植物纤维喷射混凝土力学及微观性能分析.pdf

第37卷第8期 2 0 2 0年8月 Vol. 37 No. 8 Aug. 2 0 2 0 长江科学院院报 Jo urnal o f Yangtze River Scientific Research Institute doi10.11988/ckyyb. 201906462020,378137-141,149 植物纤维喷射混凝土力学及微观性能分析 姜平伟I ,方江华V ,庞建勇V ,黄金坤“3 1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001； 2.北京住总集团有限责任公司，北京100101； 3.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南232001 摘 要为研究不同掺量的植物纤维plant fiber,PF对植物纤维喷射混凝土plant fiber shotcrete,PFSC基本力学 性能及导热系数的影响规律，借助扫描电镜scanning electron microscope,SEM试验对PFSC的微观结构进行分析。 结果表明相较于素喷射混凝土,掺量为2.0 kg/m3的PFSC抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高了 17. 35和 20. 26,导热系数降低了 20. 61。SEM分析表明,低掺量PF在喷射混凝土内部具有较好的分散性，与混凝土基 体界面粘结性较好，但PF掺量过高时会出现纤维结团现象，使得PFSC内部缺陷增加。综合力学性能试验结果，建 议混凝土 PF掺量不宜＞2. 0 kg/m3o研究成果对于植物纤维喷射混凝土的推广应用有一定参考价值。 关键词喷射混凝土;植物纤维;力学性能;导热系数;微观性能 中图分类号TU528.53 文献标志码A 文章编号1001-5485202008-0137-05开放科学资源服务标识码OSID Mechanical Pro perties and Micro -pro perties o f Plant Fiber Sho tcrete JIANG Ping-wei1, FANG Jiang-hua1,2, PANG Jian-yo ng1,3, HUANG Jin-kun1,3 1. Scho o l o f Civil Engineering and Architecture, Anhui University o f Science and Techno lo gy, Huainan 232001, China; 2. Beijing Uni-co nstructio n Gro up Co . , Ltd. , Beijing 100101, China; 3・ ・ State Key Labo rato ry o f Mining Respo nse and Disaster Preventio n and Co ntro l in Deep Co al Mine, Anhui University o f Science and Techno lo gy, Huainan 232001, China Abstract The micro structure o f plant fiber sho tcrete PFSC is analyzed by means o f scanning electro n micro sco py SEM in a purpo se o f investigating the influence o f plant fiber do sage o n the mechanical pro perties and thermal co nductivity o f PFSC. Co mpared with tho se o f plain sho tcrete, the co mpressive strength and splitting tensile strength o f PFSC do sed with 2. 0 kg/m3 plant fiber increase by 17. 35 and 20. 26, respectively, while the thermal co nductivity reduces by 20. 61. SEM analysis sho ws that plant fiber in lo w-vo lume well disperses in the interio r o f the sho tcrete and adheres to the co ncrete matrix. Ho wever, large co ntent o f plant fiber agglo merates in the sho tcrete, leading to mo re internal defects o f PFSC ・ ・ Acco rding to the co mprehensive mechanical pro perties test results, we reco mmend that the plant fiber co ntent sho uld no t exceed 2. 0 kg/m3. Key wo rdssho tcrete； ； plant fiber； ； mechanical pro perties； ； thermal co nductivity ； ； micro sco pic perfo rmance 1研究背景 喷射混凝土自发明以来多用于巷道及隧道的初 期支护或永久支护,但相较于普通混凝土，喷射混凝 土存在易产生收缩裂缝及后期强度低等缺点,严重危 及结构的安全与稳定而植物纤维作为优良的 加筋材料，并且是一种可大量再生的农业资源⑷，含 有丰富的纤维素、半纤维素和木质素等，其纤维结构 紧密,有较好的韧性和抗拉强度,掺入混凝土中呈三 收稿日期2019-06-04;修回日期2019-07-16 基金项目安徽省高校自然科学重大项目 KJ2015ZD20;淮南市科技计划重大创新平台及创新人才团队专项2017A055 作者简介姜平伟1994-，男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向为地下工程支护材料。E-mail 1220509898 qq. co m 通信作者黄金坤1992-，男，江苏泰州人，博士研究生，研究方向为地下工程支护技术与材料。E-mailjkunhuang 163. co m 138长江科学院院报2020 年 维乱向分布E，可有效地改善混凝土基体的微观结 构,阻隔微裂纹的发展，增强其力学性能和整体性能。 胡玉龙等⑺采用正交试验设计的方法,发现适量 PF的掺入可以有效地提高混凝土的拉压比;Izquierdo 等⑻研究了掺加植物纤维砌块的开裂后性能,结果发 现由于纤维的存在，纤维通过与水泥基体的粘附而附 着在裂缝的表面，从而防止了材料的连续性丧失，因 此水泥/植物纤维复合材料具有良好的延性和抗开裂 能力;Ferreira等⑼研究了添加PF对混凝土力学性能 的影响,观察到添加PF后试件的抗压强度有所提高, 并且纤维掺量为2.0 kg/m3的混凝土具有更好的静 态弹性模量;Abbas等3以农业废弃物稻壳为原料合 成了二氧化硅气凝胶，并以不同的比例掺入水泥中， 研究了气凝胶复合水泥基复合材料中气凝胶含量对 水泥基复合材料性能的影响，结果发现气凝胶水泥基 复合材料的导热系数比对照样品明显降低。 我国作为农业大国，其中棉花产量约占世界棉 花产量的1/4,在棉花丰收的同时也产生了大量的 废弃秸秆［⑴。为了缓解过剩废弃棉花秸秆资源带 来的环境压力，特选用棉花秸秆植物纤维进行研究。 为了揭示PF对喷射混凝土力学性能及微观性能影 响的机制，本试验研究了不同纤维掺量对PFSC力 学性能和导热性能的影响，同时借助电镜扫描技术 对其微观结构进行观测。 2试验 2. 1试验原材料 1植物纤维。由于植物纤维存在腐蚀的问 题，选用改性聚乙烯醇SH胶作为补强剂对其进 行浸泡处理g ,浸泡时间为3 d,之后将PF取出自 然晾干。防腐处理过程及防腐处理前后PF的表面 微观图片如图1所示。由图1a可知，防腐处理前 PF的表面较粗糙且孔洞较多，由图1 c可知，处理 后SH胶在PF的表面形成固化膜，将PF包裹在膜 内，隔绝了纤维与水和空气的直接接触，可有效地提 高纤维的稳定性和耐蚀性。 a 处理前 b 处理中 c 处理后 图1 PF防腐处理前后扫描电镜对比 Fig. 1 SEM images o f plant fiber befo re and after antico rro sio n treatment 2砂子的质量指标见表1。 表1砂子质量指标 Table 1 Quality inds o f sand 项目 细度含泥量/堆积密度/粒径范围/表观密度/ kg-m-3模数 kg m-3 mm 检测结果2.8W2 1 470 0. 16-1.002. 69X106 3石子采用淮南产瓜子片石,质量指标见表2O 表2石子质量指标 Table 2 Quality inds o f sto ne 项目 颗粒级含泥量/堆积密度/ 压碎指表观密度/ 配/mm kg - m-3标/kg m-3 检测结果510W0.2 1 580 7.52.7X106 4粉煤灰选用淮南产I级粉煤灰，指标见表3。 表3粉煤灰质量指标 Table 3 Quality inds o f fly ash 项目细度需水量烧失量 游离氧化 钙含量 so3 含量 检测结果8955W1W3 5水泥选用淮南八公山水泥厂产P・・0 42. 5 普通硅酸盐水泥,拌合水选用普通饮用水,减水剂为 聚竣酸减水剂。 2.2试验配合比 为了研究不同PF掺量对PFSC材料力学性能 和导热系数的影响,试验参照规范M ,以普通喷射 混凝土配合比为基准，设置7种不同纤维掺量的 PFSC,分别为 0,0. 5,1.0,1.5,2. 0,2. 5,3.0 kg/m3, 具体配合比见表4。 表4植物纤维喷射混凝土配合比设计 Table 4 Mix pro po rtio ns o f plant fiber sho tcrete kg/m3 试块编号水泥植物纤维粉煤灰石子砂子水减水剂 C427.5047.5830.6830.6213.83.8 PF-1427.50.547.5830.6830.6213.83.8 PF-2427.51.047.5830.6830.6213.83.8 PF-3427.51.547.5830.6830.6213.83.8 PF-4427.52.047.5830.6830.6213.83.8 PF-5427.52.547.5830.6830.6213.83.8 PF-6427.53.047.5830.6830.6213.83.8 2. 3试件制作、养护及测试 严格按照规范要求①-⑸加工制作及养护混凝 土试块;本试验所有试块均放置于饱和的Ca0H2 溶液中养护28 d,其中尺寸为100 mmx 100 mmx 100 nrn长X宽X高的试块每组6块,3块用来测 定抗压强度,3块用来测定劈裂抗拉强度;尺寸为 300 mmx 300 mmx30 mm的21块试块用来测定导热 系数；分别选用安徽理工大学省部共建深部煤矿采动 响应及灾害防控国家重点实验室的WAW-2000型电 液伺服万能试验机和PDR-300型导热系数测定仪测 定混凝土的力学性能和导热系数。 第8期 姜平伟等植物纤维喷射混凝土力学及微观性能分析 139 3试验结果及分析 3.1试验结果 考虑到试样在制作和试验仪器加载过程中难免 会存在误差，在确定试验结果时首先去除各组试验 数据中离散性较大的试验数据，然后取剩余试验数 据的平均值作为试验结果,试验结果如表5所示。 3.2试验分析 3. 2. 1 PF掺量对PFSC抗压性能的影响 从表5和图2可以看出,PF的掺入显著提高了 喷射混凝土的抗压强度,尤其是PF的掺量为2.0 kg/m3时，抗压强度的增幅最高,增幅为17.35,并 且此掺量下PFSC的抗压强度可以达到 39.56 MPa,主要是由于PF的掺入，混凝土基体能 与均匀分散的PF发挥更好的协同作用，进而增强 PFSC的抗压强度皿；当掺量＞2.0 kg/m3时，混凝 土的抗压强度开始下降,究其原因是因为过量PF 的掺入，不可避免地存在一部分纤维岀现结团现象, 同时包裹在纤维表面的水泥浆体也在增加,使得基 体的和易性变差，难以振捣密实成型，混凝土内部孔 隙率增大，从而大大降低了 PFSC的抗压强度。其 中拟合曲线方程为 了1 30. 875 8. 56 ・ ・ exp{ - 0. 5[仏-1. 835/1. 24]2 J 。 1 式中皿为纤维掺量;X为PFSC的抗压强度。曲线 拟合度较高,人2二0. 988 o 抗压强度试验过程中,PFSC抗压试块破坏形态 也发生了明显的改变图3。普通喷射混凝土破坏 后，试块表面剥落较为严重;掺入PF的PFSC抗压 试块破坏后保持了较为完整的外观，并且随着纤维 掺量的增加，试块完整度升高,表面剥落现象逐渐减 少，表现出较好的整体性。 3. 2. 2 PF掺量对PFSC劈裂抗拉性能的影响 从表5可以看出，纤维掺量02.0 kg/m3范围 内，随着纤维掺量的增加,PFSC劈裂抗拉强度较素 图2 PFSC抗压强度拟合曲线 Fig. 2 Fitting curve o f co mpressive strength o f PFSC 图3 PFSC抗压试件破坏形态 Fig. 3 Failure mo des o f PFSC specimens under co mpressio n 喷射混凝土抗拉强度不断提升，增幅最大为 20. 26； ；PF掺量〉2.0 kg/m3时,PFSC抗拉强度开 始大幅降低；纤维掺量为1.5-2.0 kg/m3时PF对 PFSC的抗拉强度贡献率达到最大;曲线拟合度也较 高A二0. 986,拟合曲线方程为 y2 2. 0 0. 715 expj - 0. 5[先-1. 835/1. 328] V 。 ⑵⑵ 式中y2为PFSC的劈裂抗拉强度。 表5试验结果 Table 5 Test results 试块编号 纤维掺量/抗压强度/抗压强度劈裂抗拉强度/劈裂抗拉强度导热系数/导热系数 kg m-3 MPa增幅/MPa增幅/ W K m1增幅/ C033.7102. 2700. 398 30 PF-10.535.645.732. 447.490. 369 4-7.26 PF-21.037.7511.982. 5813.660. 346 5-13.00 PF-31.539.0515.842. 6818.060. 329 5-17.27 PF-42.039.5617.352. 7320. 260.316 2-20. 61 PF-52.538.0112. 762.6114. 980.310 3-22. 09 PF-63.036. 528.342. 499. 690. 307 1-22. 90 注表中增幅是相对于纤维掺量为0的混凝土试件测试结果而言。 140长江科学院院报2020 年 劈裂抗拉强度试验过程中,可明显观察到PFSC 试块破坏后的裂缝宽度要比普通喷射混凝土破坏后 的裂缝宽度小图4。这表明PF的掺入约束了 PFSC中微裂缝的发展，相较于素混凝土，均匀分布 的纤维,易形成多向的空间结构,与混凝土形成有效 整体,从而改善其抗拉性能,提高韧性。 a试块C纤维摻量0 kg/irf b试块PF-2纤维掺量1.0 kg/irf c试ftPF-4纤维掺量2.0 kg/“ 图4 PFSC劈裂抗拉试件破坏形态 Fig. 4 Failure mo des o f PFSC specimens under splitting and tensio n 3.2.3 PFSC应力-应变曲线 通过PFSC抗压强度和劈裂抗拉强度试验测得 的荷载-位移数据，用Origin 9. 0软件拟合出试件受 力过程中的应力-应变曲线曲线，如图5所示。 从图5a可知,PFSC与素喷射混凝土都经历 了弹性阶段、弹塑性阶段、峰值应力点和塑性破坏 段，并且掺加了 PF的PFSC g曲线下降段的趋势 较素喷射混凝土相对缓和;从图5a与图5b还 可以看出，随着PF掺量的增加,在达到峰值应力点 时,PFSC抗压强度和抗拉强度所对应的极限应变量 也逐渐增大，其中2.0 kg/m3掺量下的PFSC抗压 强度的峰值应变量为2. 27X10-2,抗拉强度的极限 应变量为2.12x10- 3. 2.4 PF掺量对PFSC导热性能的影响 PF是一种保温性能非常好的材料,得益于PF本 身低导热系数的特性，掺加了 PF后的PFSC,增加了 J 22 o O o O 4 3 4 3 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 b抗拉强度曲线 图5 PFSC应力-应变曲线 Fig. 5 Stress-strain curves o f PFSC specimens 其内部的气体对流传热与孔壁间的辐射传热図，使得 PFSC导热系数减少，进而提高了 PFSC的保温隔热 ft,PFSC导热系数拟合曲线如图6所示。 图6 PFSC导热系数拟合曲线 Fig. 6 Fitting curve o f thermal co nductivity o f PFSC 从表5和图6可知,PF的掺入显著降低了 PF SC 的导热系数,尤其是掺量在23 kg/rr范围内 PFSC的导热系数降幅均＞20。拟合曲线方程为 y3 0. 108exp - x/1. 454 0. 292 o 3 式中％％为PFSC导热系数。曲线拟合度较高，疋 0. 997 0 因此可在高温巷道喷射混凝土中掺入PF,在强 度满足矿井建设需要的同时，进而改善PFSC的导 热性能，减少巷道的高温热害闵。 3.2.5 PFSC微观结构分析 SEM是研究水泥基水化产物的仪器。由图7 第8期姜平伟等植物纤维喷射混凝土力学及微观性能分析141 可知，裸露在外的PF表面都覆盖有稠密的刺状或 球状物质，这些物质主要是水泥水化基质。在PFSC 水化反应过程中，水泥水化产物水化铝酸钙C-A- H凝胶与水泥二次水化产物钙矶石AFt紧密包 裹PF,当纤维受拉时，可以与水泥基质之间形成一 定的机械咬合力，因此分散在PFSC内部的单根PF 作用与钢筋作用相似,PF与喷射混凝土基体的紧密 结合，起到了二次微加筋的作用，并且PF均匀不定 向分布在PFSC内部，形成稳定的空间网状结构，有 效地提升了 PFSC的力学性能。 a＞水泥水化机制 C-A-H 、AFt 4 b纤维桥牵作用 图7 PF与基体的粘结 Fig. 7 Bo nding between plant fiber and matrix 但过多的纤维掺入难免会出现纤维结团现象，如 图8所示，通过扫描PF-6组PF掺量为3 km3试 a放大倍数为200 b放大倍数为400 图8 PFSC纤维分布粘结SEM图像 Fig. 8 SEM images o f distributio n and bo nding o f PFSC 块观察到，纤维结团会影响纤维与混凝土的充分粘 结，降低PF与PFSC基体的粘结性能，并且纤维的结 团还会使混凝土内部缺陷增加,不利于PFSC性能的 提升。 4结论 1 植物纤维PF的掺量对喷射混凝土的力学 性能影响较大，植物纤维喷射混凝土PFSC的抗压 强度与劈裂抗拉强度随纤维掺量的不断增加呈先增 后减的变化趋势。尤其是纤维掺量在2 kg/m3时, PFSC抗压强度以及抗拉强度均达到最大值。 2 PFC的导热系数随PF掺量的增加呈指数 降低趋势，并且PF掺量2 kg/m3下的PFSC相较于 素喷射混凝土，其导热系数降低了 20.61。 3 PF可以很好地与混凝土基体胶结,三维乱 向分布的PF在PFSC内部形成稳定的承力结构，改 善混凝土基体内部应力分布，抑制微裂纹的产生与 发展;过多的PF掺入会出现纤维结团现象,影响纤 维与混凝土的充分粘结,不利于PFSC性能的提升。 参考文献 [1] 王家滨，牛荻涛.喷射混凝土力学性能试验研究及预 测模型建立[J].硅酸盐通报,2019,381125-131. 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