復(fù)摻輕骨料纖維噴射混凝土力學(xué)及導(dǎo)熱性能試驗(yàn)研究*

童格軍，龐建勇，姜平偉，黃金坤

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮河能源集團(tuán)，安徽 淮南 232001)

0 引言

高地溫隧道、深部巷道開挖后，巖壁與空氣之間產(chǎn)生熱交換，在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力，形成大量新生裂縫并改變圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，使得隧道、巷道周邊的切向應(yīng)力、周邊位移、破碎區(qū)和塑性區(qū)半徑都會(huì)出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，高溫?zé)岷︼@著，進(jìn)而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全[1-3]。

圍巖散熱作為最直接和最重要的熱源，占據(jù)所有熱源的48%左右[4]，因而宜選用比圍巖導(dǎo)熱系數(shù)小的隔熱物質(zhì)來噴涂巖壁的方法，阻隔圍巖散熱。噴射混凝土作為隧道、巷道支護(hù)的必要手段之一，對(duì)其使用的摻合料進(jìn)行改進(jìn)，在使其達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)，又降低其導(dǎo)熱系數(shù)[5-7]，可有效阻隔圍巖散熱且提供支護(hù)。

聚丙烯纖維對(duì)混凝土的性能有顯著的影響，其中控制塑性收縮開裂的一種高效技術(shù)就是用聚丙烯纖維來增強(qiáng)混凝土[8]。聚丙烯無規(guī)分布的纖維會(huì)在裂紋上產(chǎn)生更好的橋接力，從而防止裂紋擴(kuò)展，有效地提高混凝土的力學(xué)性能。同時(shí)混凝土中亂向分布的纖維可形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效阻止陶粒、陶砂等輕質(zhì)顆粒在混凝土攪拌、運(yùn)輸及澆筑過程中顆粒的上浮，進(jìn)一步提高了LAFS的密實(shí)性[9]。

結(jié)合文獻(xiàn)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輕骨料混凝土的研究大多單摻陶?；騿螕教丈?，探究將陶粒、陶砂代替一定量的石子、砂子配制成的輕骨料混凝土研究較少，由此，本文采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮聚丙烯纖維增強(qiáng)其強(qiáng)度為背景，設(shè)計(jì)以復(fù)合陶粒、陶砂摻量、聚丙烯纖維為因素，不同摻量為水平的正交試驗(yàn)，進(jìn)行含水率、抗壓、劈裂抗拉及導(dǎo)熱性能試驗(yàn)，來分析3種因素對(duì)復(fù)合輕骨料纖維混凝土力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，為復(fù)合輕骨料纖維混凝土的發(fā)展提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 陶粒、陶砂

從圖1中可以看出，陶粒與陶砂(參數(shù)見表1)外表粗糙，布滿細(xì)小孔隙和部分微小裂隙，內(nèi)部呈明顯的蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，正由于這種微裂縫及多孔的結(jié)構(gòu)，可使陶粒、陶砂與水泥漿體充分粘結(jié)[10]。

圖1 陶粒與陶砂Fig.1 Ceramsite and pottery sand

表1 陶粒、陶砂參數(shù)Table 1 Parameters of ceramsite and pottery sand

1.1.2 聚丙烯纖維

從圖2中可以看出，聚丙烯纖維(質(zhì)量指標(biāo)見表2)表面平整，質(zhì)地均勻，可與混凝土基體緊密結(jié)合，并且研究表明[11]，纖維可與水泥水化產(chǎn)物及其二次水化產(chǎn)物鈣礬石緊密包裹，纖維在基體中受拉時(shí)，分散在基體內(nèi)部的單根纖維與鋼筋作用類似，可以形成一定的機(jī)械咬合力，由此大幅提高混凝土材料的力學(xué)性能。

表2 聚丙烯纖維質(zhì)量指標(biāo)Table 2 Quality index of polypropylene fiber

圖2 聚丙烯纖維Fig.2 Polypropylene fiber

本試驗(yàn)其余材料：水泥為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為I級(jí)粉煤灰，石子為5～10 mm的瓜子片石，砂子為細(xì)砂，水為普通飲用水。

1.2 試驗(yàn)配合比

按照規(guī)范混凝土基準(zhǔn)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定水泥、砂子、石子、水和外加劑的用量。按照正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，分別取陶粒代替6%，12%，18%的石子(影響因素A)，陶砂代替4%，6%，8%的砂子(影響因素B)，聚丙烯纖維摻量為0.1%，0.2%，0.3%(影響因素C)，設(shè)計(jì)如表3所示的9組復(fù)摻輕骨料噴射混凝土。

表3 試驗(yàn)配合比Table 3 Test mix proportion

1.3 試件制作、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試

試驗(yàn)試件嚴(yán)格按照規(guī)范加工及測(cè)試，分別測(cè)定每組試樣的孔隙率、抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)。其中，試件含水率測(cè)定方式為：將每組試件放入烘干箱中，在105 ℃環(huán)境下進(jìn)行烘烤，直至其質(zhì)量不再變化視為完全干燥，記錄此時(shí)質(zhì)量m0，再將試塊放入水箱中浸泡96 h，擦拭干凈后，視為飽和狀態(tài)，再次記錄質(zhì)量m，計(jì)算含水率ρ=(m-m0)/m0，分別選用WAW-2000型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)和PDR-300型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定混凝土的力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

取每組試驗(yàn)結(jié)果的平均值得到表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照表4試驗(yàn)結(jié)果，為探究陶粒摻量Vc、陶砂摻量Vp、聚丙烯纖維摻量Vf3種因素對(duì)復(fù)摻輕骨料纖維混凝土含水率、抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度，根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，按式(1)計(jì)算方式,分析結(jié)果見表5。各因素-指標(biāo)如圖3所示。

圖3 LAFS各性能因素-指標(biāo)Fig.3 LAFS performance factors indicators

表5 試驗(yàn)結(jié)果及極差Table 5 Test results and range

(1)

2.2.1 LAFS含水率

從表5、圖3中可以看出，陶粒摻量對(duì)LAFS含水率的影響程度最大，極差占比(R*)為65.58%，其次為陶砂摻量占比為28.31%，最后為纖維摻量，占比為6.11%；Vc從6%提升至12%，LAFS含水率提高了22.5%，提升至18%時(shí)，含水率提升幅度高達(dá)45.97%，Vp從4%提升至6%，含水率提高了9.95%，從6%提升至8%時(shí)，提高了17.65 %，同樣的纖維摻量的增加其含水率也在逐漸增加，最大提升幅度為3.57%。這主要是由于隨著多孔的陶粒、陶砂摻量的增加，LAFS內(nèi)部孔隙率也在逐漸增大，同樣隨纖維摻量的增加，需更多的水泥漿液包裹纖維，基體和易性差，內(nèi)部孔隙率增加，LAFS含水率上升?？傮w上隨著3種影響因素?fù)搅康脑黾?，LAFS含水率均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。

2.2.2 LAFS抗壓強(qiáng)度

陶粒摻量對(duì)LAFS抗壓強(qiáng)度的影響程度最大，極差占比(R*)為57.78%，其次為陶砂摻量占比為21.46%，最后為纖維摻量，占比為20.75%；并且隨陶粒摻量Vc、陶砂摻量Vp及纖維摻量Vf的增加，LAFS抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，這主要是由于多孔的陶粒、陶砂摻入混凝土后，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水分可與混凝土基體充分水化，提高陶粒、陶砂與基體的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而使LAFS抗壓強(qiáng)度得到提高。

2.2.3 LAFS抗拉強(qiáng)度

對(duì)LAFS劈裂抗拉強(qiáng)度影響程度最大的是陶粒摻量，極差占比(R*)為63.76%，其次為陶砂摻量，占比為31.94%，最后為纖維摻量，占比為4.30%。隨陶粒摻量的增加，LAFS抗拉強(qiáng)度先增后減，與之相反的是，隨陶砂摻量的增加，其抗拉強(qiáng)度先降低再增加，纖維摻量的變化對(duì)LAFS抗拉強(qiáng)度的影響基本上呈現(xiàn)出先降后增的趨勢(shì)。

2.2.4 LAFS導(dǎo)熱系數(shù)

對(duì)LAFS導(dǎo)熱系數(shù)影響程度最大的是陶粒摻量，極差占比(R*)為71.64%，其次為陶砂摻量，占比為23.88%，最后為纖維摻量，占比為4.48%。Vc從6%提升至12%，LAFS導(dǎo)熱系數(shù)降低了8.68%，提升至18%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低了16.67%；Vp從4%提升至6%，8%時(shí)，LAFS導(dǎo)熱系數(shù)分別降低了3.31%，5.88%。這主要是由于低導(dǎo)熱系數(shù)的陶粒、陶砂摻入到混凝土中，阻止了混凝土的孔壁傳熱，進(jìn)而降低其導(dǎo)熱系數(shù)。

綜上可以得到，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3種因素對(duì)LAFS力學(xué)及導(dǎo)熱性能的影響程度為陶粒摻量>陶砂摻量>聚丙烯纖維摻量，并綜合試驗(yàn)結(jié)果得到，在保證LAFS力學(xué)性能前提下，其隔熱性能最優(yōu)配比為：復(fù)合雙摻陶粒、陶砂分別取代石子、砂子的最佳體積率為12%，6%，聚丙烯纖維的最佳摻量范圍為0.2%～0.3%。

3 X射線衍射分析

結(jié)合前文所述，影響LAFS力學(xué)及導(dǎo)熱性能最主要的因素是陶粒摻量，由此選取第1，4，7組不同陶粒摻量的LAFS試驗(yàn)組分別為1，2，3號(hào)試件，對(duì)這3組試件進(jìn)行XRD衍射試驗(yàn)。將試樣磨碎后過400目(38 mm)篩，隨后封樣并進(jìn)行XRD衍射分析，確定混凝土內(nèi)部的物相組成，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 XRD衍射定性分析結(jié)果Fig.4 qualitative analysis results of XRD diffraction

從圖4中可以看出，3組測(cè)試試樣內(nèi)部均出現(xiàn)了鈣礬石和Ca(OH)2峰值，并且對(duì)比3組試件，2號(hào)試件鈣礬石峰值最大，并且鈣礬石均超過了Ca(OH)2峰值，表明鈣礬石的含量大于Ca(OH)2的含量，這與抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相吻合；這主要是由于含有一定量的黏土礦物的陶砂摻入后，適量的黏土礦物可與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石，從而使得鈣礬石的含量增加，氫氧化鈣的含量降低。

同時(shí)，陶粒、陶砂摻入后，各摻合料中的若干游離元素之間相互反應(yīng)，生成了2種特別的聚合物：Al(OH)3·AlPO4和2MgSO4·Mg(OH)2。由文獻(xiàn)[12-13]可知，該2種物質(zhì)具有阻燃、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定，耐開裂等性能，其出現(xiàn)在混凝土基體中，可有效提高混凝土的強(qiáng)度，防止混凝土開裂，對(duì)混凝土的力學(xué)性能有增益效果。

4 機(jī)理分析

4.1 陶粒、陶砂與混凝土基體的粘結(jié)

從圖5中可以看出，陶?？膳c混凝土基體良好地粘結(jié)，如圖5(a)所示，并且小顆粒的陶砂可在基體中均勻分布，如圖5(b)所示，從圖5中還可以看到，在混凝土受力發(fā)生破壞時(shí)，首先是陶粒、陶砂表面出現(xiàn)微裂縫，與混凝土基體粘結(jié)面發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的延伸，降低LAFS的力學(xué)強(qiáng)度；同時(shí)由于陶粒、陶砂的存在，混凝土基體表面存在大量大小不一，相互嵌擠且均勻分布的咬合孔洞，如圖5(b)所示，由于孔洞內(nèi)部的空氣熱導(dǎo)率較低，可有效降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，使其具備較好的隔熱效果。

圖5 陶粒、陶砂電鏡照片F(xiàn)ig.5 Electron micrographs of ceramsite and sand

4.2 纖維增強(qiáng)LAFS力學(xué)性能

如上文所述，影響LAFS劈裂抗拉強(qiáng)度的顯著因素之一為聚丙烯纖維摻量，LAFS受力破壞時(shí)，由于陶粒、陶砂多孔材料的摻入，首先是多孔材料的孔壁彎曲，使得球形孔隙中產(chǎn)生應(yīng)力流動(dòng)并導(dǎo)致應(yīng)力集中，促使拉伸應(yīng)力發(fā)展，最終形成貫通裂縫，試件破壞。而當(dāng)在混凝土中摻入聚丙烯纖維時(shí)，可在混凝土基體內(nèi)形成纖維縱橫交錯(cuò)、亂向分布的形式，如圖6(a)所示。同時(shí)在纖維加筋作用旁觀察到有大量類似蜂窩狀的孔洞，將其放大4 000倍后再進(jìn)行觀察，如圖6(b)所示。結(jié)合文獻(xiàn)研究[14]，該蜂窩狀核殼結(jié)構(gòu)為Al(OH)3·AlPO4聚合物，它是由微觀形態(tài)呈花狀結(jié)構(gòu)的AlPO4包覆在Al(OH)3表面后形成的，同時(shí)該結(jié)構(gòu)可作為1種高效阻燃物質(zhì)，提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，與纖維的加筋作用一起，提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖6 聚丙烯纖維電鏡照片F(xiàn)ig.6 Electron micrograph of polypropylene fiber

5 預(yù)測(cè)模型的建立

通過上述分析，根據(jù)復(fù)合力學(xué)材料理論[15]，利用Minitab軟件對(duì)LAFS含水率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行回歸分析，假設(shè)LAFS含水率(fh)、抗壓強(qiáng)度(fc)、劈裂抗拉強(qiáng)度(ft)及導(dǎo)熱系數(shù)(fd)各項(xiàng)性能是以陶粒摻量(x1)、陶砂摻量(x2)、聚丙烯纖維摻量(x3)3種影響變量的多項(xiàng)式函數(shù)，假定其回歸模型如式(2)：

h=α0+α1x1+α2x2+α3x3+φ

(2)

式中：h為L(zhǎng)AFS各項(xiàng)性能；α0為基體各項(xiàng)性能；α1，α2，α3為回歸系數(shù)；φ為試驗(yàn)參數(shù)。

將表4中9組數(shù)據(jù)代入回歸模型式(2)中，對(duì)α進(jìn)行最小二乘估計(jì)得出回歸方程如式(3)～(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

從式(3)～(6)中可以看出，LAFS含水率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)模型預(yù)測(cè)程度較高，具有一定的工程借鑒意義。

6 結(jié)論

1)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3種因素對(duì)LAFS力學(xué)及導(dǎo)熱性能的影響程度均為陶粒摻量>陶砂摻量>聚丙烯纖維摻量。在保證LAFS力學(xué)性能前提下，其隔熱性能最優(yōu)配比為：復(fù)合雙摻陶粒、陶砂分別取代石子、砂子的最佳體積率為12%，6%，聚丙烯纖維的最佳摻量范圍為0.2%～0.3%。

2)X射線衍射表明，適量的黏土礦物可與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，提高LAFS的力學(xué)性能。各摻合料中的若干游離元素之間相互反應(yīng)，生成具有阻燃、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定，耐開裂等性能的聚合物，可有效提高混凝土的強(qiáng)度。

3)在混凝土受力發(fā)生破壞時(shí)，首先是陶粒、陶砂表面出現(xiàn)微裂縫，與混凝土基體粘結(jié)面發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的延伸，降低LAFS的力學(xué)強(qiáng)度；聚丙烯纖維旁聚集有大量Al(OH)3·AlPO4聚合物結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，與纖維的加筋作用一起，提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

4)建立的預(yù)測(cè)模型可為工程應(yīng)用LAFS，確定其配比時(shí)提供參考依據(jù)。