混雜纖維井壁混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)研究

張 平，姚直書，薛維培，穆克漢

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

隨著煤炭資源長期開采，淺部資源漸趨枯竭，礦井開采水平逐漸加深，工程地質(zhì)條件也隨之變得復(fù)雜[1-2]。立井井筒作為深部資源開采的必要通道，其支護(hù)結(jié)構(gòu)(井壁)受力條件也變得更加復(fù)雜，為此，在礦山井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了高強(qiáng)混凝土材料[3-4]。但隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，其脆性明顯增加，結(jié)構(gòu)延性變差、可靠性降低[5]。

已有的研究表明，在普通高強(qiáng)混凝土中添加一定量的纖維可以提高聚合物的抗拉強(qiáng)度和抗裂性能，改善混凝土的脆性特征[6-8]。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)混凝土中加入鋼纖維可以明顯提高混凝土的抗拉強(qiáng)度；文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇纖維可以有效改善混凝土的脆性和早期開裂性；文獻(xiàn)[11]通過在井壁混凝土中添加聚丙烯纖維，顯著提高了其抗裂性；文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)鋼-PVA纖維混雜在提高混凝土力學(xué)性能方面要優(yōu)于單摻纖維。而在地下工程的應(yīng)用中，鋼纖維易生銹，結(jié)構(gòu)的長期可靠性難以得到保證，同時(shí)摻入鋼纖維會(huì)增大混凝土的重量，因此，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍[13]。而聚丙烯仿鋼纖維具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、易分散、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可作為改善鋼纖維的替代品[14]。

本文以普通C60井壁混凝土為基礎(chǔ)，采用正交試驗(yàn)研究了PVA纖維摻量和FST纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，并得到了混雜纖維混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及彈性模量和泊松比等參數(shù)，同時(shí)為進(jìn)一步闡述纖維混雜對(duì)混凝土力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)理，利用掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行微觀形貌分析，為深部礦井井壁筑壁材料的選取以及工程應(yīng)用提供參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 纖維混雜井壁混凝土的配制

1.1 原材料的選取

本次配制選用的水泥是海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能見表1；細(xì)骨料選用普通淮濱河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，含泥量小于1.6%；粗骨料選用級(jí)配良好的明光玄武巖碎石，最大粒徑不超過20mm，壓碎性指標(biāo)為6.7%；外加劑選用熊貓牌NF-F復(fù)合外加劑，其主要成分是73.5%的超細(xì)礦渣、20%的硅粉以及6.5%的高性能減水劑；纖維選用的是PVA纖維和FST纖維，其基本物理性能見表2，外觀圖如圖1所示。

(a)PVA纖維 (b)FST纖維圖1 纖維外觀圖

表1 水泥的性能指標(biāo)

表2 纖維的性能指標(biāo)

1.2 配合比及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)論，通過試配得到基準(zhǔn)C60混凝土的配合比為NF-F∶砂∶石子∶水∶水泥=130∶630.864∶1 121.536∶151.2∶410，kg/m3。

以PVA纖維摻量和FST纖維摻量為正交試驗(yàn)的兩個(gè)因素， PVA纖維體積率設(shè)置為0.08%、 0.12%、 0.16%三個(gè)水平， FST纖維體積率設(shè)置為0.2%、 0.3%、0.4%三個(gè)水平，將兩種纖維單獨(dú)摻入和混合摻入到基準(zhǔn)混凝土中。具體正交試驗(yàn)配合比見表3。

表3 正交試驗(yàn)配合比

1.3 試件制備

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共有16組配合比，每組制備9個(gè)100mm×100mm×100mm立方體試件和6個(gè)100mm×100mm×300mm棱柱體試件。具體澆筑過程為：先將稱好的石子和砂依次倒入攪拌機(jī)干拌120s，接著加入水泥和外加劑后繼續(xù)干拌120s，然后分批均勻加入纖維后攪拌60s，最后加水濕拌120s；再將攪拌好的混凝土澆注到模具內(nèi)，放至振動(dòng)臺(tái)振搗成型，在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，轉(zhuǎn)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。

2 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)

立方體齡期抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100mm×100mm×100mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，尺寸滿足規(guī)范要求，試件的強(qiáng)度每組取三次試驗(yàn)的平均值，并根據(jù)規(guī)范，將抗壓強(qiáng)度平均值和劈拉強(qiáng)度平均值分別乘以0.95和0.85的尺寸換算系數(shù)， 最終得到各組試件的試驗(yàn)結(jié)果。 試驗(yàn)儀器采用長春試驗(yàn)機(jī)研究所有限公司生產(chǎn)的CSS-YAW3000電液伺服壓力機(jī)，各組試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后， 按照《纖維混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(CECS：2009)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試。 試驗(yàn)情形如圖2所示。

表4不為同組混凝土7d、28d立方體抗壓強(qiáng)度和28d劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，圖3、圖4分別為不同纖維摻量的混雜纖維混凝土28d抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度對(duì)比。

(a)抗壓加載 (b) 劈裂抗拉加載圖2 實(shí)驗(yàn)加載示意圖

表4 試驗(yàn)結(jié)果表

圖3 混雜纖維混凝土28d抗壓強(qiáng)度

圖4 混雜纖維混凝土28d劈拉強(qiáng)度

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知，無論是纖維單摻還是纖維混摻，對(duì)混凝土試件的齡期抗壓強(qiáng)度影響都不大。與基準(zhǔn)組相比，纖維混雜組PF-22略提升2.9%。但纖維的加入可以明顯提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)PVA纖維摻量為0.12%，F(xiàn)ST纖維摻量為0.3%時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了41.69%，增強(qiáng)效果十分顯著。

由圖3可見，當(dāng)纖維摻量過低時(shí)，會(huì)略微降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，而隨著纖維摻量的提高，強(qiáng)度會(huì)有所上升，但摻量進(jìn)一步提高反而起到相反的效果，說明加入合理摻量的混雜纖維會(huì)一定程度上提高混凝土抗壓強(qiáng)度，但纖維摻量過多或者過少則會(huì)起到降低作用。主要是因?yàn)檫^少的纖維不能形成有效的承力體系，反而會(huì)降低混凝土內(nèi)部薄弱界面的界面黏結(jié)力；而合理摻量的混雜纖維中，束狀FST纖維會(huì)起到支撐骨架作用，同時(shí)PVA纖維可以起到減少混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)目，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，從而增大了混凝土的抗壓強(qiáng)度。但隨著纖維摻量的進(jìn)一步提高，纖維分布不均勻，甚至?xí)p繞、結(jié)團(tuán)，使混凝土界面效應(yīng)加強(qiáng)，反而會(huì)使強(qiáng)度降低。

由圖4可見，當(dāng)PVA纖維摻量水平不變時(shí)，隨著FST纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度先增大后減小，在FST纖維摻量為第二水平時(shí)，其劈拉強(qiáng)度最高。當(dāng)FST纖維摻量為第一水平和第三水平時(shí)，混雜纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度均隨著PVA纖維摻量的增加而增大，在摻量為第三水平時(shí)最高；但當(dāng)FST纖維摻量為第二水平時(shí)，混雜纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度隨著PVA纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在摻量為第二水平時(shí)劈拉強(qiáng)度最高。

為研究PVA纖維(A)和FST纖維(B)兩因素對(duì)混雜纖維混凝土7d、28d立方體抗壓強(qiáng)度和28d劈拉強(qiáng)度的影響程度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，其結(jié)果如表5所示。

表5 極差分析結(jié)果

由表5可知,7d、28d立方體抗壓強(qiáng)度和28d劈拉強(qiáng)度優(yōu)水平都為A2B2。但是，根據(jù)極差R的大小比較可以看出，影響7d、28d立方體抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)锳B，而影響28d劈拉強(qiáng)度的主次順序?yàn)锽A。即PVA纖維對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度影響程度較大，而FST纖維對(duì)立方體劈拉強(qiáng)度影響程度較大。綜合考慮，故本次試驗(yàn)選用的混雜纖維混凝土為PF-22組。

2.2 彈性模量與泊松比試驗(yàn)

彈性模量和泊松比作為混凝土材料的重要力學(xué)參數(shù)，可用于井壁混凝土的數(shù)值模擬分析和損傷破壞計(jì)算，是工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)。為得到纖維混雜混凝土PF-22組的彈性模量和泊松比，本次試驗(yàn)以基準(zhǔn)組PF-00、PVA纖維單摻組P-2、FST纖維單摻組F-2為對(duì)照組，采用100mm×100mm×300mm的棱柱體試件，在試件澆筑面兩側(cè)中心位置沿橫向和縱向分別粘貼電阻應(yīng)變片，并通過靜態(tài)應(yīng)變儀得到混凝土的應(yīng)變值，同時(shí)為減小偏心荷載的影響，選擇采用串聯(lián)的方法進(jìn)行。試驗(yàn)情形如圖5所示，各組試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖5 彈性模量、泊松比試驗(yàn)情形

表6 彈性模量和泊松比試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，PVA纖維和FST纖維的摻入對(duì)混凝土的彈性模量和泊松比沒有太大的影響。其中基準(zhǔn)組混凝土彈性模量為37.31GPa，泊松比為0.211；纖維混雜組混凝土彈性模量為37.41GPa，泊松比為0.216。

2.3 軸心抗壓與應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)

軸心抗壓與應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)和彈性模量與泊松比試驗(yàn)一樣也采用100mm ×100mm×300mm的棱柱體試件，但選用的是電阻應(yīng)變片和引伸計(jì)來測量混凝土的應(yīng)變值。軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表7，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

表7 軸心抗壓試驗(yàn)結(jié)果

圖6 軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由表7的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入對(duì)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度提升幅度很小，但可以有效提高混凝土的峰值應(yīng)變。其中混雜纖維組PF-22的軸心抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了5.86%，峰值應(yīng)變較基準(zhǔn)組提高了13.62%。

比較圖6各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，各組曲線的上升段幾乎重合，但是在曲線的下降段，纖維混雜組比基準(zhǔn)組要更加平緩一些，同時(shí)試件的殘余強(qiáng)度也更大，說明纖維混雜能有效提高混凝土的延性。

3 SEM掃描電鏡

材料的微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)其宏觀性能起著決定性作用[16]，為觀察纖維混雜井壁混凝土的微觀形貌，按要求在試件受單軸壓縮破壞后取出樣本送至掃描電鏡室進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 各組混凝土的微觀形貌圖

由圖7可以看出，混凝土基體表面沒有明顯的孔隙存在，主要是由于混凝土配制時(shí)選用的復(fù)合外加劑NF-F中含有礦渣和硅粉等超細(xì)礦物摻合料能夠有效填充內(nèi)部微小孔隙，改善混凝土密實(shí)性；同時(shí)，這兩種摻合料中所含的SiO2和Al2O3等物質(zhì)可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，將孔隙進(jìn)一步填充密實(shí)。此時(shí)混凝土基體主要是水化反應(yīng)生成的C-S-H凝膠和Ca(OH)2晶體組成[17]，這些結(jié)晶相互膠結(jié)、填充成更為密集的結(jié)合體，但是在一些結(jié)合不良的地方會(huì)因?yàn)榛炷劣不湛s而產(chǎn)生微裂縫。如圖7(a)所示，基準(zhǔn)混凝土基體表面存在多條長而寬的微裂縫，相比之下，PVA纖維(圖7(b))和FST纖維(圖7(c))單摻組基體表面微裂縫更少，但外觀比較散碎，結(jié)構(gòu)比較疏松。而由圖7(d)可以看出，纖維混雜混凝土不僅能有效減少了微裂縫數(shù)量，同時(shí)結(jié)構(gòu)更加致密，說明合理摻量的纖維混雜能起到抑制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)張，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀形貌的作用。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)PVA纖維摻量為0.12%，F(xiàn)ST纖維摻量為0.3%時(shí)，纖維混雜對(duì)井壁混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度影響不大，但可以顯著提高劈裂抗壓強(qiáng)度，提高幅度達(dá)到41.69%。

(2)纖維混雜對(duì)井壁混凝土彈性模量和泊松比影響很小，得到基準(zhǔn)組混凝土彈性模量為37.31GPa，泊松比為0.211；纖維混雜混凝土彈性模量為37.41GPa，泊松比為0.216。

(3)纖維混雜可以使應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段趨于平緩，能有效提高井壁混凝土破壞時(shí)的峰值應(yīng)變和殘余強(qiáng)度，增大其延性。

(4)纖維混雜可以抑制井壁混凝土內(nèi)部微裂縫、孔隙的產(chǎn)生和擴(kuò)張，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。