混杂纤维井壁混凝土力学性能和微观结构研究

张 平，姚直书，薛维培，穆克汉

(安徽理工大学土木建筑学院, 安徽 淮南 232001)

随着煤炭资源长期开采，浅部资源渐趋枯竭，矿井开采水平逐渐加深，工程地质条件也随之变得复杂[1-2]。立井井筒作为深部资源开采的必要通道，其支护结构(井壁)受力条件也变得更加复杂，为此，在矿山井壁结构设计中采用了高强混凝土材料[3-4]。但随着混凝土抗压强度的提高，其脆性明显增加，结构延性变差、可靠性降低[5]。

已有的研究表明，在普通高强混凝土中添加一定量的纤维可以提高聚合物的抗拉强度和抗裂性能，改善混凝土的脆性特征[6-8]。文献[9]研究发现在高强混凝土中加入钢纤维可以明显提高混凝土的抗拉强度；文献[10]研究发现聚乙烯醇纤维可以有效改善混凝土的脆性和早期开裂性；文献[11]通过在井壁混凝土中添加聚丙烯纤维，显著提高了其抗裂性；文献[12]研究发现钢-PVA纤维混杂在提高混凝土力学性能方面要优于单掺纤维。而在地下工程的应用中，钢纤维易生锈，结构的长期可靠性难以得到保证，同时掺入钢纤维会增大混凝土的重量，因此，在一定程度上限制了其应用范围[13]。而聚丙烯仿钢纤维具有耐腐蚀、质量轻、易分散、成本较低等优点，可作为改善钢纤维的替代品[14]。

本文以普通C60井壁混凝土为基础，采用正交试验研究了PVA纤维掺量和FST纤维掺量对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响，并得到了混杂纤维混凝土的应力应变曲线以及弹性模量和泊松比等参数，同时为进一步阐述纤维混杂对混凝土力学性能的增强机理，利用扫描电镜对其进行微观形貌分析，为深部矿井井壁筑壁材料的选取以及工程应用提供参考和设计依据。

1 纤维混杂井壁混凝土的配制

1.1 原材料的选取

本次配制选用的水泥是海螺水泥厂生产的P·O52.5普通硅酸盐水泥，其主要性能见表1；细骨料选用普通淮滨河砂，细度模数为2.9，含泥量小于1.6%；粗骨料选用级配良好的明光玄武岩碎石，最大粒径不超过20mm，压碎性指标为6.7%；外加剂选用熊猫牌NF-F复合外加剂，其主要成分是73.5%的超细矿渣、20%的硅粉以及6.5%的高性能减水剂；纤维选用的是PVA纤维和FST纤维，其基本物理性能见表2，外观图如图1所示。

(a)PVA纤维 (b)FST纤维图1 纤维外观图

表1 水泥的性能指标

表2 纤维的性能指标

1.2 配合比及正交试验设计

根据文献[15]的研究结论，通过试配得到基准C60混凝土的配合比为NF-F∶砂∶石子∶水∶水泥=130∶630.864∶1 121.536∶151.2∶410，kg/m3。

以PVA纤维掺量和FST纤维掺量为正交试验的两个因素， PVA纤维体积率设置为0.08%、 0.12%、 0.16%三个水平， FST纤维体积率设置为0.2%、 0.3%、0.4%三个水平，将两种纤维单独掺入和混合掺入到基准混凝土中。具体正交试验配合比见表3。

表3 正交试验配合比

1.3 试件制备

根据正交试验设计，共有16组配合比，每组制备9个100mm×100mm×100mm立方体试件和6个100mm×100mm×300mm棱柱体试件。具体浇筑过程为：先将称好的石子和砂依次倒入搅拌机干拌120s，接着加入水泥和外加剂后继续干拌120s，然后分批均匀加入纤维后搅拌60s，最后加水湿拌120s；再将搅拌好的混凝土浇注到模具内，放至振动台振捣成型，在室内养护24h后拆模，转至标准养护箱内养护至规定龄期后进行试验。

2 基本力学性能试验

2.1 抗压强度和劈拉强度试验

立方体龄期抗压强度和劈拉强度试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm的非标准立方体试件，尺寸满足规范要求，试件的强度每组取三次试验的平均值，并根据规范，将抗压强度平均值和劈拉强度平均值分别乘以0.95和0.85的尺寸换算系数， 最终得到各组试件的试验结果。 试验仪器采用长春试验机研究所有限公司生产的CSS-YAW3000电液伺服压力机，各组试件养护至规定龄期后， 按照《纤维混凝土试验标准》(CECS：2009)的相关规定进行测试。 试验情形如图2所示。

表4不为同组混凝土7d、28d立方体抗压强度和28d劈裂抗拉强度的试验结果，图3、图4分别为不同纤维掺量的混杂纤维混凝土28d抗压强度和劈拉强度对比。

(a)抗压加载 (b) 劈裂抗拉加载图2 实验加载示意图

表4 试验结果表

图3 混杂纤维混凝土28d抗压强度

图4 混杂纤维混凝土28d劈拉强度

由表4试验结果可知，无论是纤维单掺还是纤维混掺，对混凝土试件的龄期抗压强度影响都不大。与基准组相比，纤维混杂组PF-22略提升2.9%。但纤维的加入可以明显提高混凝土的劈裂抗拉强度，当PVA纤维掺量为0.12%，FST纤维掺量为0.3%时，其劈裂抗拉强度较基准组提高了41.69%，增强效果十分显著。

由图3可见，当纤维掺量过低时，会略微降低混凝土的抗压强度，而随着纤维掺量的提高，强度会有所上升，但掺量进一步提高反而起到相反的效果，说明加入合理掺量的混杂纤维会一定程度上提高混凝土抗压强度，但纤维掺量过多或者过少则会起到降低作用。主要是因为过少的纤维不能形成有效的承力体系，反而会降低混凝土内部薄弱界面的界面黏结力；而合理掺量的混杂纤维中，束状FST纤维会起到支撑骨架作用，同时PVA纤维可以起到减少混凝土内部孔隙数目，改善内部结构的作用，从而增大了混凝土的抗压强度。但随着纤维掺量的进一步提高，纤维分布不均匀，甚至会缠绕、结团，使混凝土界面效应加强，反而会使强度降低。

由图4可见，当PVA纤维掺量水平不变时，随着FST纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的劈拉强度先增大后减小，在FST纤维掺量为第二水平时，其劈拉强度最高。当FST纤维掺量为第一水平和第三水平时，混杂纤维混凝土的劈拉强度均随着PVA纤维掺量的增加而增大，在掺量为第三水平时最高；但当FST纤维掺量为第二水平时，混杂纤维混凝土的劈拉强度随着PVA纤维掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，在掺量为第二水平时劈拉强度最高。

为研究PVA纤维(A)和FST纤维(B)两因素对混杂纤维混凝土7d、28d立方体抗压强度和28d劈拉强度的影响程度，对试验结果进行极差分析，其结果如表5所示。

表5 极差分析结果

由表5可知,7d、28d立方体抗压强度和28d劈拉强度优水平都为A2B2。但是，根据极差R的大小比较可以看出，影响7d、28d立方体抗压强度的主次顺序为AB，而影响28d劈拉强度的主次顺序为BA。即PVA纤维对立方体抗压强度影响程度较大，而FST纤维对立方体劈拉强度影响程度较大。综合考虑，故本次试验选用的混杂纤维混凝土为PF-22组。

2.2 弹性模量与泊松比试验

弹性模量和泊松比作为混凝土材料的重要力学参数，可用于井壁混凝土的数值模拟分析和损伤破坏计算，是工程应用设计中必不可少的基础参数。为得到纤维混杂混凝土PF-22组的弹性模量和泊松比，本次试验以基准组PF-00、PVA纤维单掺组P-2、FST纤维单掺组F-2为对照组，采用100mm×100mm×300mm的棱柱体试件，在试件浇筑面两侧中心位置沿横向和纵向分别粘贴电阻应变片，并通过静态应变仪得到混凝土的应变值，同时为减小偏心荷载的影响，选择采用串联的方法进行。试验情形如图5所示，各组试验结果如表5所示。

图5 弹性模量、泊松比试验情形

表6 弹性模量和泊松比试验结果

由表6可知，PVA纤维和FST纤维的掺入对混凝土的弹性模量和泊松比没有太大的影响。其中基准组混凝土弹性模量为37.31GPa，泊松比为0.211；纤维混杂组混凝土弹性模量为37.41GPa，泊松比为0.216。

2.3 轴心抗压与应力-应变曲线试验

轴心抗压与应力-应变曲线试验和弹性模量与泊松比试验一样也采用100mm ×100mm×300mm的棱柱体试件，但选用的是电阻应变片和引伸计来测量混凝土的应变值。轴心抗压强度试验结果见表7，应力-应变曲线如图6所示。

表7 轴心抗压试验结果

图6 轴心抗压应力-应变曲线

由表7的试验结果可以发现，纤维的掺入对混凝土的轴心抗压强度提升幅度很小，但可以有效提高混凝土的峰值应变。其中混杂纤维组PF-22的轴心抗压强度较基准组提高了5.86%，峰值应变较基准组提高了13.62%。

比较图6各组试件的应力-应变曲线可以看出，各组曲线的上升段几乎重合，但是在曲线的下降段，纤维混杂组比基准组要更加平缓一些，同时试件的残余强度也更大，说明纤维混杂能有效提高混凝土的延性。

3 SEM扫描电镜

材料的微观结构特征对其宏观性能起着决定性作用[16]，为观察纤维混杂井壁混凝土的微观形貌，按要求在试件受单轴压缩破坏后取出样本送至扫描电镜室进行微观结构分析，结果如图7所示。

图7 各组混凝土的微观形貌图

由图7可以看出，混凝土基体表面没有明显的孔隙存在，主要是由于混凝土配制时选用的复合外加剂NF-F中含有矿渣和硅粉等超细矿物掺合料能够有效填充内部微小孔隙，改善混凝土密实性；同时，这两种掺合料中所含的SiO2和Al2O3等物质可与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，生成C-S-H凝胶，将孔隙进一步填充密实。此时混凝土基体主要是水化反应生成的C-S-H凝胶和Ca(OH)2晶体组成[17]，这些结晶相互胶结、填充成更为密集的结合体，但是在一些结合不良的地方会因为混凝土硬化收缩而产生微裂缝。如图7(a)所示，基准混凝土基体表面存在多条长而宽的微裂缝，相比之下，PVA纤维(图7(b))和FST纤维(图7(c))单掺组基体表面微裂缝更少，但外观比较散碎，结构比较疏松。而由图7(d)可以看出，纤维混杂混凝土不仅能有效减少了微裂缝数量，同时结构更加致密，说明合理掺量的纤维混杂能起到抑制混凝土内部微裂缝的产生和扩张，改善内部结构和微观形貌的作用。

4 结论

(1)当PVA纤维掺量为0.12%，FST纤维掺量为0.3%时，纤维混杂对井壁混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度影响不大，但可以显著提高劈裂抗压强度，提高幅度达到41.69%。

(2)纤维混杂对井壁混凝土弹性模量和泊松比影响很小，得到基准组混凝土弹性模量为37.31GPa，泊松比为0.211；纤维混杂混凝土弹性模量为37.41GPa，泊松比为0.216。

(3)纤维混杂可以使应力-应变曲线下降段趋于平缓，能有效提高井壁混凝土破坏时的峰值应变和残余强度，增大其延性。

(4)纤维混杂可以抑制井壁混凝土内部微裂缝、孔隙的产生和扩张，使内部结构更加致密。