張 平，姚直書，薛維培，穆克漢

(安徽理工大學土木建筑學院, 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)條件也隨之變得復雜[1-2]。立井井筒作為深部資源開采的必要通道，其支護結(jié)構(gòu)(井壁)受力條件也變得更加復雜，為此，在礦山井壁結(jié)構(gòu)設計中采用了高強混凝土材料[3-4]。但隨著混凝土抗壓強度的提高，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，在普通高強混凝土中添加一定量的纖維可以提高聚合物的抗拉強度和抗裂性能，改善混凝土的脆性特征[6-8]。文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)在高強混凝土中加入鋼纖維可以明顯提高混凝土的抗拉強度；文獻[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[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[12]研究發(fā)現(xiàn)鋼-PVA纖維混雜在提高混凝土力學性能方面要優(yōu)于單摻纖維。而在地下工程的應用中，鋼纖維易生銹，結(jié)構(gòu)的長期可靠性難以得到保證，同時摻入鋼纖維會增大混凝土的重量，因此，在一定程度上限制了其應用范圍[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，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，采用正交試驗研究了PVA纖維摻量和FST纖維摻量對混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響，并得到了混雜纖維混凝土的應力應變曲線以及彈性模量和泊松比等參數(shù)，同時為進一步闡述纖維混雜對混凝土力學性能的增強機理，利用掃描電鏡對其進行微觀形貌分析，為深部礦井井壁筑壁材料的選取以及工程應用提供參考和設計依據(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；細骨料選用普通淮濱河砂，細度模數(shù)為2.9，含泥量小于1.6%；粗骨料選用級配良好的明光玄武巖碎石，最大粒徑不超過20mm，壓碎性指標為6.7%；外加劑選用熊貓牌NF-F復合外加劑，其主要成分是73.5%的超細礦渣、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

表2 纖維的性能指標

1.2 配合比及正交試驗設計

根據(jù)文獻[15]的研究結(jié)論，通過試配得到基準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的兩個因素， PVA纖維體積率設置為0.08%、 0.12%、 0.16%三個水平， FST纖維體積率設置為0.2%、 0.3%、0.4%三個水平，將兩種纖維單獨摻入和混合摻入到基準混凝土中。具體正交試驗配合比見表3。

表3 正交試驗配合比

1.3 試件制備

根據(jù)正交試驗設計，共有16組配合比，每組制備9個100mm×100mm×100mm立方體試件和6個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)，放至振動臺振搗成型，在室內(nèi)養(yǎng)護24h后拆模，轉(zhuǎn)至標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行試驗。

2 基本力學性能試驗

2.1 抗壓強度和劈拉強度試驗

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

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

(a)抗壓加載 (b) 劈裂抗拉加載圖2 實驗加載示意圖

表4 試驗結(jié)果表

圖3 混雜纖維混凝土28d抗壓強度

圖4 混雜纖維混凝土28d劈拉強度

由表4試驗結(jié)果可知，無論是纖維單摻還是纖維混摻，對混凝土試件的齡期抗壓強度影響都不大。與基準組相比，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度，當PVA纖維摻量為0.12%，F(xiàn)ST纖維摻量為0.3%時，其劈裂抗拉強度較基準組提高了41.69%，增強效果十分顯著。

由圖3可見，當纖維摻量過低時，會略微降低混凝土的抗壓強度，而隨著纖維摻量的提高，強度會有所上升，但摻量進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一定程度上提高混凝土抗壓強度，但纖維摻量過多或者過少則會起到降低作用。主要是因為過少的纖維不能形成有效的承力體系，反而會降低混凝土內(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纖維會起到支撐骨架作用，同時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度。但隨著纖維摻量的進一步提高，纖維分布不均勻，甚至會纏繞、結(jié)團，使混凝土界面效應加強，反而會使強度降低。

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

為研究PVA纖維(A)和FST纖維(B)兩因素對混雜纖維混凝土7d、28d立方體抗壓強度和28d劈拉強度的影響程度，對試驗結(jié)果進行極差分析，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立方體抗壓強度和28d劈拉強度優(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立方體抗壓強度的主次順序為AB，而影響28d劈拉強度的主次順序為BA。即PVA纖維對立方體抗壓強度影響程度較大，而FST纖維對立方體劈拉強度影響程度較大。綜合考慮，故本次試驗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

彈性模量和泊松比作為混凝土材料的重要力學參數(shù)，可用于井壁混凝土的數(shù)值模擬分析和損傷破壞計算，是工程應用設計中必不可少的基礎參數(shù)。為得到纖維混雜混凝土PF-22組的彈性模量和泊松比，本次試驗以基準組PF-00、PVA纖維單摻組P-2、FST纖維單摻組F-2為對照組，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變片，并通過靜態(tài)應變儀得到混凝土的應變值，同時為減小偏心荷載的影響，選擇采用串聯(lián)的方法進行。試驗情形如圖5所示，各組試驗結(jié)果如表5所示。

圖5 彈性模量、泊松比試驗情形

表6 彈性模量和泊松比試驗結(jié)果

由表6可知，PVA纖維和FST纖維的摻入對混凝土的彈性模量和泊松比沒有太大的影響。其中基準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 軸心抗壓與應力-應變曲線試驗

軸心抗壓與應力-應變曲線試驗和彈性模量與泊松比試驗一樣也采用100mm ×100mm×300mm的棱柱體試件，但選用的是電阻應變片和引伸計來測量混凝土的應變值。軸心抗壓強度試驗結(jié)果見表7，應力-應變曲線如圖6所示。

表7 軸心抗壓試驗結(jié)果

圖6 軸心抗壓應力-應變曲線

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

比較圖6各組試件的應力-應變曲線可以看出，各組曲線的上升段幾乎重合，但是在曲線的下降段，纖維混雜組比基準組要更加平緩一些，同時試件的殘余強度也更大，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選用的復合外加劑NF-F中含有礦渣和硅粉等超細礦物摻合料能夠有效填充內(nèi)部微小孔隙，改善混凝土密實性；同時，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，生成C-S-H凝膠，將孔隙進一步填充密實。此時混凝土基體主要是水化反應生成的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)合不良的地方會因為混凝土硬化收縮而產(chǎn)生微裂縫。如圖7(a)所示，基準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)生和擴張，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀形貌的作用。

4 結(jié)論

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

(2)纖維混雜對井壁混凝土彈性模量和泊松比影響很小，得到基準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)纖維混雜可以使應力-應變曲線下降段趨于平緩，能有效提高井壁混凝土破壞時的峰值應變和殘余強度，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)生和擴張，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。