復摻輕骨料纖維噴射混凝土力學及導熱性能試驗研究*

童格軍，龐建勇，姜平偉，黃金坤

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

0 引言

高地溫隧道、深部巷道開挖后，巖壁與空氣之間產生熱交換，在巖體中產生熱應力，形成大量新生裂縫并改變圍巖的應力分布狀態，使得隧道、巷道周邊的切向應力、周邊位移、破碎區和塑性區半徑都會出現較大增長，高溫熱害顯著，進而影響支護結構的安全[1-3]。

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

聚丙烯纖維對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就是用聚丙烯纖維來增強混凝土[8]。聚丙烯無規分布的纖維會在裂紋上產生更好的橋接力，從而防止裂紋擴展，有效地提高混凝土的力學性能。同時混凝土中亂向分布的纖維可形成一定的網狀結構，有效阻止陶粒、陶砂等輕質顆粒在混凝土攪拌、運輸及澆筑過程中顆粒的上浮，進一步提高了LAFS的密實性[9]。

結合文獻研究，國內外學者對輕骨料混凝土的研究大多單摻陶粒或單摻陶砂，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，本文采用正交試驗的設計方法，同時考慮聚丙烯纖維增強其強度為背景，設計以復合陶粒、陶砂摻量、聚丙烯纖維為因素，不同摻量為水平的正交試驗，進行含水率、抗壓、劈裂抗拉及導熱性能試驗，來分析3種因素對復合輕骨料纖維混凝土力學性能及導熱性能的影響規律，為復合輕骨料纖維混凝土的發展提供試驗基礎。

1 試驗

1.1 試驗原材料

1.1.1 陶粒、陶砂

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

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

表1 陶粒、陶砂參數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(質量指標見表2)表面平整，質地均勻，可與混凝土基體緊密結合，并且研究表明[11]，纖維可與水泥水化產物及其二次水化產物鈣礬石緊密包裹，纖維在基體中受拉時，分散在基體內部的單根纖維與鋼筋作用類似，可以形成一定的機械咬合力，由此大幅提高混凝土材料的力學性能。

表2 聚丙烯纖維質量指標Table 2 Quality index of polypropylene fiber

圖2 聚丙烯纖維Fig.2 Polypropylene fiber

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

1.2 試驗配合比

按照規范混凝土基準配合比進行設計，確定水泥、砂子、石子、水和外加劑的用量。按照正交試驗的設計方法，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)，設計如表3所示的9組復摻輕骨料噴射混凝土。

表3 試驗配合比Table 3 Test mix proportion

1.3 試件制作、養護及測試

試驗試件嚴格按照規范加工及測試，分別測定每組試樣的孔隙率、抗壓、劈裂抗拉強度以及導熱系數。其中，試件含水率測定方式為：將每組試件放入烘干箱中，在105 ℃環境下進行烘烤，直至其質量不再變化視為完全干燥，記錄此時質量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，再次記錄質量m，計算含水率ρ=(m-m0)/m0，分別選用WAW-2000型電液伺服萬能試驗機和PDR-300型導熱系數測定儀測定混凝土的力學性能和導熱系數。

2 試驗結果及試驗分析

2.1 試驗結果

取每組試驗結果的平均值得到表4。

表4 試驗結果Table 4 Test results

2.2 試驗結果分析

按照表4試驗結果，為探究陶粒摻量Vc、陶砂摻量Vp、聚丙烯纖維摻量Vf3種因素對復摻輕骨料纖維混凝土含水率、抗壓、劈裂抗拉強度及導熱系數的影響程度，根據表4中的數據，按式(1)計算方式,分析結果見表5。各因素-指標如圖3所示。

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

表5 試驗結果及極差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，含水率提升幅度高達45.97%，Vp從4%提升至6%，含水率提高了9.95%，從6%提升至8%時，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，內部孔隙率增加，LAFS含水率上升。總體上隨著3種影響因素摻量的增加，LAFS含水率均呈現逐漸升高的趨勢。

2.2.2 LAFS抗壓強度

陶粒摻量對LAFS抗壓強度的影響程度最大，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抗壓強度均表現出先增后減的趨勢，這主要是由于多孔的陶粒、陶砂摻入混凝土后，其內部儲存的水分可與混凝土基體充分水化，提高陶粒、陶砂與基體的粘結強度，進而使LAFS抗壓強度得到提高。

2.2.3 LAFS抗拉強度

對LAFS劈裂抗拉強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抗拉強度先增后減，與之相反的是，隨陶砂摻量的增加，其抗拉強度先降低再增加，纖維摻量的變化對LAFS抗拉強度的影響基本上呈現出先降后增的趨勢。

2.2.4 LAFS導熱系數

對LAFS導熱系數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導熱系數降低了8.68%，提升至18%時，導熱系數降低了16.67%；Vp從4%提升至6%，8%時，LAFS導熱系數分別降低了3.31%，5.88%。這主要是由于低導熱系數的陶粒、陶砂摻入到混凝土中，阻止了混凝土的孔壁傳熱，進而降低其導熱系數。

綜上可以得到，正交試驗設計的3種因素對LAFS力學及導熱性能的影響程度為陶粒摻量>陶砂摻量>聚丙烯纖維摻量，并綜合試驗結果得到，在保證LAFS力學性能前提下，其隔熱性能最優配比為：復合雙摻陶粒、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

結合前文所述，影響LAFS力學及導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試驗組分別為1，2，3號試件，對這3組試件進行XRD衍射試驗。將試樣磨碎后過400目(38 mm)篩，隨后封樣并進行XRD衍射分析，確定混凝土內部的物相組成，具體結果如圖4所示。

圖4 XRD衍射定性分析結果Fig.4 qualitative analysis results of XRD diffraction

從圖4中可以看出，3組測試試樣內部均出現了鈣礬石和Ca(OH)2峰值，并且對比3組試件，2號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度試驗結果相吻合；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物發生反應，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，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，生成了2種特別的聚合物：Al(OH)3·AlPO4和2MgSO4·Mg(OH)2。由文獻[12-13]可知，該2種物質具有阻燃、強度高、尺寸穩定，耐開裂等性能，其出現在混凝土基體中，可有效提高混凝土的強度，防止混凝土開裂，對混凝土的力學性能有增益效果。

4 機理分析

4.1 陶粒、陶砂與混凝土基體的粘結

從圖5中可以看出，陶粒可與混凝土基體良好地粘結，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，在混凝土受力發生破壞時，首先是陶粒、陶砂表面出現微裂縫，與混凝土基體粘結面發生破壞，進而導致裂縫的延伸，降低LAFS的力學強度；同時由于陶粒、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，由于孔洞內部的空氣熱導率較低，可有效降低混凝土的導熱系數，使其具備較好的隔熱效果。

圖5 陶粒、陶砂電鏡照片Fig.5 Electron micrographs of ceramsite and sand

4.2 纖維增強LAFS力學性能

如上文所述，影響LAFS劈裂抗拉強度的顯著因素之一為聚丙烯纖維摻量，LAFS受力破壞時，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，使得球形孔隙中產生應力流動并導致應力集中，促使拉伸應力發展，最終形成貫通裂縫，試件破壞。而當在混凝土中摻入聚丙烯纖維時，可在混凝土基體內形成纖維縱橫交錯、亂向分布的形式，如圖6(a)所示。同時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倍后再進行觀察，如圖6(b)所示。結合文獻研究[14]，該蜂窩狀核殼結構為Al(OH)3·AlPO4聚合物，它是由微觀形態呈花狀結構的AlPO4包覆在Al(OH)3表面后形成的，同時該結構可作為1種高效阻燃物質，提高復合材料的拉伸強度，與纖維的加筋作用一起，提高混凝土的劈裂抗拉強度。

圖6 聚丙烯纖維電鏡照片Fig.6 Electron micrograph of polypropylene fiber

5 預測模型的建立

通過上述分析，根據復合力學材料理論[15]，利用Minitab軟件對LAFS含水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度及導熱系數進行回歸分析，假設LAFS含水率(fh)、抗壓強度(fc)、劈裂抗拉強度(ft)及導熱系數(fd)各項性能是以陶粒摻量(x1)、陶砂摻量(x2)、聚丙烯纖維摻量(x3)3種影響變量的多項式函數，假定其回歸模型如式(2)：

h=α0+α1x1+α2x2+α3x3+φ

(2)

式中：h為LAFS各項性能；α0為基體各項性能；α1，α2，α3為回歸系數；φ為試驗參數。

將表4中9組數據代入回歸模型式(2)中，對α進行最小二乘估計得出回歸方程如式(3)～(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

從式(3)～(6)中可以看出，LAFS含水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度及導熱系數模型預測程度較高，具有一定的工程借鑒意義。

6 結論

1)正交試驗設計的3種因素對LAFS力學及導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力學性能前提下，其隔熱性能最優配比為：復合雙摻陶粒、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物發生反應生成鈣礬石，提高LAFS的力學性能。各摻合料中的若干游離元素之間相互反應，生成具有阻燃、強度高、尺寸穩定，耐開裂等性能的聚合物，可有效提高混凝土的強度。

3)在混凝土受力發生破壞時，首先是陶粒、陶砂表面出現微裂縫，與混凝土基體粘結面發生破壞，進而導致裂縫的延伸，降低LAFS的力學強度；聚丙烯纖維旁聚集有大量Al(OH)3·AlPO4聚合物結構，該結構提高復合材料的拉伸強度，與纖維的加筋作用一起，提高混凝土的劈裂抗拉強度。

4)建立的預測模型可為工程應用LAFS，確定其配比時提供參考依據。