杨林，李明

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

钢纤维增韧聚合物混凝土耐磨性试验研究

杨林，李明

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

应用响应面对钢纤维增韧聚合物混凝土耐磨性进行试验研究。根据钢纤维增韧聚合物混凝土的实际使用情况确定了响应面试验的高、低水平和中间水平，并依据统计学分析及图像分析，明确了各因素对磨损量影响的显著性大小，因素之间的交互作用大小。依据建立的模型求得最优配合比为：钢纤维体积率1.13，丁苯乳液质量分数10.26%、水灰比0.40，模型预测符合实际情况，模型可指导高耐磨性钢纤维增韧聚合物混凝土配合比设计。

钢纤维增韧聚合物混凝土；耐磨性；模型；响应面寻优

钢纤维增韧聚合物混凝土是指钢纤维与聚合物乳液混合掺入混凝土中，二者复掺能显著提高混凝土的力学性能，钢纤维能够增强聚合物混凝土的抗折强度，聚合物可以增强水泥基体对于钢纤维的握裹作用，使钢纤维抗拉强度高的特性得到充分发挥［1，2，3］，钢纤维增韧聚合物混凝土因其具有优良的力学性能而被广泛的应用在道路及建筑领域。以往研究主要针对钢纤维增韧聚合物混凝土的力学性能，本文将基于RSM（response surface methodology）对其耐磨性进行深入研究。RSM在生物学领域应用广泛，建筑领域应用较少，RSM的实质是一套较为复杂的统计方法，它通过近似构造一个有具体形式的多项式来表达隐式功能函数，在综合考虑变量值的相互作用以及不确定性基础上寻找最优解，相对于正交试验，它所需试验次数较少，并且克服了正交试验只能给出最佳因素水平组合的缺陷，其预测值更加接近实际值［4］。RSM包含CCD（central composite design）和BBD（Box-Behnken design）两种试验组合设计，其中BBD适合因素少于5个，水平为3个的试验，适合钢纤维增韧聚合物混凝土耐磨性的试验研究。

1 试验研究

1.1 试验原材料

试验用水泥为天鹅牌P·O 42.5水泥，各项指标符合要求；试验所用细集料为本地河砂，细度模数为2.7；粗骨料采用哈尔滨阿城市玉泉镇产 5～20mm连续级配碎石；钢纤维为河北衡水广骏橡塑制品厂生产路面桥梁专用剪切型异型钢纤维；聚合物乳液为山东鼎鼎化工提供的水泥专用羧基丁苯胶乳；外加剂为萘系高效减水剂及山东宏祥化学试剂厂提供的 HB-03型聚醚改性有机硅消泡剂。

图1 丁苯乳液及钢纤维

钢纤维技术指标 表1

聚合物乳液技术参数 表2

1.2 试验方法

根据JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》规定，将尺寸为 150mm×150mm× 150mm的试件标准养护至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。将成型时与顶面垂直的面作为磨削面，在200N负荷下磨30r，刷净浮尘后称重 m1（kg）作为试件磨损前质量，在200N的负荷下磨 60r，刷净浮尘后称重为 m2（kg）作为磨损后的质量，试验中应将吸尘器口对准磨耗面，将磨耗面上粉尘及时吸走，则该面积下的磨损量为 m1-m2，试验中的磨损面积为 0.0125m2，磨损量G=m1-m2/0.0125同一配合比三组平行试验，三组试验结果平均值作为该配合比下的磨损量［5］。

1.3 分析因素的水平选取

本次试验主要研究钢纤维体积率、丁苯乳液质量分数（相对于水泥质量）、水灰比［6］（固定水泥质量不变）三种因素对钢纤维增韧聚合物混凝土耐磨性的影响，钢纤维增韧聚合物混凝土的配合比设计没有相关的规范作为依据，一般认为配合比设计可参考钢纤维混凝土的配合比设计，本次研究依据响应面的特点和规范要求及实际工程应用对力学性能［7］、工作性［8］及经济性［9］的要求，三种影响因素的水平变化范围如表。

因素的水平变化范围 表3

1.4 RSM试验设计

前文已经说明了RSM试验中的BBD试验设计相对于CCD试验设计更适合钢纤维聚合物混凝土耐磨性的试验研究，根据表2中三种因素的变化范围，应用design expert v8.0.6对BBD试验进行设计，BBD试验中的水泥用量为400kg/m3，钢纤维增韧聚合物混凝土实际用水量为计算用水量减丁苯乳液中含水量，钢纤维增韧聚合物混凝土的表观密度为 2450kg/m3，因素水平如表3所示，BBD试验设计如表4所示，+1代表高水平，0代表中间水平，-1代表低水平。

响应面分析法中的因素与水平表 表4

2 试验结果分析

2.1 响应面分析法试验方案的建立与结果分析

以钢纤维体积率、聚合物乳液质量分数、水灰比为自变量，为使试验结果更加精确和直观，将试件试验前后质量差作为响应值，试验方案及结果见表5。

响应面实验设计方案及结果 表5

试验数据回归分析 表6

2.2 试验结果的统计学分析

表6中A代表钢纤维体积率，B代表聚合物乳液质量分数，C代表水灰比。方差分析结果中模型方程的检验中p＜0.001表明回归模型显著，拟合程度高，有统计学意义，模型负相关系数为 99.65%，说明响应值有 99.65%来源于所选变量，拟合程度高。在各因素及因素之间交互作用的统计检验结果中：钢纤维的体积率A、钢纤维体积率的二次项A2、聚合物掺量的二次项B2、水灰比的二次项C2对响应值的作用都是极显著的；钢纤维体积率与聚合物乳液的质量分数的交互项AB对响应值是高度显著的；聚合物乳液质量分数B、水灰比C、钢纤维体积率与水灰比的交互项AC都是差异显著的。单因素对于耐磨性的影响显著性从大到小的顺序为：钢纤维体积率＞聚合物乳液掺量＞水灰比。失拟项0.0962＞0.05不显著，表明拟合程度好。应用design expert v8.0.6软件进行多元线性回归，得到磨损量与各参数函数关系：

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

2.3 响应曲面分析

图2 钢纤维体积分数（A）及聚合物乳液质量分数（B）对磨损量影响响应面及等高线图

图3 钢纤维体积分数（A）及水灰（C）比对磨损量影响响应面及等高线图

图4 聚合物乳液质量分数（B）及水灰比（C）对磨损量影响响应面及等高线图

三维响应面图中可直观的分析出，各因素的交互作用对于响应值既磨损量的作用趋势，AB、AC、BC对于响应值的作用都是在一定范围内呈现先减小后增大的趋势，形成了凹型曲面，证明在各因素的高低水平范围内可以取到极值即磨损量最低值，直接证明了响应面试验设计中各因素高低水平的选取是合理的。二维等高线中可直观分析各因素之间交互作用的影响程度，越接近椭圆则交互作用越明显，越接近正圆则交互作用越弱，AB、AC的二维等高线图是明显的椭圆，表明交互作用显著，而BC的等高线则接近正圆交互作用不显著［10］，这与统计学分析结果一致。

2.4 最优组合的确定与验证

在利用design expert 8.0.6进行求解时应将影响因素的值设定为“in range”，响应值选取最小“minimize”，并设定为一个无法达到的下限例如“1”，求得最优解为：钢纤维体积分数1.13%、聚合物乳液质量分数10.26%、水灰比0.40。模型预测磨损量为36.55g，实际验证在此配合比下实测三组试件的平均磨损量为37.39g，与模型预测值相差2.30%，理论值与实际验证值符合情况较好。

3 结 论

①三种因素对钢纤维增韧聚合物混凝土耐磨性的影响的显著性由大到小的顺序为：钢纤维体积率、聚合物乳液质量分数、水灰比。

②通过响应面试验的统计学结果及响应面图分析得出钢纤维体积率与聚合物乳液质量分数、水灰比对于混凝土的耐磨性存在强烈的交互作用。

③利用响应面分析得到的模型方程求得最优组合：钢纤维体积率 1.13%、聚合物乳液质量分数10.26%、水灰比0.40，实际值与模型预测值偏差较小，证明了响应面分析对于最优组合中参数的确定是准确的，对获得耐磨性更好的混凝土配合比设计具有指导意义。

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TU502

A

1007-7359（2016）02-0247-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.088

黑龙江省交通厅科技项目（MJ20110034）。

杨林（1970-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授，研究方向：路面结构及材料。