宋晉鵬，劉 靜，金 鑫,3

(1. 山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619; 2. 河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002;3. 中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

相較于普通混凝土，噴射混凝土存在易產(chǎn)生干縮裂縫、后期力學(xué)強度不足等缺點。尤其是應(yīng)用環(huán)境為干燥的高巖溫公路隧道、深部熱害顯著的煤礦巷道。初期支護(hù)噴射混凝土早期干裂現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重危及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

輕骨料噴射混凝土多以陶粒替代一定體積率石子配制而成，具有一定隔熱效應(yīng)的支護(hù)材料。張俊儒[1]和龐建勇[2]等均研制了具有隔熱效應(yīng)的輕骨料噴射混凝土，并分別應(yīng)用于高巖溫公路隧道及深部煤礦熱井巷道，有效阻隔了圍巖散熱。李運華[3]和白明舉[4]等應(yīng)用輕骨料噴射混凝土有效解決了公路隧道及喀斯特地區(qū)隧道滲漏水問題。噴射混凝土水泥水化也是其內(nèi)部應(yīng)力重分布的過程。水泥漿體可在水泥水化過程中逐漸滲入表面布滿孔隙及微裂縫的陶粒、陶砂。一定程度上緩解了水泥基體中熱應(yīng)力的釋放。而相較于高彈性模量的橡膠顆粒，陶粒、陶砂具有一定剛度。將彈性模量高的廢棄橡膠顆粒摻入混凝土后，可有效改善混凝土內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善混凝土基體受熱干縮開裂現(xiàn)象。橡膠混凝土在道路工程中體現(xiàn)出良好的耐磨性、抗凍性及抗高溫性[5-7]，可有效降低水泥水化過程中內(nèi)部溫差產(chǎn)生的大量溫差裂縫。對于小凈距雙向隧道、深部礦井回采動壓巷道，初期支護(hù)噴射混凝土受沖擊作用明顯，摻入橡膠顆粒的噴射混凝土，可使初期支護(hù)體現(xiàn)出良好的抗沖擊性[8]。纖維對混凝土的性能有顯著的影響，控制塑性收縮開裂的一種高效技術(shù)就是用纖維來增強混凝土。PVA無規(guī)則分布的纖維會在裂紋上產(chǎn)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(xué)性能[9]。

現(xiàn)階段，對于輕骨料噴射混凝土的研究多是摻入低導(dǎo)熱系數(shù)陶粒來降低其導(dǎo)熱性，并也取得了一定成果。但學(xué)者們忽略了干熱的水泥水化環(huán)境，水泥基體內(nèi)部熱應(yīng)力釋放產(chǎn)生大量裂縫，改善噴射混凝土內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。由此本文提出摻入低導(dǎo)熱系數(shù)陶粒、高彈性模量橡膠顆粒來改善噴射混凝土導(dǎo)熱性、熱膨脹結(jié)構(gòu)，同時考慮PVA纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)勢，提出一種具有隔熱、抗干裂及力學(xué)性能增強的CRP-FS。研究成果可為CRP-FS推廣及配合比確定提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

1.1.1 陶粒

從圖1中可以看出，顆粒表面粗糙，整體外觀及內(nèi)部布滿大小不一的孔隙及微裂縫。正是由于該種結(jié)構(gòu)，水泥水化初期水泥漿液可以充分滲入，實現(xiàn)陶粒顆粒與噴射混凝土基體充分粘結(jié)[10]，優(yōu)化基體過渡面。陶粒質(zhì)量參數(shù)如表1所示。

圖1 陶粒實物圖與內(nèi)部電鏡照片

表1 陶粒質(zhì)量參數(shù)表

1.1.2 橡膠顆粒

橡膠顆粒：廢舊橡膠輪胎加工而成的橡膠，橡膠顆粒粒徑為3～6 mm。橡膠實拍和電鏡掃描如圖2所示?？梢钥吹剑鹉z微觀表現(xiàn)為多孔、層狀及疏松狀；廢舊橡膠顆粒作為一種柔性材料的彈性體，將其摻入到混凝土中能顯著改善噴射混凝土的干縮開裂現(xiàn)象[11]。

圖2 橡膠實拍和電鏡掃描圖

1.1.3 PVA纖維

聚乙烯醇（PVA）纖維長度為12 mm。由圖3可以看出，PVA纖維質(zhì)地均勻、表面平整，將其摻入到CRP-FS中，可與其基體緊密結(jié)合，同時大量研究表明水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣（C-A-H凝膠）[12]與水泥二次水化產(chǎn)物鈣礬石（AFt）緊密包裹纖維，可使其與基體緊密結(jié)合，優(yōu)化基體界面，提高混凝土整體性，進(jìn)而提高混凝土力學(xué)及抗裂性能。

圖3 PVA纖維實拍和電鏡掃描圖

本試驗其余材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，I級粉煤灰，5～10 mm的瓜子片石，細(xì)砂，普通飲用水。

1.2 試驗配合比

按照J(rèn)GJT 372-2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計，以C20噴射混凝土基準(zhǔn)配合比，確定水泥、砂子、石子、水和外加劑的用量。分別取陶粒代替6%、12%、18%的石子因素（A），橡膠代替5%、10%、15%的砂子因素（B），PVA纖維體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%因素（C）設(shè)計了如表2所示的9組CRP-FS，其中第10組為普通噴射混凝土。

表2 試驗配合比

1.3 試件制作、養(yǎng)護(hù)及測試方法

參照表2配合比進(jìn)行CRP-FS的試件制備，其中早期抗裂試件每組2塊，尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，抗裂試驗嚴(yán)格按照GBT 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，計算試件總開裂面積T（mm2）、平均開裂面積a（mm2/根），如下式所示：

式中：wi——第i根裂縫寬度，mm；

li——第i根裂縫長度，mm；

N——裂縫總根數(shù)。

按照規(guī)范[13-14]測定每組試樣的抗壓、劈裂抗拉，其中尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試塊每組6塊；尺寸為300 mm×300 mm×10 mm的試塊每組3塊，用來測定導(dǎo)熱系數(shù)；分別選用WAW-2000型電液伺服萬能試驗機和PDR-300型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定混凝土的力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 極差分析

取每組試驗的算術(shù)平均值作為該組試件各項評價指標(biāo)試驗結(jié)果，如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

為探究陶粒摻量Vc、橡膠摻量Vr、PVA纖維摻量Vp3種因素對CRP-FS早期抗裂性能初裂時間、最大裂縫寬度、總開裂面積及單根裂縫平均開裂面

積影響程度，根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，按式（3）計算方式，計算不同影響因素下各評價指標(biāo)的極差R。分析結(jié)果如表4所示。各因素-水平如圖4所示。

表4 試驗結(jié)果及極差1）

圖4 CRP-FS早期抗裂性能因素-水平

式中：Kim——第i列因素m水平對應(yīng)試驗結(jié)果之和；

2.1.1 CRP-FS早期抗裂性能

從表4、圖4中可以看出，隨陶粒摻量Vc的增加，CRP-FS總開裂面積、平均開裂面積逐漸增加，初裂時間先增后減，最大裂縫寬度先降后增。這主要是由于適量摻量的陶粒顆粒摻入混凝土后，水泥漿體可與陶粒充分粘結(jié)，提高基體整體及密實性，并且多孔隙陶?？晌詹糠炙?，有效減弱毛細(xì)管負(fù)壓產(chǎn)生的漿體塑性收縮，一定程度上延緩了初裂時間及裂縫寬度。但由于質(zhì)輕的陶粒會產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，所以過多摻量的Vc會大幅提高CRP-FS總開裂面積、平均開裂面積，增幅最大分別為328.07%、86.14%。

隨橡膠摻量Vr的增加，CRP-FS總開裂面積、平均開裂面積均先降后增，而初裂時間先增后減，最大裂縫寬度基本無變化。這主要是由于適量Vr摻入，一方面可以有效改善混凝土內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)，基體彈性模量提高；另一方面，表面憎水的橡膠顆?？梢杂行б种苹w水份向混凝土表面移動，使CRP-FS開裂現(xiàn)象緩解。同樣地，過量質(zhì)輕陶粒摻入后，上浮現(xiàn)象明顯，CRP-FS抗裂性能大幅降低，總開裂面積增幅最大為22.52%。

隨PVA纖維摻量Vp的增加，CRP-FS抗裂性能各評價指標(biāo)均顯示逐步優(yōu)化趨勢，CRP-FS總開裂面積、平均開裂面積、初裂時間、最大裂縫寬度優(yōu)化幅度最大分別為 14.09%、3.59%、20.51%及–46.30%?？梢娎w維摻量對初裂時間及最大裂縫寬度的優(yōu)化效果最優(yōu)。這主要是由于三維亂象分布的PVA纖維可在基體中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以降低輕質(zhì)陶粒及橡膠顆粒的上浮，其次PVA無規(guī)則分布的纖維會在裂紋上產(chǎn)生更好的橋接力，從而防止裂紋擴展，降低裂縫的最大寬度。

2.1.2 CRP-FS力學(xué)及導(dǎo)熱性能

從表4、圖5 中可以看出，隨Vc、Vr、Vp摻量的增加，CRP-FS抗壓強度均呈現(xiàn)先增后減趨勢；Vc從6%提升至12%，CRP-FS抗壓強度增幅達(dá)8.13%，而提高至18%，其強度降幅為–14.9%，同樣地，Vr、Vp摻量的變化，CRP-FS抗壓強度變化幅度分別為3.32%、–5.02%，7.82%、6.19%。隨Vc、Vr摻量的增加，CRP-FS劈裂抗拉強度均逐漸降低，降幅最大分別為–11.76%、–15.79%，而隨Vp摻量的增加，CRPFS劈裂抗拉強度逐漸增加，增幅最大為20%。隨Vc、Vr摻量的增加，CRP-FS導(dǎo)熱性能逐漸降低，增幅最大為11.9%，但隨Vp摻量的增加，其導(dǎo)熱性能逐漸增大，增幅最大為12.11%。

圖5 CRP-FS力學(xué)及導(dǎo)熱性能因素-水平

相較于普通噴射混凝土，CRP-FS初裂時間、裂縫條數(shù)、最大裂縫寬度及總開裂面積最大增幅分別為100%、70.15%、85.54%及42.18%。抗壓、劈裂抗拉強度及導(dǎo)熱系數(shù)最大增幅分別為26.47%、9%及35.03%。并且結(jié)合上文所述，綜合CRP-FS抗裂、力學(xué)及導(dǎo)熱性能評價指標(biāo)，Vc摻量在12%、Vr摻量在10%及Vp摻量在0.2%～0.3%范圍內(nèi)CRP-FS配比性能最優(yōu)。

2.2 XRD分析

借助XRD衍射試驗，選取CRP-FS各項評價指標(biāo)較優(yōu)的第5組、普通噴射混凝土第10組及陶粒最高摻量第7組試件進(jìn)行混凝土內(nèi)部物相組成分析，如圖6所示。

圖6 XRD衍射定性分析結(jié)果

從圖6中可以看出，3組試件均出現(xiàn)了鈣礬石（AFt）峰，并且第5組試件峰值最高。這也與上述CRP-FS力學(xué)性能試驗結(jié)果一致。同時研究表明表面覆蓋一定黏土礦物的陶粒摻入，其礦物質(zhì)可與水泥漿體水化反應(yīng)生成AFt，從而使得CRP-FS相較于普通噴射混凝土力學(xué)性能得到提高。并且對比第5、7組與第10組試件，CRP-FS摻入陶粒、粉煤灰等礦物摻合料后，陶粒表面包含一定量黏土顆粒與各摻合料成分中游離元素相互反應(yīng)，使得CRP-FS基體中出現(xiàn)了 2MgSO4·Mg(OH)2和 Al(OH)3·AlPO4兩種化合物，結(jié)合文獻(xiàn)研究[15]，這兩種物質(zhì)具有耐開裂、阻燃、高密實等性能，可有效增強CRP-FS基體強度、抗裂性能及保溫隔熱性能。

2.3 CRP-FS掃描電鏡分析

選取第5組試驗破壞試件進(jìn)行SEM掃描電鏡試驗。

陶粒及橡膠與基體的充分粘結(jié)是保證CRP-FS力學(xué)性能的前提[16]。從圖7中可以看出，CRP-FS基體中呈現(xiàn)出陶粒分散均勻、大小不一的咬合坑洞如圖7（a）所示，同時橡膠顆粒表面覆蓋有大量的CS-H凝膠，緊密包裹于混凝土基體中如圖7（b）所示，充分改善基體線膨脹性。兩種材料的摻入使CRPFS基體出現(xiàn)大量均勻分布的較低熱導(dǎo)率區(qū)域，有效降低CRP-FS導(dǎo)熱系數(shù)，隔熱效果顯著。

圖7 陶粒及橡膠顆粒電鏡照片

如上文所述，隨PVA纖維摻量增加，CRP-FS劈裂抗拉強度逐漸提升、抗裂性能也得到明顯改善。從微觀角度分析，CRP-FS中摻入PVA纖維，如圖8（a）所示，PVA纖維表面覆蓋有大量的鈣礬石及C-S-H凝膠，可使其有效與混凝土基體粘結(jié)，增強基體密實性及力學(xué)性能。隨機亂向分布的PVA纖維在混凝土基體中縱橫交錯、三維分布，充分緩解水泥水化產(chǎn)生的熱應(yīng)力及基體拉伸時應(yīng)力發(fā)展。CRP-FS受拉破壞時，由于陶粒、橡膠顆粒材料的摻入，首先是陶粒及橡膠顆粒彎曲表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，顆粒與混凝土基體粘結(jié)部分產(chǎn)生脫離，而具有拉結(jié)力的PVA纖維，如圖8（b）所示，可承擔(dān)部分拉應(yīng)力，有效降低裂縫發(fā)展、陶粒和橡膠顆粒與CRP-FS基體的脫離。

圖8 PVA纖維加筋效果電鏡照片

圖9 為CRP-FS基體電鏡照片中觀察到有蜂窩狀孔洞結(jié)構(gòu)，將其放大1 000倍后如圖9（b）所示，該蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)主要是由微觀形貌為簇團(tuán)狀結(jié)構(gòu)的AlPO4附著在Al(OH)3外表面后形成的，即為上述X射線衍射分析的厚度為10～20 mm的Al(OH)3·AlPO4薄片化合物，該物質(zhì)可有效降低CRP-FS導(dǎo)熱系數(shù)，使其體現(xiàn)出良好的隔熱性能。

圖9 CRP-FS基體電鏡照片

3 結(jié)束語

通過正交試驗設(shè)計出9種不同配比陶粒-橡膠-PVA纖維噴射混凝土（CRP-FS）進(jìn)行早期干裂、抗壓、劈裂抗拉及導(dǎo)熱系數(shù)試驗，結(jié)果表明：

1)隨陶粒及橡膠顆粒摻量的增加，CRP-FS抗壓強度均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，隨PVA纖維摻量的增加抗裂性能及劈裂抗拉強度逐漸提高，其中抗拉強度增幅最大為20%。隨陶粒、橡膠摻量的增加，CRP-FS導(dǎo)熱性能逐漸降低，增幅最大為11.9%，但隨纖維摻量的增加，其導(dǎo)熱性能逐漸降低，降幅最大為–12.11%。

2)相較于普通噴射混凝土，CRP-FS初裂時間、裂縫條數(shù)、最大裂縫寬度及總開裂面積最大增幅分別為100%、70.15%、85.54%及42.18%?？箟?、劈裂抗拉強度及導(dǎo)熱系數(shù)最大增幅分別為26.47%、9%及35.03%。并且結(jié)合上文所述，綜合CRP-FS抗裂、力學(xué)及導(dǎo)熱性能評價指標(biāo)，陶粒摻量在12%、橡膠摻量在10%及PVA纖維摻量在0.2%～0.3%范圍內(nèi)CRP-FS配比性能最優(yōu)。

3)試驗數(shù)據(jù)結(jié)合微觀測試表明：多孔隙特性陶?？膳c混凝土基體充分粘結(jié)，改善CRP-FS基體界面過渡區(qū)，使其力學(xué)性能也得到改善。高彈性模量的橡膠顆?？捎行Ц纳艭RP-FS內(nèi)部熱膨脹結(jié)構(gòu)，基體受熱干縮抗裂性能提高。同時兩種低導(dǎo)熱材料的摻入使CRP-FS基體出現(xiàn)大量均勻分布的較低熱導(dǎo)率的密閉孔洞，有效降低CRP-FS導(dǎo)熱系數(shù)，隔熱效果顯著。隨機亂向分布的PVA纖維可充分緩解水泥水化產(chǎn)生的熱應(yīng)力及基體拉伸時應(yīng)力發(fā)展，有效降低裂縫發(fā)展，提高CRP-FS抗裂及力學(xué)性能。