.000 0 | B3 | 3 | 4.870 0 | — | C1 | 3 | 5.046 7 |
| A3 | 3 | 5.196 7 | B2 | 3 | — | 5.343 3 | C2 | 3 | 5.156 7 |
| A2 | 3 | 5.383 3 | B1 | 3 | — | 5.366 7 | C3 | 3 | 5.376 7 |
| Sig | — | 0.064 0 | Sig | — | 1.000 | 0.847 0 | Sig | — | 0.083 0 |
3 纤维长度及掺量试验 3.1 长度试验设计
基于邓肯氏检验结果，考虑经济和技术双重指标，优选水胶比为0.37，POM纤维掺量体积分数为0.9，继而开展5种不同长度(6，8，12，16，24 mm)POM纤维对机场道面混凝土性能影响的试验研究。在长度及掺量试验设计中，基准组为OC-4组，PFRC-10~PFRC-14为纤维长度试验组，以断裂后的最大强度(第2峰值强度)作为其残余弯拉强度，表征其韧性。试验结果见表 8。
| 编号 | 参数设置 | 28 d抗压强度/ MPa |
28 d抗弯拉 强度/MPa |
残余弯拉 强度/MPa |
残余弯拉 强度比/% |
残余弯拉强度 提升率/% |
||
| 水胶比 | POM纤维掺量 体积分数 |
POM纤维 长度/mm |
||||||
| OC-4 | 0.37 | — | — | 54.9 | 5.98 | — | 0 | — |
| PFRC-10 | 0.37 | 0.9 | 6 | 54.2 | 5.50 | 1.08 | 19.6 | — |
| PFRC-11 | 0.37 | 0.9 | 8 | 56.8 | 5.23 | 1.35 | 25.8 | 31.6 |
| PFRC-12 | 0.37 | 0.9 | 12 | 53.7 | 5.96 | 2.69 | 45.1 | 74.8 |
| PFRC-13 | 0.37 | 0.9 | 16 | 51.9 | 5.63 | 3.27 | 58.1 | 28.8 |
| PFRC-14 | 0.37 | 0.9 | 24 | 45.6 | 4.46 | 3.88 | 87.0 | 49.7 |
3.2 长度试验结果分析
各纤维长度试验组混凝土28 d抗压与抗弯拉强度测试结果如图 5所示，荷载-挠度曲线如图 6所示，其中图 6(b)为6(a)中阴影部分放大图。
|
| 图 5 28 d纤维长度试验结果 Fig. 5 Test results of fiber length in 28 d |
| |
|
| 图 6 不同纤维长度荷载-挠度曲线 Fig. 6 Load-deflection curves of different fiber lengths |
| |
根据上述试验结果分析，可以得出以下结论：
(1) PFRC-10~13组与基准组相比，其28 d抗压强度变化范围为-5.5%~3.5%，28 d抗弯拉强度变化范围为-0.3%~-12.5%，仅PFRC-14组明显下降16.9%，25.4%。经查[10, 17]，掺入不同长度POM纤维，混凝土28 d抗压强度变化范围为-9.0%~-17.9%，与本试验结果相符；28 d抗弯拉强度变化范围为-1.9%~28.3%，与本试验结果存在差异。研究发现，在道面用干硬性混凝土中掺入不长于16 mm的POM纤维不会引起其抗压及抗弯拉强度发生显著变化，过长则会造成纤维成团，从而引起强度显著下降。
(2) 从图 6可以看出，基准组混凝土加载至最大值后随即断裂。而POM纤维混凝土在产生裂纹后，并没有立即折断，在持续加载过程中，表现出了一定的韧性，并且纤维长度越长，混凝土的脆性缺陷改善效果越好。Bicer等[18]认为加入纤维可以提高混凝土的位移延性，纤维对改善混凝土受压和弯曲后的开裂性能起增益作用。POM纤维加入混凝土中可以显著提高混凝土的残余弯拉强度，残余弯拉强度与纤维长度成正相关关系。究其原因，混凝土基体中的POM纤维如不被拉伸或拔出，裂纹就无法扩展，从裂纹产生至完全断裂的过程中，POM纤维能吸收额外能量，从而显著改善韧性。从表 8可知，12 mm POM纤维混凝土的残余弯拉强度(韧性)较8 mm提升了74.8%，提升效果最好。
(3) 根据28 d弯拉强度及残余弯拉强度比双指标分析，12 mm POM纤维混凝土性能较优。
3.3 掺量试验设计为了进一步探究POM纤维掺量对机场道面混凝土性能的影响规律，基于POM纤维长度28 d强度试验结果，优选12 mm POM纤维，分别开展6种不同掺量(0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1) POM纤维对机场道面混凝土性能影响的试验研究。PFRC-16~ PFRC-21为纤维掺量试验组，试验水平设计及强度试验结果见表 9。
| 编号 | 参数设置 | 28 d抗压强度/ MPa |
28 d抗弯拉 强度/MPa |
残余弯拉 强度/MPa |
残余弯拉强度 比/% |
残余弯拉强度 提升值/% |
||
| 水胶比 | POM纤维 长度/mm |
POM纤维掺量 体积分数 |
||||||
| OC-4 | 0.37 | — | — | 54.9 | 5.98 | — | 0 | — |
| PFRC-16 | 0.37 | 12 | 0.6 | 50.4 | 6.06 | 1.46 | 24.1 | — |
| PFRC-17 | 0.37 | 12 | 0.9 | 49.9 | 5.59 | 1.86 | 33.3 | 38.2 |
| PFRC-18 | 0.37 | 12 | 1.2 | 49.6 | 5.80 | 3.65 | 62.9 | 88.9 |
| PFRC-19 | 0.37 | 12 | 1.5 | 52.1 | 5.64 | 3.70 | 65.6 | 4.3 |
| PFRC-20 | 0.37 | 12 | 1.8 | 50.3 | 5.74 | 3.71 | 64.6 | -1.5 |
| PFRC-21 | 0.37 | 12 | 2.1 | 45.7 | 5.63 | 4.12 | 73.0 | 13.0 |
3.4 掺量试验结果分析
图 7给出了养护28 d后各掺量试验组混凝土抗压和抗弯拉强度结果，荷载-挠度曲线如图 8所示，其中图 8(b)为8(a)中阴影部分放大图。
|
| 图 7 28 d纤维掺量试验结果 Fig. 7 Test results of fiber content in 28 d |
| |
|
| 图 8 不同纤维掺量荷载-挠度曲线 Fig. 8 Load-deflection curves of different fiber contents |
| |
根据上述试验结果分析，可以得出以下结论：
(1) PFRC-16~20组与基准组相比，其28 d抗压强度变化范围为-5.1%~-9.7%，28 d抗弯拉强度变化范围为-6.5%~1.3%，仅PFRC-21组抗压强度明显下降16.8%。研究发现，在道面用干硬性混凝土中掺入POM纤维(体积分数不高于2.1)不会引起其抗压强度、抗弯拉强度显著变化，POM纤维掺量过高会造成纤维无法在混凝土中均匀分布，从而引起强度显著下降。
(2) POM纤维掺量越高，对混凝土的脆性改善效果越显著。通常，韧性和能量吸收与纤维掺量的增加成正比，纤维能够有效控制由于塑性收缩和干燥收缩而引起的裂纹扩展，从而显著提高纤维混凝土的韧性[19]。残余弯拉强度与POM纤维掺量成正相关关系。从表 9可知，体积分数1.2的POM纤维混凝土的残余弯拉强度较0.9的提升了88.9%，提升效果最好。
(3) 根据28 d弯拉强度及残余弯拉强度比双指标分析，体积分数1.2的POM纤维混凝土性能较优。
4 结论(1) 添加POM纤维能够有效抑制混凝土内部裂纹的扩展及表皮脱落，随着纤维长度、掺量的增加，混凝土呈延性破坏的特征越明显。
(2) 正交试验结果发现水胶比对混凝土弯拉强度影响显著，POM纤维长度及掺量对混凝土弯拉强度的影响不显著，难以通过弯拉强度指标确定POM纤维的最优参数选择，表明POM纤维对混凝土的增强效果不显著。
(3) 通过韧性指标对纤维长度及掺量试验结果分析发现，POM纤维对混凝土的韧性有显著提升，12 mm POM纤维在1.2vol%掺量时对混凝土韧性提升效果最优。
(4) POM纤维相比其他纤维研究起步晚且暂无代表性工程应用。结合在纤维混凝土及ECC方面的研究经验，发现POM纤维易于分散，其混凝土性能离散小，是一种适用于道面混凝土的有机纤维。但其在抗压、抗弯拉方面的增强效果不显著会制约其进入研究及工程人员的视角，深入开展POM纤维混凝土的应用研究，明确POM纤维对道面混凝土各项性能的影响机制，对水泥混凝土道面性能的提升有重大意义。
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