轻骨料纤维喷射混凝土动态力学特性试验

方江华, 姜平伟, 倪苏黔, 王凤瑶, 郭朋亮

(1.北京住总集团有限责任公司, 北京 100101； 2.安徽理工大学土木建筑学院, 淮南 232001)

相较于普通喷射混凝土,轻骨料喷射混凝土(LAFS)具有相对高强度、低容重、低造价以及保温隔热耐久性好等的综合优势。在解决矿井巷道热害、地铁及公路隧道渗漏水等问题上得到了广泛的应用[1]。

陶粒作为轻骨料喷射混凝土的优选集料,具有质轻、高强以及与混凝土基体黏结性能强的特性。

白明举[2]、李运华等[3]将自身密实性高的页岩陶粒掺入到喷射混凝土中配制成的轻骨料喷射混凝土具有良好的抗渗性能,并为隧道漏水病害治理提供了新的思路；晏方等[4]通过试验得出了:陶粒轻骨料混凝土在循环荷载作用下主要发生竖向脆性的劈裂破坏。但由于质轻的陶粒和混凝土砂浆自重差异较大,所以轻骨料喷射混凝土在喷射过程中易出现离析、分层及集料回弹过大的问题[5]。而聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定,且表面憎水,将其掺入到普通喷射混凝土中可有效阻止和控制混凝土中的龟裂发展[6]。所以可利用聚丙烯纤维在混凝土基体中三维乱向分布的特征,在喷射混凝土中构成网状结构形成拉结作用和二级加强效果,降低现场喷射时集料回弹率,同时提高其力学性能[7-8]。

轻骨料喷射混凝土在地铁浅埋暗挖隧道、公路山岭隧道及深部煤矿巷道中已得到了广泛应用,但对于近距离下穿地铁隧道、小净距双向隧道、以及深部煤炭回采动压巷道,初期支护混凝土衬砌成型后还会受到静、动压力耦合的影响,而今对轻骨料喷射混凝土力学性能的研究多基于基本静态力学方面的研究,动态压缩性能的研究较少,所以本文同时考虑聚丙烯纤维增强混凝土力学强度为背景,配制出了的9组不同陶粒和聚丙烯纤维组合掺量的轻骨料纤维喷射混凝土,通过一维分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击试验,来探究陶粒与聚丙烯纤维两种不同组合掺量因素对其动态抗压的影响程度,为工程上轻骨料纤维喷射混凝土的推广及其配合比的确定起到参考。

1 试验

1.1 试验原材料

1.1.1 陶粒

从图1中可以看出,陶粒颗粒外部表面粗糙,布满孔隙和部分微小裂隙,内部呈明显的蜂窝网状结构。正由于这种多孔及微裂缝结构,混凝土水泥浆体充分渗入,可与混凝土基体良好黏结[9]。陶粒质量参数如表1所示。

图1 陶粒实物图与内部电镜照片

表1 陶粒质量参数表

1.1.2 聚丙烯纤维

从图2中可以看出,聚丙烯纤维表面平整,质地均匀,可与混凝土基体紧密结合如图2(b),并且研究表明,水泥水化产物水化基质水化铝酸钙(C-A-H凝胶)及其二次水化产物钙矾石可紧密包裹聚丙烯纤维,当纤维受拉在基体中受拉时,分散在LAFS基体内部的单根纤维的作用与钢筋相似,可形成一定的机械咬合力,由此大幅提高LAFS的力学及冲击性能[10]。聚丙烯纤维质量参数如表2所示。

图2 纤维实物图与电镜照片

表2 聚丙烯纤维质量指标

试验其余材料:水泥为淮南八公山产P·O42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰为I级粉煤灰,石子为5～10 mm的瓜子片石,砂子为细砂,水为普通饮用水。

1.2 试验配合比

按照规范《喷射混凝土应用技术规程》进行设计,以C20喷射混凝土基准配合比,确定水泥、砂子、石子、水和外加剂的用量。分别取陶粒代替6%、12%、18%的石子,聚丙烯纤维体积掺量为0.1%、0.2%、0.3%设计了如表3所示的9组LAFS。

表3 试验配合比

1.3 试件制作、养护、测试及数据处理

参照表3所示配合比进行LAFS的初始试件制备,选用直径50 mm,高度100 mm的圆柱形塑料模具制模进行制模,当上述圆柱体混凝土试样养护到期后,选用DQ-1型自动岩石切割机对圆柱体试样进行切割,再选用SHM-200型双端面磨平机对切割后的小圆柱体试样进行端面打磨,最终将试件加工成满足冲击试验规程的50 mm×25 mm的圆柱体试样。冲击压缩试验采用50 mm钢质分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统。其中,撞击杆、入射杆和透射杆均为钢质材料,弹性模量为210 GPa,密度为7.8 g/cm3,纵波波速为5 190 m/s,长度分别为0.6、2.4和1.2 m[11]。冲击压缩试验采用三波法间接求得试样的应力、应变、和应变率。

1.4 冲击气压的确定

LAFS试件的动态压缩试验结果与SHPB实验系统撞击杆的撞击速度有关,而撞击杆的速度又与其发射装置内的气压有关,故针对LAFS试件进行研究时,首先需要先确定出适宜的冲击气压,首先选取试件,设定三个气压分别为:0.2、0.3及0.5 MPa其冲击速度分别为2.465、4.396及7.462 m/s进行冲击试验,如图(3)所示。

图3为三种冲击气压作用下,LAFS试件的破坏形态。0.2 MPa的冲击气压下,试件基本未破坏,动态压缩强度也未达到其破坏强度； 0.5 MPa的冲击气压下,试件呈现粉碎状破坏,试件的动态压缩强度已经超过其极限值,显然基于0.2和0.5 MPa冲击气压下进行LAFS试件的动态力学特性研究,无法通过试件的破碎程度来进行评价；但在0.3 MPa的冲击气压作用下,试件虽然也破坏,但试件破坏后,其中央残留试件的颗粒尺寸较大,试件尚有部分能够较好地保持其完整性,故选定LAFS试件的冲击气压为0.3 MPa。

图3 不同冲击气压下LAFS破坏形态

2 试验结果及分析

2.1 LAFS动态压缩试验结果

确定各组试验组结果之前,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,试验结果如表4所示。

从表4和图4中可以看出,陶粒掺量与聚丙烯纤维掺量对LAFS动态压缩性能的影响是具有交互作用的,同陶粒掺量下,不同的聚丙烯纤维掺量,对LAFS性能有很大差异,反之亦然。由图4可知,49.81 kg/m3陶粒掺量下的LAFS随着聚丙烯纤维掺量的增加,其动态抗压强度逐渐降低,而随着陶粒掺量的增加LAFS动态抗压强度随聚丙烯纤维掺量的增加呈现出先增加后降低的趋势,陶粒掺量为149.52 kg/m3时,随纤维掺量的增加其动态抗压强度整体上也逐步增加；分析原因:LAFS在受到冲击动态压力时,内部陶粒与纤维形成的网状结构共同受力,吸收冲击波发射出的能量,所以适量的陶粒与聚丙烯掺量组合能更好地耗散该冲击能量,而陶粒与纤维掺入到LAFS后其表面需要黏附水泥浆体才能与基体更好的结合,所以陶粒与纤维掺量过高时,使得基体和易性降低,内部孔隙率增大,进而降低其密实度,承载冲击能力降低。

图4 LAFS峰值应力

表4 冲击试验破坏结果平均值

本次试验条件下陶粒与聚丙烯纤维掺量较好的组合为:49.81 kg/m3+0.91 kg/m3、99.67 kg/m3+1.82 kg/m3。鉴于陶粒掺量与聚丙烯纤维掺量对LAFS动态抗压强度性能的影响是交互的,借助MATLAB数值计算软件,选取Fc(x,y)分别为LAFS动态抗压强度的目标函数。得到拟合曲面如图5所示,直观反映出两种掺量与LAFS动态抗压强度之间的关系,为工程上在确定其配比时提供参考依据。拟合方程如式(1)所示：

图5 LAFS峰值应力曲面图

Fu(x,y)=23.99+2.067x+1.913y-1.66x2+1.37xy-1.63y2,R2=0.903

(1)

式(1)中:x为陶粒取代石子的体积率，%；y为聚丙烯纤维体积掺量，%。

2.2 LAFS动态压缩应力应变曲线分析

选取各组中部分LAFS试件的应力-应变关系曲线,得到如图6所示的不同陶粒掺量与聚丙烯掺量下的动态压缩应力应变曲线。

从图6中可以看出,冲击荷载的作用下LAFS的应力-应变曲线可以大致划分为三个阶段:近似弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段,其对应阶段的受力分析可以概括如下。

图6 LAFS动态压缩应力-应变曲线

(1)近似弹性阶段。冲击入射波刚发生时,所携带的动能较小,作用于LAFS试件上时产生的应力较小,并且LAFS内部的粗、细骨料构成的骨架以及水泥基体与各集料、纤维之间的咬合摩擦力较大,产生弹性变形,故此阶段试件的应力与应变之间呈现线性关系,符合胡克定律。

(2)塑性阶段。随着冲击荷载作用时间的增大,入射波发散出来更多动能,此时LAFS骨架与集料之间的咬合摩擦力达到其承载能力极限,陶粒与基体之间产生滑移,试件的应力开始达到其峰值,应变显著增大；此外,由于聚丙烯纤维的掺入,LAFS在耗散冲击能量的过程中,乱向分布的聚丙烯纤维在基体中产生拉结作用,使其在变形破坏中呈现出韧性,应力-应变曲线出现明显的屈服平台。

(3)破坏阶段。当入射杆携带的入射波所有动能全部传递至LAFS时,其内部的孔壁骨架孔隙被压密,陶粒与水泥基体之间产生大的滑移,起到加筋作用的聚丙烯纤维也被拉断,LAFS不能保持其完整状态而破碎,耗散冲击能量的能力显著下降,最终完全破坏,不再持力。

2.3 LAFS动态压缩试验破坏形态分析

SHPB试验的冲击气压为0.3 MPa,随后恒定此冲击气压,分别对1～9组试件进行冲击试验,试件的冲击破坏形态如图(7)所示。

从图7中可以看出,0.91 kg/m3聚丙烯纤维掺量下(第1、第4、第7组)的LAFS试件,随陶粒掺量的提高,其冲击破坏形态从初期的较大破碎状、破碎程度小,向着后期破碎程度较大,破碎颗粒细小的趋势发展,这表明陶粒可以在混凝土基体中均匀分布,与混凝土基体共同受力,但也一定程度上提高了LAFS的脆性； 99.67 kg/m3陶粒掺量下(第4、第5、第6组)的LAFS试件,随聚丙烯掺量的提高,LAFS破碎程度先降低后增大,表明适量的陶粒与聚丙烯掺量组合能更好的抵抗冲击变形；而149.51 kg/m3陶粒掺量下(第7、第8、第9组)的LAFS试件,较其他陶粒掺量的LAFS试件,其破碎程度明显增加,随聚丙烯掺量提升,破碎程度逐渐减小,也进一步证明了陶粒的掺入使其脆性增加,具有加筋作用的聚丙烯纤维可提高陶粒与混凝土基体的共同受力。

图7 1～9组试验组试件破坏形态

3 机理分析

3.1 陶粒与混凝土基体的黏结

SEM扫描电镜是研究水泥基质水化产物的有效方法。图8(a)为LAFS冲击破坏后的混凝土基体界面,裸露在外的陶粒表面都覆盖有稠密的刺状或针状物质,这些物质主要是水泥水化基质。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矾石(AFt)[12]紧密包裹陶粒,如图8(b)所示,可使得布满孔隙和微裂缝的陶粒与混凝土基体充分黏结,进一步耗散LAFS受到的冲击能量,提高其抗冲击性能。

图8 陶粒电镜照片

3.2 纤维增强LAFC力学性能

LAFC受动态冲击破坏时,由于陶粒多孔材料的掺入,首先是多孔材料的孔壁弯曲,使得球形孔隙中产生应力流动并导致应力集中,促使拉伸应力发展,最终形成贯通裂缝,试件破坏,如图9(a)所示。而当在混凝土中掺入聚丙烯纤维时,纤维界面区水化产物以胶状物质为主体,主要有水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙晶体(CH)和钙矾石(AFt)[13],如图9(b)所示。水化早期,细长针状AFt与板状CH富集在界面区,而C-S-H 结晶度较低,呈纤维状,如图9(c)所示。水化反应发生在未水化水泥熟料表面,水化产物相互重叠交错,未水化水泥熟料被水化产物包裹,有助于提高骨料与浆体间机械咬合力。同时该结构可作为一种密实结构,提高复合材料的拉伸强度,与纤维的加筋作用一起,提高混凝土的密实性、抗冲击性[14-15]。

图9 聚丙烯纤维电镜照片

4 结论

(1)陶粒掺量与聚丙烯纤维掺量对LAFS动态压缩性能的影响是具有交互作用的,同陶粒掺量下,不同的聚丙烯纤维掺量,对LAFS动态压缩性能有很大差异,反之亦然。适量的陶粒与聚丙烯掺量组合能更好地耗散冲击能量,本试验条件下陶粒与聚丙烯纤维掺量较好的组合为:49.81 kg/m3+0.91 kg/m3、99.67 kg/m3+1.82 kg/m3。

(2)利用MATLAB数值计算软件,建立了LAFS动态压缩强度与陶粒和聚丙烯纤维掺量之间强度预测模型,直观反映出两种掺量与LAFS抗冲击性能之间的关系,为工程上在确定其配比时提供参考依据。

(3)冲击荷载的作用下LAFS的应力-应变曲线可以大致划分为近似弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段三个阶段,LAFS在耗散冲击能量的过程中,乱向分布的聚丙烯纤维在基体中产生拉结作用,使其在变形破坏中呈现出韧性,应力-应变曲线出现明显的屈服平台。

(4)LAFS破坏形态分析表明,陶粒可在混凝土基体中均匀分布,与混凝土基体共同受力,但也一定程度上提高了LAFS的脆性,具有加筋作用的聚丙烯纤维可增强陶粒与混凝土基体的共同抵抗冲击压力的能力。

(5)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矾石(AFt)可紧密包裹陶粒、纤维,可使得布满孔隙和微裂缝的陶粒及纤维与混凝土基体充分黏结,进一步耗散LAFS受到的冲击能量,提高其抗冲击性能。