纖維混凝土支護(hù)性能測試研究

摘 要：為了提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，增加混凝土的護(hù)表能力，依據(jù)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的原則，試驗(yàn)選取鋼纖維以及改性聚丙烯纖維作為選材添加到普通混凝土中，計(jì)劃在南任鐵礦回采進(jìn)路實(shí)施聯(lián)合噴射鋼纖維混凝土以及聚丙烯纖維混凝土以此來加強(qiáng)支護(hù)的效果，在一定程度上可以防止冒頂?shù)陌l(fā)生。

關(guān)鍵詞：抗拉強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度；鋼纖維；改性聚丙纖維

南任鐵礦進(jìn)路回采過程中掘進(jìn)工作面在素混凝土支護(hù)條件下經(jīng)常發(fā)生冒頂、片幫現(xiàn)象，為了提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度增加混凝土的護(hù)表能力，依據(jù)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的原則，試驗(yàn)選取鋼纖維以及改性聚丙烯纖維作為選材添加到普通混凝土中，計(jì)劃在南任鐵礦回采進(jìn)路實(shí)施聯(lián)合噴射鋼纖維混凝土以及聚丙烯纖維混凝土以此來加強(qiáng)支護(hù)的效果，在一定程度上可以防止冒頂?shù)陌l(fā)生。為了對(duì)比素混凝土和三種纖維混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，在華北理工大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了配比制樣，通過四組不同材料的對(duì)比試驗(yàn)，分析得出鋼纖維和改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能具有加大其強(qiáng)度、提高其韌性的作用。第一組為普通素混凝土，第二組為含有改性聚丙烯纖維的混凝土，第三組為含有鋼纖維增強(qiáng)混凝土，第四組為含有鋼纖維以及改性聚丙烯纖維的混雜纖維混凝土。

1 原材料

（1）聚丙烯纖維。作為一種新型的高分子材料，聚丙烯纖維是將改性母料添加到聚丙烯切片中進(jìn)行切斷、紡絲、拉伸、共混進(jìn)而調(diào)制成功的用于混凝土以及砂漿抗裂、防滲的工程纖維。文章試驗(yàn)纖維的物理力學(xué)性能如下：規(guī)格為19mm；比重為0.91g/cm3；抗酸堿性較強(qiáng)；安全性較好無毒副作用；吸水性較差，幾乎不吸水，實(shí)驗(yàn)摻入量大約為0.9kg/m3。（2）鋼纖維。選擇長度為30mm，形狀為波浪型或者端鉤型的鋼纖維，鋼纖維的長徑比大約設(shè)置在為50左右，鋼纖維的平均最大抗拉強(qiáng)度一般都大于800MPa，實(shí)驗(yàn)摻量為40kg/m3。（3）水泥。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求選擇噴射混凝土的水泥標(biāo)號(hào)以及水泥種類。噴射混凝土所用水泥一般要有較好的粘結(jié)性、早起強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快、收縮變形小，可以快速高效的適應(yīng)速凝劑。因此，一般選用標(biāo)號(hào)大于或者等于42.5號(hào)的新鮮的普通的硅酸鹽水泥作為噴射水泥原材料。本實(shí)驗(yàn)選用42.5普通硅酸鹽水泥。（4）砂子。噴射混凝土所用的砂子通常為0.35～0.5mm的中砂。不宜選用細(xì)沙。本實(shí)驗(yàn)選用中粗砂，其細(xì)度模數(shù)大于2.5，具有耐久、堅(jiān)硬的特性，在所選的中粗砂中顆粒粒度大于0.075mm的不應(yīng)少于80%。（5）碎石。一般選用堅(jiān)硬的卵石或碎石。本實(shí)驗(yàn)選用碎石的最大粒徑不大于15mm，碎石的泥土含量不應(yīng)該超過10%。（6）水。與普通混凝土用水要求一樣，噴射混凝土用水為生活用自來水。

2 試件制作

（1）把纖維、碎石、水泥以及砂子混合在一起，無水?dāng)嚢?分鐘左右，然后加水?dāng)嚢璐蠹s3分鐘，讓纖維足夠的分散。將混凝土攪拌均勻后，馬上放入制取試塊的模具中成型。（2）試件澆注。本次試驗(yàn)均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm鋼制模具。為了方便以后拆模，一定要使用前對(duì)模具進(jìn)行清理、擦拭，而且要用毛刷在模具內(nèi)表面上刷一層潤滑油，然后再將混凝土加入到模具中。為了去除混凝土中的空氣使成型后的試塊沒有空心區(qū)，將混凝土混合物填到模具容積的四分之三左右，把試塊模具放置于振動(dòng)臺(tái)上，開啟振動(dòng)臺(tái)，使之工作幾分鐘后，再次把模具填滿，開啟振動(dòng)臺(tái)，待到模具上部出現(xiàn)泛漿現(xiàn)象，關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)，把模具四周富余的混凝土混合物用小鏟子順著模具四邊刮除，隨后馬上拿泥抹子把表面抹平。（3）試件養(yǎng)護(hù)。為了避免水分的流失，應(yīng)該拿濕布或者塑料將成型后的混凝土試塊遮住，而且要在20±5℃的條件下靜置一天一夜，隨后對(duì)試塊進(jìn)行拆模編號(hào)。編號(hào)后的試塊馬上放在20±2℃，濕度為90%左右的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

（1）從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)把試塊拿出后，應(yīng)該馬上組織開展試驗(yàn)，要保持試塊表面以及上下承壓面的清潔、干凈。（2）把試塊放置實(shí)驗(yàn)儀器上、下壓板的中心處，試塊的承壓面一定要和成型時(shí)試塊的上表面保持垂直。試塊上、下表面的中軸線一定要和實(shí)驗(yàn)儀器上、下壓板的中心線平齊或者重合，開啟實(shí)驗(yàn)儀器，當(dāng)儀器的上壓板將要接觸試塊時(shí)，馬上對(duì)球座進(jìn)行位置微調(diào)，讓試塊和上壓板均勻接觸。（3）在對(duì)試塊進(jìn)行加載的試驗(yàn)中，為了對(duì)試塊勻速加載，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器的油門，加載速度一般不要超過在0.5～0.8MPa。（4）當(dāng)試塊發(fā)生劇烈形變時(shí)，試塊很快就會(huì)被破壞，此時(shí)應(yīng)該結(jié)束停止試驗(yàn)機(jī)的油門，一直到試塊破壞為止。然后記錄破壞荷載。（5）成果整理和計(jì)算。

按式（1）來進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度的計(jì)算。

3.2 剪切試驗(yàn)步驟

（1）在試樣上劃出剪切線并計(jì)算剪切面的面積。（2）調(diào)整夾具角度，把試樣放入抗剪夾具中，然后電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)以0.5～1.0MPa/s的加荷速度加載直至試樣剪斷，記錄破壞時(shí)的荷載；（3）按45°、55°和65°不同夾具角度，分別逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)角度做3個(gè)，共計(jì)9個(gè)。

3.3 抗拉試驗(yàn)步驟

（1）從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)把試塊拿出后，應(yīng)該馬上組織開展試驗(yàn)，要保持試塊表面以及上下承壓面的清潔、干凈；（2）把試塊放置實(shí)驗(yàn)儀器上、下壓板的中心處，劈裂面以及劈裂承壓面一定要和成型時(shí)試塊的上表面保持垂直；將圓弧形墊條以及墊塊墊在試塊和上、下壓板中間，墊條以及墊塊一定要和試塊上、下表面的中軸線平齊，而且一定要和成型時(shí)試塊的上表面保持垂直，應(yīng)該將試塊以及墊條放置于固定臺(tái)上。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，相同天數(shù)的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度比素混凝土稍有增加；同一類型的混凝土隨著天數(shù)的變大，抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；相同天數(shù)的聚丙烯纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度比素混凝土稍有增加；同一類型的混凝土隨著天數(shù)的變大，抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；相同天數(shù)的聚丙烯纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度比普通混凝土稍有增加；同一類型的混凝土隨著天數(shù)的變大，抗剪強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過含有聚丙烯纖維的混凝土與普通混凝土的對(duì)比試驗(yàn)，可以得出含有聚丙烯纖維的混凝土有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）含有聚丙烯纖維的混凝土與普通混凝土相比，當(dāng)兩者抗壓強(qiáng)度一樣時(shí)，普通混凝土的應(yīng)變值比含有聚丙烯纖維的混凝土的應(yīng)變值要小，含有聚丙烯纖維的混凝土能夠非常有效地增加混凝土的拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度能夠增加1.5～2倍；（2）可以提高混凝土的韌性。當(dāng)遭遇彎折或者拉伸破壞時(shí)，普通混凝土出現(xiàn)的斷裂是脆性的，當(dāng)普通混凝土出現(xiàn)裂縫之后，其承載結(jié)構(gòu)遭到破壞，大體上就已經(jīng)喪失了承載能力，但含有鋼纖維以及聚丙烯纖維的混凝土在出現(xiàn)初裂縫的較短時(shí)間內(nèi)仍然具備很大的承載能力。試驗(yàn)表明，含有鋼纖維以及聚丙烯纖維的混凝土與普通混凝土相比，韌度指數(shù)也能夠增加15～17%。

4 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論

研究證明含有鋼纖維以及聚丙烯纖維的混凝土的抗破碎性變強(qiáng)，當(dāng)受壓破壞之后，普通混凝土形狀大部分呈現(xiàn)出斷裂狀，但聚丙烯混凝土仍然具備一定的整體結(jié)構(gòu)，具有很大的承載能力。

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