麥稈纖維增強(qiáng)礦井隔熱混凝土性能的試驗研究

張 逍，辛 嵩，劉尚校，駱 偉

（1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島 266590；2.兗煤菏澤能化有限公司，山東菏澤 274000）

隨著開采深度的增加，地溫越來越高，熱害問題日益明顯，中國很多中大型煤礦采掘工作面溫度已經(jīng)超過30 ℃，部分礦井溫度直達(dá)40 ℃。礦井內(nèi)部的高溫會使得工作人員身體的熱平衡遭到嚴(yán)重破壞，使其勞動力效率和注意力下降，嚴(yán)重威脅著深部礦井的安全生產(chǎn)[1]。

國內(nèi)外一些專家相繼提出解決方案，主要是依賴制冷、制冰、通風(fēng)等機(jī)械技術(shù)實現(xiàn)降溫[2]，機(jī)械降溫方式治標(biāo)不治本，消耗了大量的能源。而使用隔熱混凝土作為主動降溫的方法，實現(xiàn)對巖層熱源的隔離，減少圍巖向風(fēng)流的散熱，再輔以其它降溫措施帶走熱量，從而實現(xiàn)降溫。近年來，由陶粒、?；⒅橹谱鞯母魺峄炷撩芏刃?、易噴射，較普通混凝土相比隔熱性能提升顯著[3-4]。

在混凝土中加入纖維材料可阻礙混凝土裂紋的發(fā)展，從而提高抗裂性，還可以提高混凝土的抗壓、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度及隔熱性能[5-8]。麥稈纖維來源廣泛、原料豐富、價格低廉和優(yōu)異的力學(xué)性能，有著獨特的天然優(yōu)勢，是一種很有前途的綠色隔熱材料[9]，廣泛應(yīng)用于多孔混凝土路基、地上建筑混凝土、纖維板、隔音材料和土地坡面防護(hù)等方面。Farooq[10]的研究結(jié)果表明，在鋼筋混凝土中摻入麥秸可以最大提高7.5%的抗彎強(qiáng)度，并具有更好的抗裂機(jī)理；麻類纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和耐堿性環(huán)境的能力，Korjenic 等人[11]已經(jīng)證明由黃麻、亞麻和大麻等植物維制成的隔熱材料，在物理和機(jī)械性能方面可與常規(guī)纖維制成的隔熱材料相媲美；Ali[12]展示了桉樹葉與麥稈纖維混合制成的隔熱材料，在60 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.065 W/（m·K），并且桉樹葉在在高達(dá)210 ℃的溫度下保持穩(wěn)定，有在建筑物墻壁進(jìn)行大規(guī)模使用的潛力。麥稈纖維可以增強(qiáng)地上建筑混凝土的保溫與力學(xué)性能，但目前我國對麥稈等植物纖維的有效利用率低，絕大部分就地焚燒或就地還田[13]。若將麥稈纖維應(yīng)用到礦井隔熱混凝土中，對于煤炭節(jié)能生產(chǎn)和有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物帶來雙贏的局面，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

中國有許多超過1 000 m 深的礦井，井下高溫環(huán)境日益惡劣，有必要研究導(dǎo)熱系數(shù)更低的隔熱混凝土。將少量的麥稈纖維摻入陶粒和?；⒅榈母魺嵘皾{中，開發(fā)新型礦井隔熱混凝土。當(dāng)前的研究工作集中在將麥稈纖維以水泥質(zhì)量的0%、2%、4%、6%、8%、10%的比例摻入隔熱混凝土中，并與普通隔熱混凝土的試樣進(jìn)行了力學(xué)和隔熱性能對比分析，說明麥稈纖維增強(qiáng)礦用隔熱混凝土性能的優(yōu)越性，為研發(fā)新型礦井隔熱材料提供了新的技術(shù)思路。

1 試驗部分

1.1 麥稈纖維和試件

1）麥稈纖維。秋收過后，收購當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的小麥秸稈,經(jīng)過自然風(fēng)干2 個月后,選取完整、光潔、厚度適當(dāng)麥稈的作為試驗樣品。用高速多功能粉碎機(jī)打碎長麥稈，然后用過濾篩去除殘渣，粉碎好的麥稈纖維長度為1～2 cm、厚度為0.3～0.4 cm。麥稈纖維樣品如圖1。

圖1 麥稈纖維Fig.1 Wheat straw fiber

2）試件。麥稈纖維隔熱混凝土的原料是陶粒、玻化微珠、麥稈纖維、水泥、沙子、石子和水。采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)《輕集料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，并參考高溫巷道隔熱混凝土最佳配比[1,14]，進(jìn)行了隔熱混凝土的配合比設(shè)計，經(jīng)過試配，調(diào)整，并最終確定了配合比。將水泥∶砂子∶石子∶水的質(zhì)量比確定于1∶1.85∶1.9∶0.48，陶粒取代石子質(zhì)量的40%，玻化微珠取代總混合物體積的50%。由隔熱混凝土的實際攪拌情況可知，當(dāng)麥稈纖維摻量超過水泥質(zhì)量的10%時，會出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)團(tuán)、試樣無法成型的現(xiàn)象，所以將小麥纖維摻量采用水泥質(zhì)量的0%、2%、4%、6%、8%、10%與其他材料進(jìn)行均勻混合。原料充分混合后將它們澆注在模具（70 mm×70 mm×70 mm）中，輕輕壓實成型，每種試樣制作3 個試件。靜置24 h，待有一定強(qiáng)度用氣槍進(jìn)行拆模，對其進(jìn)行編號后養(yǎng)護(hù)28 d，期間定時噴水養(yǎng)護(hù)，并用保鮮膜包裹試件保持濕潤，養(yǎng)護(hù)完成后再陰干7 d。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)觀察與導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度測定試驗

用Apreo S HiVac 高分辨率掃描電子顯微鏡（SEM），觀察麥稈纖維的微觀結(jié)構(gòu)和混凝土中麥稈纖維與水泥的界面結(jié)合情況，獲得了優(yōu)質(zhì)的掃描圖像。

在試件經(jīng)過養(yǎng)護(hù)及陰干后，使用DRPL-I 導(dǎo)熱系數(shù)測試儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗。將70 mm×70 mm×70 mm 尺寸的試樣夾在冷熱板之間，試樣兩側(cè)應(yīng)平整，設(shè)置儀器熱板溫度，并在儀器軟件中記錄試樣厚度（70 mm）。為了提高試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，防止出現(xiàn)較大誤差，設(shè)計3 個試件為1 組，每組試件所用拌合物配比相同，該儀器測試1 個試件大約需要50～60 min。

抗壓強(qiáng)度測試試驗中要保持所施加的荷載均勻、連續(xù)，加載位移速度1 mm/min。試件尺寸為70 mm×70 mm×70 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，相對誤差不超過10%的情況下取3 個數(shù)值的平均值作為該種類試樣的抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度試驗儀器采用島津AGX-250電子萬能試驗機(jī)。

2 試驗結(jié)果

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)隨麥稈纖維摻加量變化圖如圖2。隨著麥稈纖維摻加量從0%增加到10%，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.227 8 W/（m·K）降到0.200 2 W/（m·K），提升率12.1%，較普通礦井混凝土導(dǎo)熱系數(shù)小很多，隔熱性能良好[15]。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)隨麥稈纖維摻加量變化圖Fig.2 Variation of thermal conductivity with percentage of wheat straw fiber

不同摻量的麥稈纖維隔熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度數(shù)值見表1 和表2。

表1 不同摻量的麥稈纖維隔熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity of wheat straw fiber insulation concrete with different contents

表2 不同摻量的麥稈纖維隔熱混凝土抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strength of wheat straw fiber insulation concrete with different contents

摻入2%的麥稈纖維與普通隔熱混凝土相比導(dǎo)熱系數(shù)降低了7.5%，隔熱性能提升顯著，這與麥秸纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密不可分的聯(lián)系，麥秸稈節(jié)間橫截面及表皮縱截面SEM 圖像如圖3。

圖3 麥秸稈節(jié)間橫截面及表皮縱截面SEM 圖像Fig.3 SEM images of internode cross section andepidermis longitudinal section of wheat straw

由圖3 可以觀察到組織中存在著大量的類似于陶粒和?；⒅閮?nèi)部一樣的孔隙結(jié)構(gòu)，并且是封閉的。麥稈節(jié)間組織中，薄壁組織所占體積比較大，密度較小，細(xì)胞（約350 μm 長，直徑約為35 μm）多為狹長的桿狀，結(jié)構(gòu)特點為壁薄、腔大[16]，其中的空腔充滿了空氣（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/（m·K）[17]），具有抵擋熱流的天然能力。空心的細(xì)胞使麥稈纖維成為多孔材料，具有良好的隔熱性能。

麥稈纖維的摻量大于8%，隔熱混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)并沒有隨著麥稈纖維的增加而持續(xù)降低，維持在0.200 5 W/（m·K）左右。麥稈纖維在隔熱混凝土中的SEM 圖像如圖4。

由圖4 可知，麥稈纖維的摻量2%～6%的范圍內(nèi)，麥稈纖維分布均勻，麥稈纖維與其他混合物有狹小的空隙，能夠有效地提高隔熱混凝土孔隙率。麥稈纖維的摻量在8%～10%時，麥稈纖維相互重疊，沒有被水泥覆蓋，產(chǎn)生大尺寸的孔隙。過大的孔隙，導(dǎo)致孔隙中的氣體發(fā)生的熱對流增強(qiáng)，同時兩側(cè)孔壁的溫差變大，熱福射也會增強(qiáng)，隔熱性能減弱，摻加過量的麥稈纖維不會使導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低[18]。

圖4 麥稈纖維在隔熱混凝土中的SEM 圖像Fig.4 SEM image of wheat straw fiber in thermal insulation concrete

2.2 抗壓強(qiáng)度測量

不同摻量的麥稈纖維在混凝土中的分布情況如圖5。

圖5 不同摻量的麥稈纖維在混凝土中的分布情況Fig.5 Distribution of wheat straw fiber with different dosages in concrete

在隔熱混凝土中添加2%的麥稈纖維，觀察到其抗壓強(qiáng)提高5.9%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；之后隨著麥稈纖維摻量的增多，抗壓強(qiáng)度持續(xù)降低。纖維摻量10%的麥稈纖維隔熱混凝土，抗壓強(qiáng)度低至1.81 MPa，抗壓強(qiáng)度衰退了71.3%。這是因為麥稈表皮的角質(zhì)層使麥稈纖維有一定強(qiáng)度，而且摻少量的纖維，纖維在隔熱混凝土中均勻分散形成立體纖維網(wǎng)，有加強(qiáng)筋的作用[19]，進(jìn)而增強(qiáng)了隔熱混凝土的強(qiáng)度；然而在纖維摻量進(jìn)一步增大，纖維攪拌不均勻，相互重疊，纖維之間的水泥厚度稀薄，纖維間的孔隙變大，影響隔熱混凝土的整體性。堆疊的麥稈纖維與水泥的不連續(xù)界面成為隔熱混凝土的薄弱點，降低了抗壓強(qiáng)度?？傮w來說適量的纖維能夠?qū)αW(xué)性能有增強(qiáng)作用，而纖維過量會適得其反。

2.3 綜合分析

觀察到麥稈礦井隔熱混凝土隔熱性能的改善和抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)，兩者之間存在復(fù)雜的權(quán)衡機(jī)制。最好的方案是摻加2%的麥稈纖維，可以顯著提高隔熱混凝土的熱學(xué)和力學(xué)性能。除了摻加2%的麥稈纖維外，還能以減小抗壓強(qiáng)度為代價獲得隔熱性能的提升。

3 結(jié) 語

對麥稈的微觀結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)麥稈纖維存在大量的封閉微孔結(jié)構(gòu)，是一種良好的天然綠色隔熱材料，可以有效地改善普通隔熱混凝土的隔熱性能。通過對試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)最好的麥稈纖維摻加方案是在隔熱材料中摻加2%的纖維，可以同時改善隔熱性能與力學(xué)性能，分別提高7.5%和5.9%。過多的摻加麥稈纖維并不會降低隔熱混凝土的隔熱性能，反而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度衰退嚴(yán)重。因此，基于所進(jìn)行的研究，可以認(rèn)為麥稈纖維有在礦井隔熱混凝土中應(yīng)用的潛力。但是，建議對麥稈纖維增強(qiáng)礦井隔混凝土的耐久性能進(jìn)行詳細(xì)的探究。