陶粒-橡膠纖維噴射混凝土抗裂及力學(xué)性能試驗(yàn)

宋晉鵬，劉 靜，金 鑫,3

(1. 山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619; 2. 河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002;3. 中國(guó)鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

相較于普通混凝土，噴射混凝土存在易產(chǎn)生干縮裂縫、后期力學(xué)強(qiáng)度不足等缺點(diǎn)。尤其是應(yīng)用環(huán)境為干燥的高巖溫公路隧道、深部熱害顯著的煤礦巷道。初期支護(hù)噴射混凝土早期干裂現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重危及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

輕骨料噴射混凝土多以陶粒替代一定體積率石子配制而成，具有一定隔熱效應(yīng)的支護(hù)材料。張俊儒[1]和龐建勇[2]等均研制了具有隔熱效應(yīng)的輕骨料噴射混凝土，并分別應(yīng)用于高巖溫公路隧道及深部煤礦熱井巷道，有效阻隔了圍巖散熱。李運(yùn)華[3]和白明舉[4]等應(yīng)用輕骨料噴射混凝土有效解決了公路隧道及喀斯特地區(qū)隧道滲漏水問(wèn)題。噴射混凝土水泥水化也是其內(nèi)部應(yīng)力重分布的過(guò)程。水泥漿體可在水泥水化過(guò)程中逐漸滲入表面布滿孔隙及微裂縫的陶粒、陶砂。一定程度上緩解了水泥基體中熱應(yīng)力的釋放。而相較于高彈性模量的橡膠顆粒，陶粒、陶砂具有一定剛度。將彈性模量高的廢棄橡膠顆粒摻入混凝土后，可有效改善混凝土內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善混凝土基體受熱干縮開(kāi)裂現(xiàn)象。橡膠混凝土在道路工程中體現(xiàn)出良好的耐磨性、抗凍性及抗高溫性[5-7]，可有效降低水泥水化過(guò)程中內(nèi)部溫差產(chǎn)生的大量溫差裂縫。對(duì)于小凈距雙向隧道、深部礦井回采動(dòng)壓巷道，初期支護(hù)噴射混凝土受沖擊作用明顯，摻入橡膠顆粒的噴射混凝土，可使初期支護(hù)體現(xiàn)出良好的抗沖擊性[8]。纖維對(duì)混凝土的性能有顯著的影響，控制塑性收縮開(kāi)裂的一種高效技術(shù)就是用纖維來(lái)增強(qiáng)混凝土。PVA無(wú)規(guī)則分布的纖維會(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[9]。

現(xiàn)階段，對(duì)于輕骨料噴射混凝土的研究多是摻入低導(dǎo)熱系數(shù)陶粒來(lái)降低其導(dǎo)熱性，并也取得了一定成果。但學(xué)者們忽略了干熱的水泥水化環(huán)境，水泥基體內(nèi)部熱應(yīng)力釋放產(chǎn)生大量裂縫，改善噴射混凝土內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。由此本文提出摻入低導(dǎo)熱系數(shù)陶粒、高彈性模量橡膠顆粒來(lái)改善噴射混凝土導(dǎo)熱性、熱膨脹結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮PVA纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，提出一種具有隔熱、抗干裂及力學(xué)性能增強(qiáng)的CRP-FS。研究成果可為CRP-FS推廣及配合比確定提供一定的參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 陶粒

從圖1中可以看出，顆粒表面粗糙，整體外觀及內(nèi)部布滿大小不一的孔隙及微裂縫。正是由于該種結(jié)構(gòu)，水泥水化初期水泥漿液可以充分滲入，實(shí)現(xiàn)陶粒顆粒與噴射混凝土基體充分粘結(jié)[10]，優(yōu)化基體過(guò)渡面。陶粒質(zhì)量參數(shù)如表1所示。

圖1 陶粒實(shí)物圖與內(nèi)部電鏡照片

表1 陶粒質(zhì)量參數(shù)表

1.1.2 橡膠顆粒

橡膠顆粒：廢舊橡膠輪胎加工而成的橡膠，橡膠顆粒粒徑為3～6 mm。橡膠實(shí)拍和電鏡掃描如圖2所示?？梢钥吹?，橡膠微觀表現(xiàn)為多孔、層狀及疏松狀；廢舊橡膠顆粒作為一種柔性材料的彈性體，將其摻入到混凝土中能顯著改善噴射混凝土的干縮開(kāi)裂現(xiàn)象[11]。

圖2 橡膠實(shí)拍和電鏡掃描圖

1.1.3 PVA纖維

聚乙烯醇（PVA）纖維長(zhǎng)度為12 mm。由圖3可以看出，PVA纖維質(zhì)地均勻、表面平整，將其摻入到CRP-FS中，可與其基體緊密結(jié)合，同時(shí)大量研究表明水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣（C-A-H凝膠）[12]與水泥二次水化產(chǎn)物鈣礬石（AFt）緊密包裹纖維，可使其與基體緊密結(jié)合，優(yōu)化基體界面，提高混凝土整體性，進(jìn)而提高混凝土力學(xué)及抗裂性能。

圖3 PVA纖維實(shí)拍和電鏡掃描圖

本試驗(yàn)其余材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，I級(jí)粉煤灰，5～10 mm的瓜子片石，細(xì)砂，普通飲用水。

1.2 試驗(yàn)配合比

按照J(rèn)GJT 372-2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)，以C20噴射混凝土基準(zhǔn)配合比，確定水泥、砂子、石子、水和外加劑的用量。分別取陶粒代替6%、12%、18%的石子因素（A），橡膠代替5%、10%、15%的砂子因素（B），PVA纖維體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%因素（C）設(shè)計(jì)了如表2所示的9組CRP-FS，其中第10組為普通噴射混凝土。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 試件制作、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試方法

參照表2配合比進(jìn)行CRP-FS的試件制備，其中早期抗裂試件每組2塊，尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，抗裂試驗(yàn)嚴(yán)格按照GBT 50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算試件總開(kāi)裂面積T（mm2）、平均開(kāi)裂面積a（mm2/根），如下式所示：

式中：wi——第i根裂縫寬度，mm；

li——第i根裂縫長(zhǎng)度，mm；

N——裂縫總根數(shù)。

按照規(guī)范[13-14]測(cè)定每組試樣的抗壓、劈裂抗拉，其中尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試塊每組6塊；尺寸為300 mm×300 mm×10 mm的試塊每組3塊，用來(lái)測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)；分別選用WAW-2000型電液伺服萬(wàn)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)果及分析

2.1 極差分析

取每組試驗(yàn)的算術(shù)平均值作為該組試件各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

為探究陶粒摻量Vc、橡膠摻量Vr、PVA纖維摻量Vp3種因素對(duì)CRP-FS早期抗裂性能初裂時(shí)間、最大裂縫寬度、總開(kāi)裂面積及單根裂縫平均開(kāi)裂面

積影響程度，根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，按式（3）計(jì)算方式，計(jì)算不同影響因素下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的極差R。分析結(jié)果如表4所示。各因素-水平如圖4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果及極差1）

圖4 CRP-FS早期抗裂性能因素-水平

式中：Kim——第i列因素m水平對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果之和；

2.1.1 CRP-FS早期抗裂性能

從表4、圖4中可以看出，隨陶粒摻量Vc的增加，CRP-FS總開(kāi)裂面積、平均開(kāi)裂面積逐漸增加，初裂時(shí)間先增后減，最大裂縫寬度先降后增。這主要是由于適量摻量的陶粒顆粒摻入混凝土后，水泥漿體可與陶粒充分粘結(jié)，提高基體整體及密實(shí)性，并且多孔隙陶粒可吸收部分水分，有效減弱毛細(xì)管負(fù)壓產(chǎn)生的漿體塑性收縮，一定程度上延緩了初裂時(shí)間及裂縫寬度。但由于質(zhì)輕的陶粒會(huì)產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，所以過(guò)多摻量的Vc會(huì)大幅提高CRP-FS總開(kāi)裂面積、平均開(kāi)裂面積，增幅最大分別為328.07%、86.14%。

隨橡膠摻量Vr的增加，CRP-FS總開(kāi)裂面積、平均開(kāi)裂面積均先降后增，而初裂時(shí)間先增后減，最大裂縫寬度基本無(wú)變化。這主要是由于適量Vr摻入，一方面可以有效改善混凝土內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)，基體彈性模量提高；另一方面，表面憎水的橡膠顆粒可以有效抑制基體水份向混凝土表面移動(dòng)，使CRP-FS開(kāi)裂現(xiàn)象緩解。同樣地，過(guò)量質(zhì)輕陶粒摻入后，上浮現(xiàn)象明顯，CRP-FS抗裂性能大幅降低，總開(kāi)裂面積增幅最大為22.52%。

隨PVA纖維摻量Vp的增加，CRP-FS抗裂性能各評(píng)價(jià)指標(biāo)均顯示逐步優(yōu)化趨勢(shì)，CRP-FS總開(kāi)裂面積、平均開(kāi)裂面積、初裂時(shí)間、最大裂縫寬度優(yōu)化幅度最大分別為 14.09%、3.59%、20.51%及–46.30%?？梢?jiàn)纖維摻量對(duì)初裂時(shí)間及最大裂縫寬度的優(yōu)化效果最優(yōu)。這主要是由于三維亂象分布的PVA纖維可在基體中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以降低輕質(zhì)陶粒及橡膠顆粒的上浮，其次PVA無(wú)規(guī)則分布的纖維會(huì)在裂紋上產(chǎn)生更好的橋接力，從而防止裂紋擴(kuò)展，降低裂縫的最大寬度。

2.1.2 CRP-FS力學(xué)及導(dǎo)熱性能

從表4、圖5 中可以看出，隨Vc、Vr、Vp摻量的增加，CRP-FS抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)；Vc從6%提升至12%，CRP-FS抗壓強(qiáng)度增幅達(dá)8.13%，而提高至18%，其強(qiáng)度降幅為–14.9%，同樣地，Vr、Vp摻量的變化，CRP-FS抗壓強(qiáng)度變化幅度分別為3.32%、–5.02%，7.82%、6.19%。隨Vc、Vr摻量的增加，CRP-FS劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸降低，降幅最大分別為–11.76%、–15.79%，而隨Vp摻量的增加，CRPFS劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加，增幅最大為20%。隨Vc、Vr摻量的增加，CRP-FS導(dǎo)熱性能逐漸降低，增幅最大為11.9%，但隨Vp摻量的增加，其導(dǎo)熱性能逐漸增大，增幅最大為12.11%。

圖5 CRP-FS力學(xué)及導(dǎo)熱性能因素-水平

相較于普通噴射混凝土，CRP-FS初裂時(shí)間、裂縫條數(shù)、最大裂縫寬度及總開(kāi)裂面積最大增幅分別為100%、70.15%、85.54%及42.18%?？箟骸⑴芽估瓘?qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)最大增幅分別為26.47%、9%及35.03%。并且結(jié)合上文所述，綜合CRP-FS抗裂、力學(xué)及導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，Vc摻量在12%、Vr摻量在10%及Vp摻量在0.2%～0.3%范圍內(nèi)CRP-FS配比性能最優(yōu)。

2.2 XRD分析

借助XRD衍射試驗(yàn)，選取CRP-FS各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較優(yōu)的第5組、普通噴射混凝土第10組及陶粒最高摻量第7組試件進(jìn)行混凝土內(nèi)部物相組成分析，如圖6所示。

圖6 XRD衍射定性分析結(jié)果

從圖6中可以看出，3組試件均出現(xiàn)了鈣礬石（AFt）峰，并且第5組試件峰值最高。這也與上述CRP-FS力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí)研究表明表面覆蓋一定黏土礦物的陶粒摻入，其礦物質(zhì)可與水泥漿體水化反應(yīng)生成AFt，從而使得CRP-FS相較于普通噴射混凝土力學(xué)性能得到提高。并且對(duì)比第5、7組與第10組試件，CRP-FS摻入陶粒、粉煤灰等礦物摻合料后，陶粒表面包含一定量黏土顆粒與各摻合料成分中游離元素相互反應(yīng)，使得CRP-FS基體中出現(xiàn)了 2MgSO4·Mg(OH)2和 Al(OH)3·AlPO4兩種化合物，結(jié)合文獻(xiàn)研究[15]，這兩種物質(zhì)具有耐開(kāi)裂、阻燃、高密實(shí)等性能，可有效增強(qiáng)CRP-FS基體強(qiáng)度、抗裂性能及保溫隔熱性能。

2.3 CRP-FS掃描電鏡分析

選取第5組試驗(yàn)破壞試件進(jìn)行SEM掃描電鏡試驗(yàn)。

陶粒及橡膠與基體的充分粘結(jié)是保證CRP-FS力學(xué)性能的前提[16]。從圖7中可以看出，CRP-FS基體中呈現(xiàn)出陶粒分散均勻、大小不一的咬合坑洞如圖7（a）所示，同時(shí)橡膠顆粒表面覆蓋有大量的CS-H凝膠，緊密包裹于混凝土基體中如圖7（b）所示，充分改善基體線膨脹性。兩種材料的摻入使CRPFS基體出現(xiàn)大量均勻分布的較低熱導(dǎo)率區(qū)域，有效降低CRP-FS導(dǎo)熱系數(shù)，隔熱效果顯著。

圖7 陶粒及橡膠顆粒電鏡照片

如上文所述，隨PVA纖維摻量增加，CRP-FS劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提升、抗裂性能也得到明顯改善。從微觀角度分析，CRP-FS中摻入PVA纖維，如圖8（a）所示，PVA纖維表面覆蓋有大量的鈣礬石及C-S-H凝膠，可使其有效與混凝土基體粘結(jié)，增強(qiáng)基體密實(shí)性及力學(xué)性能。隨機(jī)亂向分布的PVA纖維在混凝土基體中縱橫交錯(cuò)、三維分布，充分緩解水泥水化產(chǎn)生的熱應(yīng)力及基體拉伸時(shí)應(yīng)力發(fā)展。CRP-FS受拉破壞時(shí)，由于陶粒、橡膠顆粒材料的摻入，首先是陶粒及橡膠顆粒彎曲表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，顆粒與混凝土基體粘結(jié)部分產(chǎn)生脫離，而具有拉結(jié)力的PVA纖維，如圖8（b）所示，可承擔(dān)部分拉應(yīng)力，有效降低裂縫發(fā)展、陶粒和橡膠顆粒與CRP-FS基體的脫離。

圖8 PVA纖維加筋效果電鏡照片

圖9 為CRP-FS基體電鏡照片中觀察到有蜂窩狀孔洞結(jié)構(gòu)，將其放大1 000倍后如圖9（b）所示，該蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)主要是由微觀形貌為簇團(tuán)狀結(jié)構(gòu)的AlPO4附著在Al(OH)3外表面后形成的，即為上述X射線衍射分析的厚度為10～20 mm的Al(OH)3·AlPO4薄片化合物，該物質(zhì)可有效降低CRP-FS導(dǎo)熱系數(shù)，使其體現(xiàn)出良好的隔熱性能。

圖9 CRP-FS基體電鏡照片

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出9種不同配比陶粒-橡膠-PVA纖維噴射混凝土（CRP-FS）進(jìn)行早期干裂、抗壓、劈裂抗拉及導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1)隨陶粒及橡膠顆粒摻量的增加，CRP-FS抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，隨PVA纖維摻量的增加抗裂性能及劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高，其中抗拉強(qiáng)度增幅最大為20%。隨陶粒、橡膠摻量的增加，CRP-FS導(dǎo)熱性能逐漸降低，增幅最大為11.9%，但隨纖維摻量的增加，其導(dǎo)熱性能逐漸降低，降幅最大為–12.11%。

2)相較于普通噴射混凝土，CRP-FS初裂時(shí)間、裂縫條數(shù)、最大裂縫寬度及總開(kāi)裂面積最大增幅分別為100%、70.15%、85.54%及42.18%。抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)最大增幅分別為26.47%、9%及35.03%。并且結(jié)合上文所述，綜合CRP-FS抗裂、力學(xué)及導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，陶粒摻量在12%、橡膠摻量在10%及PVA纖維摻量在0.2%～0.3%范圍內(nèi)CRP-FS配比性能最優(yōu)。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合微觀測(cè)試表明：多孔隙特性陶粒可與混凝土基體充分粘結(jié)，改善CRP-FS基體界面過(guò)渡區(qū)，使其力學(xué)性能也得到改善。高彈性模量的橡膠顆粒可有效改善CRP-FS內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)，基體受熱干縮抗裂性能提高。同時(shí)兩種低導(dǎo)熱材料的摻入使CRP-FS基體出現(xiàn)大量均勻分布的較低熱導(dǎo)率的密閉孔洞，有效降低CRP-FS導(dǎo)熱系數(shù)，隔熱效果顯著。隨機(jī)亂向分布的PVA纖維可充分緩解水泥水化產(chǎn)生的熱應(yīng)力及基體拉伸時(shí)應(yīng)力發(fā)展，有效降低裂縫發(fā)展，提高CRP-FS抗裂及力學(xué)性能。