Плиты теплоизоляционные на основе базальтовых пород кт стена: Базальтовая изоляция | Теплоизоляционные материалы

Термостойкость (EN 12667)

ТОЛЩИНА, мм	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190	200
Р Д , м 2 *К/Вт	1. 30	1,55	1,80	2,15	2,45	2,70	2,95	3,25	3,55	3,85	4.15	4,45	4,70	4,95	5.20	5,45

ТОЛЩИНА, мм	Р Д , м 2 *К/Вт
50	1.30
60	1,55
70	1,80
80	2,15
90	2,45
100	2,70
110	2,95
120	3,25
130	3,55
140	3,85
150	4.15
160	4,45
170	4,70
180	4. 95
190	5.20
200	5,45

Новый теплоизоляционный набрызг-бетон, смешанный с базальтовыми и растительными волокнами

На этой странице керамзитовый и гончарный песок, а также добавлены базальтовые и растительные волокна. Было исследовано влияние керамзита, гончарного песка, базальтового волокна и растительного волокна на механические свойства и теплопроводность торкретбетона, и соответствующие механизмы были проанализированы с помощью рентгеновской дифракции (РФА) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты показали, что добавки образовывали устойчивое состояние в матрице бетона при замене крупного и мелкого заполнителей на 5 мас. % керамзита и 10 мас. % гончарного песка соответственно, а также на 0,15 и 0,2 об. волокна соответственно. В этот момент гидратация цемента была нормальной, а прочность бетона была относительно выше, чем в других группах. Керамзит и гончарный песок образуют в матрице бетона равномерно распределенную пористую структуру, что снижает теплопроводность бетона.

1. Введение

По мере увеличения глубины разработки угольных шахт наблюдается повышение температуры исходной породы и теплопроводности глубинного массива горных пород [1]. Повышение температуры из-за увеличения глубины горных работ дополнительно влияет на увеличение термического напряжения в горной породе во время проходки выработки. После проходки выработки теплообмен между горной породой и воздухом приводит к термическому напряжению в массиве горных пород. Следовательно, из-за термического напряжения образуется много новых трещин, которые изменяют состояние распределения напряжения в окружающей породе. Таким образом, окружающие касательные напряжения, смещения, разбитые участки и радиус зоны пластичности дорожного полотна увеличиваются, влияя на безопасность дорожного полотна [2–4] и вызывая сильные тепловые повреждения глубокого полотна [1–11].

Являясь самым прямым и важным источником тепла в дорожном полотне, тепловыделение окружающей породы составляет около 48% тепла [1]. Поэтому целесообразно использовать теплоизоляционный материал с меньшей теплопроводностью, чем вмещающая порода, и напылять покрытие на стенку породы для предотвращения рассеивания тепла из окружающей породы [12]. В качестве необходимого средства поддержки проезжей части набрызг-бетон можно улучшить, используя добавки для достижения как прочности поддержки, так и снижения теплопроводности [13, 14], которые могут эффективно блокировать рассеивание тепла окружающей породы и обеспечивать поддержку проезжей части. В настоящее время существует несколько широко используемых методов. Первый заключается в добавлении в цемент алюминиевой пудры для создания в бетоне хаотичной структуры пор и повышения термостойкости [15]. Однако прочность и жесткость бетона уменьшаются в геометрической прогрессии с увеличением количества и размеров пор. Второй способ заключается в частичной замене крупных и мелких заполнителей в бетоне различными добавками, такими как керамзит, гончарный песок, глазурованные полые шарики, гранулы вспененного полистирола и другие легкие пористые материалы, что снижает теплопроводность бетона [16–16]. 18]. Однако керамзит и гончарный песок могут привести к большому водопоглощению. После смешивания заполнителя увеличивается хрупкость бетона, что приводит к плохой удобоукладываемости и трудностям при формовании материала [16]. Кроме того, гидрофобность поверхности полых глазурованных и полистирольных шариков приводит к тому, что они всплывают и расслаиваются в процессе перемешивания, вибрации и расслаивания, что влияет на технологичность и механические свойства бетона [17, 18]. В третьем методе растительное волокно смешивается с бетоном для получения композитного армированного материала, который может повысить прочность бетона [19].]. Из-за присущих растительным волокнам многоуровневых клеточных стенок, структуры их внутренних полостей и низкого коэффициента теплопроводности растительные волокна также могут снижать коэффициент теплопроводности бетона [20]. Однако растительные волокна представляют собой органические материалы с плохой коррозионной стойкостью. Они могут легко разлагаться щелочными веществами, образующимися при гидратации цемента, что может снизить долговечность бетона и позднюю прочность.

Для решения проблем, описанных выше, на основе предыдущих исследований [13, 21] крупные и мелкие заполнители в обычном торкретбетоне были частично заменены керамзитом и гончарным песком для снижения теплопроводности бетона в этом исследовании. Дополнительно в бетон вмешивались растительные волокна, прошедшие антисептическую обработку, и базальтовые волокна. Из-за низкой теплопроводности растительного волокна [19] и хорошей совместимости базальтовой фибры с бетонной матрицей [22], теплопроводность бетона еще больше снижалась после подмешивания керамзита и гончарного песка. Полученный бетон имел сетчатую структуру, что создавало эффекты вторичного упрочнения. . Это повысило прочность бетона и уменьшило степень отскока керамзита и гончарного песка при их нагнетании. Поэтому был разработан ортогональный эксперимент для улучшения рабочих, механических и теплоизоляционных характеристик набрызгбетона, который можно использовать для блокировки рассеивания тепла окружающей породы и обеспечения эффективной поддержки выработок в угольных шахтах.

2. Ортогональный тест: материалы, методика и подготовка образцов

2.1. Свойства материалов

Керамзит, гончарный песок, базальтовое волокно и растительное волокно были выбраны в качестве добавок для смешивания с бетоном в этом исследовании. Чтобы удовлетворить требования торкретбетона, все свойства материала описаны в следующих параграфах.

На основе использования растительного волокна в качестве армирующего материала в илистом грунте в предыдущем исследовании [23] для данного исследования было выбрано растительное волокно из хлопковой соломы. Это волокно сталкивается с проблемами коррозии, о чем упоминалось в обзоре литературы выше [19]., 23]. В настоящей работе для решения проблемы коррозии был выбран модифицированный поливиниловый спирт (клей SH) [24]. Растительные волокна замачивали на 3 сутки в растворе модифицированного поливинилового спирта, после чего извлекали из раствора для естественной сушки [24]. Топография поверхности растительных волокон до и после антисептической обработки показана на рис. 1. Как показано на рис. 1(а), поверхности растительных волокон были шероховатыми, и до антисептической обработки имелось много отверстий. Кроме того, на рис. 1(с) показано, что отвержденные пленки образовывались и покрывали поверхности растительных волокон после обработки клеем SH. Пленка предотвращала прямой контакт между волокном, водой и воздухом, что эффективно улучшало стабильность и коррозионную стойкость волокон.

На рис. 2 показаны остальные добавки торкретбетона, кроме основных компонентов. На рис. 2(а)–2(г) показаны базальтовое волокно, полые глазурованные шарики, керамзит и гончарный песок соответственно.

Базальтовое волокно состояло из рубленых волокон длиной 15 мм, свойства его материала показаны в таблице 1. Глазурованные полые шарики были гидрофобными и с закрытыми порами, свойства материала показаны в таблице 2. Керамзит и гончарный песок основные продукты, используемые для замены крупных и мелких заполнителей в этом бетоне, соответственно. Между тем, гончарный песок представляет собой своего рода мелкий заполнитель, который является одним из сопутствующих минералов керамзита, только небольшого размера. Их свойства приведены в таблице 3.

Выбор остальных материалов в этом эксперименте соответствовал стандартному составу [25]. Эти материалы включали обычный портландцемент P·O42,5, летучую золу I сорта, косточки семян дыни размером 5–10 мм в качестве крупного заполнителя, мелкий песок в качестве мелкого заполнителя и обычную питьевую воду.

2.2. Экспериментальные методы

Ортогональный план эксперимента учитывал влияние множества факторов на разных уровнях. На основе таблицы ортогональных тестов были выбраны различные комбинации факторов, а данные тестов были проанализированы для получения оптимального решения быстро и эффективно, с экономией времени и усилий. Соотношения цемента, песка, камня, воды и примесей торкретбетона определяли по стандартным пропорциям [25]. Л ₉ (3 ⁴ ) ортогональная тестовая таблица в литературе использовалась для планирования экспериментов [26]. Ортогональная схема испытаний, показанная в таблице 4, была разработана с учетом четырех факторов: содержания керамзита, содержания гончарного песка, содержания базальтового волокна и содержания растительного волокна. Как показано в Таблице 5, три уровня (содержание каждого фактора) были установлены для каждого фактора, и перечислены испытательные пропорции девяти наборов образцов бетона. Когда тест был завершен, результаты теста были обработаны и проанализированы в сочетании с методом обработки данных [26] и методом корреляционного анализа Грея [27], представленными в литературе.

2.3. Подготовка образцов

В ортогональном испытании было разработано девять групп, и были измерены прочность на сжатие, прочность на растяжение, прочность на сдвиг и теплопроводность каждой группы. В соответствии со стандартом испытаний [28] для измерения прочности на сжатие и растяжение были изготовлены 54 (6 × 9) испытательных куба размерами 100 мм × 100 мм × 100 мм, 27 (3 × 9) испытательных кубиков размером 50 мм. × 50 мм × 50 мм были построены для измерения прочности на сдвиг, и 54 (6 × 9) испытательных кубов с размерами 300 мм × 300 мм × 30 мм были построены для измерения теплопроводности. Частично отвержденные образцы показаны на рис. 3. После 28 дней отверждения механические свойства и теплопроводность бетона были измерены в Государственной ключевой лаборатории реагирования на горные работы, предотвращения и ликвидации последствий стихийных бедствий в глубокой угольной шахте Аньхойского научного университета и Технология, Китай, с использованием электрогидравлического сервопривода универсального тестера WAW-2000 и прибора теплопроводности PDR-300.

3. Представление и оценка результатов ортогонального теста

3.1. Экспериментальные результаты

Значения прочности на сжатие, прочности на растяжение, прочности на сдвиг и теплопроводности девяти наборов ортогональных испытательных образцов были усреднены, и результаты испытаний показаны в таблице 6.

Как показано в таблице 6, данные результатов испытаний находятся в хаотичном распределении. Таким образом, керамзит, гончарный песок, базальтовое волокно и растительное волокно были четырьмя контрольными факторами. Влияние трех уровней (содержание каждого фактора) на результаты ортогонального теста не может быть получено напрямую. Поэтому результаты испытаний должны быть дополнительно проанализированы.

3.2. Анализ дисперсии и коэффициента вклада

Дисперсия и коэффициент вклада 4 факторов были рассчитаны путем сравнения значения F (значение нормального распределения), полученного с использованием значений в таблице нормального распределения для определения влияния каждого фактора в ортогональном тесты для одного и того же оценочного индекса. Величина ставки вклада может определять порядок влияния отдельных факторов. После определения основных влияющих факторов их можно корректировать и контролировать в ходе испытаний на конкретных мишенях.

Используя уравнения дисперсии и коэффициента вклада из предыдущего отчета [26], были рассчитаны результаты теста в ортогональном тесте. Конкретные уравнения расчета следующие.

Общая сумма квадратов отклонений:

Степени свободы: где n – количество строк ортогональной тестовой таблицы (количество испытаний) и – среднее значение n экспериментальных показателей.

Сумма квадратов отклонений фактора А:

Степени свободы: где a — количество уровней фактора А, n _i — количество испытаний на уровне i , а — среднее значение показателей на каждом уровне фактора А. Значения SSB, SSC и SSD (т. е. сумма квадратов отклонений факторов B, C и D соответственно) могут быть рассчитаны аналогичным образом.

Сумма квадратов отклонений ошибки:

Общая чистая сумма квадратов:

Чистая сумма квадратов фактора A:

Значения SSPB, SSPC и SSPD (т. е. чистая сумма квадратов факторов B, C и D соответственно) могут быть получены аналогичным образом.

Чистая сумма квадратов ошибок:

Коэффициент вклада фактора A:

Также могут быть получены значения , , и (т. е. коэффициенты вклада факторов B, C и D соответственно).

Используя результаты испытаний в Таблице 6 и приведенные выше уравнения, были рассчитаны дисперсия и коэффициент вклада прочности на сжатие, которые показаны в Таблице 7. Влияние факторов A, B и C было особенно значительным для прочности на сжатие, и D был значительным. Фактор B имел наибольшую ставку вклада 490,95%. Вклад факторов А и С был рядом, 18,47% и 21,02%, соответственно. Но доля вклада фактора D была наименьшей — 9,83%. Ошибка с коэффициентом вклада 0,73 % оказала наименьшее влияние на результаты теста и ею можно пренебречь. Таким образом, фактор В оказывает наибольшее влияние на прочность бетона на сжатие, и его содержание следует контролировать для достижения максимально возможной прочности на сжатие.

На основании анализа дисперсии предела прочности при растяжении, показанного в Таблице 8, влияние факторов А и С на предел прочности при растяжении было значительным. Фактор D также оказывал влияние, а фактор B — мало. Исходя из ставки взноса, фактор А внес наибольший вклад со ставкой 63,04%, за ним следует фактор С со ставкой 21,74%. Однако доли фактора B и ошибки были одинаковыми: 2,18% и 2,9%.0% соответственно. Таким образом, влияние фактора В и ошибки на предел прочности при растяжении было незначительным. Наконец, наибольшее влияние на прочность бетона на растяжение оказывает фактор А, и его содержание следует контролировать для достижения максимально возможной прочности на растяжение.

На основании анализа дисперсии прочности на сдвиг, показанного в таблице 9, влияние факторов A, B, C и D на прочность на сдвиг было значительным. Фактор B внес наибольший вклад, достигнув уровня вклада 34,22%. Затем следовали факторы А и D с частотой 27,28% и 25,43% соответственно. Уровень фактора С составил 12,60%. Вклад ошибки был наименьшим, 0,47%, и им можно было пренебречь. Таким образом, исходя из прочности на сдвиг, содержание A, B, C и D должно контролироваться для достижения максимально возможной прочности на сдвиг.

На основании анализа дисперсии теплопроводности, показанного в таблице 10, влияние факторов A и C было более значительным, чем влияние факторов B и D на теплопроводность. Фактор А был самым большим вкладчиком с долей взноса 54,84%, за ним следует фактор С с долей 31,45%. Вклад факторов B и D и ошибка были небольшими, 4,84%, 5,65% и 3,22% соответственно, и различия не были значимыми. Таким образом, исходя из теплопроводности, следует контролировать содержание А и С.

3.3. Анализ индексов факторов

Для прочности на сжатие бетона на рисунке 4 (а) показано, что когда уровень фактора А (содержание) увеличивается с А1 (5%) до А3 (15%), прочность на сжатие сначала уменьшилась, а затем увеличилась. В то время как уровни факторов B, C и D увеличивались, прочность на сжатие сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. Наиболее очевидное снижение произошло при увеличении фактора B с B2 (10%) до B3 (15%), где прочность на сжатие снизилась на 20,64%. Поэтому для обеспечения высокой прочности образца на сжатие наилучшей комбинацией уровней факторов было А ₁ В ₂ С ₂ Г ₂ .

Что касается прочности бетона на растяжение, рисунок 4(b) показывает, что при повышении уровня фактора А прочность на растяжение сначала значительно снижается, а затем значительно увеличивается. Он уменьшился на 27,03 % при повышении уровня фактора А с А1 (5 %) до А2 (10 %), после чего увеличился на 32,8 % при повышении уровня фактора А с А2 (10 %) до А3 (15 %). ). По мере увеличения фактора B предел прочности при растяжении сначала уменьшался, а затем увеличивался. Общее увеличение было больше, чем общее снижение. Прочность на растяжение сначала увеличивалась, а затем уменьшалась по мере увеличения факторов C и D. Однако зависимость от фактора С была больше. Когда фактор С увеличился с С1 (0%) до С2 (0,15%), прочность на растяжение увеличилась на 16,14%. Напротив, от С2 (0,15%) до С3 (0,3%) прочность на растяжение снизилась на 16,22%. Таким образом, на основе анализа факторных индексов наилучшей комбинацией уровней факторов было A ₁ B ₃ C ₂ D ₂ для обеспечения достаточной прочности образца на растяжение.

Как показано на рис. 4(c), при повышении уровня фактора А прочность на сдвиг сначала немного уменьшилась, а затем значительно увеличилась. Фактор С резко уменьшился, а затем немного увеличился. Прочность на сдвиг сначала уменьшалась по мере увеличения B, а от B2 (10%) до B3 (15%) амплитуда быстро уменьшалась. Между тем, фактор D сначала быстро увеличивался, а затем быстро уменьшался. Основываясь на факторах A, B и C, наиболее резкое увеличение или уменьшение прочности на сдвиг произошло между уровнями 2 и 3. Таким образом, наилучшей комбинацией уровней факторов было A ₃ B ₁ C ₁ D ₂ для обеспечения достаточной прочности образца на сдвиг.

Что касается теплопроводности бетона, рисунок 4(d) показывает, что при повышении уровня фактора А теплопроводность резко снижается, а затем немного увеличивается, и самое большое снижение составило 22%. По мере увеличения факторов В и С теплопроводность сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. Теплопроводность продолжала снижаться с ростом уровня фактора D. Следовательно, A ₂ B ₁ C ₁ D ₃ была наилучшей комбинацией уровней фактора для снижения теплопроводности образца.

Учитывая, что торкретбетон должен иметь достаточную прочность и небольшую теплопроводность, общий анализ, представленный на рисунке 4, показывает оптимальный диапазон различных факторов от наклонов оценочных индексов по мере увеличения уровня каждого фактора. Оптимальное содержание керамзита, гончарного песка, базальтового волокна и растительного волокна составляло 10–15 мас. % от крупного заполнителя, 5–10 мас. % от мелкого заполнителя, 0–0,15 об. % от бетона и 0,1–0,2 мас. об.% бетона соответственно.

3.4. Анализ корреляции Грея

Приведенный выше анализ дал только приблизительный набор факторов, и было невозможно определить, какой из девяти ортогональных тестов дал наилучшие результаты. Поэтому, в сочетании с литературными исследованиями [27], данные ортогонального теста были нормализованы для получения коэффициента отношения серого. Относительный коэффициент Грея каждого индекса оценки девяти наборов ортогональных тестовых схем был получен путем объединения формул (10)-(14). Результаты представлены в таблице 11.

Результаты индексов оценки могут быть помещены в матрицу по уравнению (10): где m – количество индексов оценки, а n – количество схем эксперимента.

Для факторов, которые давали лучшие оценочные показатели, когда они имели большие значения (поскольку изучаемый торкретбетон используется для поддержки проезжей части, поэтому чем больше прочность, такая как прочность на сжатие, прочность на растяжение и прочность на сдвиг, тем лучше эффект поддержки), нормировка была следующей:

А для фактора, который давал лучшие оценочные показатели, когда он имел меньшее значение (поскольку набрызг используется и для утепления, то чем меньше коэффициент теплопроводности, тем лучше будет эффект утепления), нормирование составило следующим образом: где .

После нормализации показателей оценки строится идеальная эталонная схема (обычно максимальное значение по каждому показателю), которая может быть выражена следующим образом: где . Таким образом, 90 344 м 90 345 оценочных показателей в явились максимальными значениями соответствующих оценочных показателей в общей схеме.

В качестве эталонной последовательности использовалась идеальная схема, а каждое значение индекса оценки использовалось в качестве последовательности сравнения. Коэффициент корреляции, соответствующий каждому индексу, был получен следующим образом: где — коэффициент корреляции между i -й () последовательностью сравнения и j -й () индексом в эталонной последовательности, а коэффициент разрешения был равен .

Поскольку все коэффициенты, показанные в уравнениях (10)–(13), были рассчитаны, а другие коэффициенты, используемые в уравнении (14), были выданы, поэтому значения в таблице 11 могут быть окончательно получены из уравнения (14).

Рассмотрено субъективное весовое распределение механических и теплоизоляционных свойств бетона. Наиболее важными были прочность на сжатие и теплопроводность, за которыми следуют прочность на растяжение и сдвиг. Таким образом, весовые коэффициенты индекса субъективной оценки составили 0,3, 0,2, 0,2 и 0,3 для прочности на сжатие, прочности на растяжение, прочности на сдвиг и теплопроводности соответственно. Очевидно, что весовые коэффициенты 0,3, 0,2, 0,2 и 0,3 определяются пользователем. В соответствии с уравнением (15) рассчитывается степень корреляции серого, показанная в таблице 12, где получена из таблицы 11, а .

Как показано в Таблице 12, по мере того, как значение степени корреляции серого стремилось к 1, рабочие характеристики бетона становились более идеальными. В этом тесте степень корреляции серии образцов №. 2 был самым большим — 0,7043. Таким образом, соотношение нет. Наилучшее соотношение было у образца 2, т. е. у образца состава А ₁ Б ₂ С ₂ Г ₂ . В этом образце керамзит заменил 5 % массы крупного заполнителя, гончарный песок заменил 10 % массы мелкого заполнителя, содержание базальтового волокна составило 0,15 % от объема бетона, а содержание растительного волокна 0,2% от объема бетона.

4. Микроскопический анализ

Прочность и теплопроводность бетона можно определить описанным выше методом испытаний. Метод обработки данных ортогонального теста также может быть использован для получения влияния четырех факторов, т. е. керамзита, гончарного песка, базальтового волокна и растительного волокна, на прочность и теплопроводность бетона. Однако взаимодействие четырех факторов с бетоном в бетонной матрице и их влияние на прочность и теплопроводность необходимо наблюдать с помощью микроанализа. Поэтому необходимо нарезать образцы бетона и непосредственно наблюдать за распределением заполнителя внутри бетона. Компоненты реакции гидратации в бетоне анализировали с помощью рентгеновской дифракции (XRD), а внешний вид бетонной матрицы и армированную форму волокна наблюдали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

4.1. Рентгеноструктурный анализ

Для девяти групп образцов для ортогонального испытания все основные материалы были выбраны таким же образом. С той лишь разницей, что в бетонной смеси содержится керамзит, гончарный песок, базальтовое волокно и растительное волокно. Керамзит представляет собой стабильный крупный заполнитель, обладающий хорошей совместимостью с цементом и другими вяжущими материалами. Поэтому требуется определенное содержание (5 мас.% крупного заполнителя) керамзита. Были исследованы фазовые составы бетона в смеси с тремя другими факторами на разных уровнях. Согласно табл. 4, содержание керамзита было зафиксировано в образцах 1, 2 и 3, тогда как уровни остальных трех факторов варьировали, но сохраняли один и тот же рост. В образцах 4, 5 и 6 и образцах 7, 8 и 9, содержание керамзита также было фиксированным, но уровни остальных трех факторов варьировали неравномерно. Поэтому для рентгеноструктурных исследований были выбраны образцы 1, 2 и 3. Образцы запечатывали после того, как они были измельчены и пропущены через сито 400 меш. Рентгеноструктурный анализ был проведен для определения фазового состава внутри бетона. Результаты показаны на рисунке 5.

Как показано на рисунке 5 и в сочетании с литературными исследованиями [29], эттрингит (B-AFt) и гидроксид кальция (A-Ca(OH) ₂ ) пики появились в спектрах XRD для трех групп. Высота пика эттрингита в образце 2 больше, чем у гидроксида кальция, и, таким образом, содержание эттрингита больше, чем гидроксида кальция. По сравнению с высотой пика эттрингита в образцах 1 и 3 высота пика эттрингита была наибольшей в образце 2. Следовательно, прочность на сжатие образца 2 была наибольшей, что согласуется с испытаниями на прочность на сжатие. Керамический песок содержит определенное количество глинистых минералов, которые могут вступать в реакцию с продуктами гидратации цемента (главным образом, гидроксидом кальция) с образованием эттрингита, тем самым увеличивая содержание эттрингита и снижая содержание гидроксида кальция. Кроме того, при смешивании бетона с керамзитом, гончарным песком, летучей золой и другими минеральными добавками несколько свободных элементов в каждой смеси реагировали с образованием двух полимеров: Al(OH) ₃ ·AlPO ₄ (F) и 2MgSO ₄ ·Mg(OH) ₂ (G). Как сообщалось в работах [30, 31], эти два полимера не распространяют горение, обладают высокой прочностью, стабильными размерами и антирастрескивающими свойствами. Их присутствие в бетонной матрице может эффективно повысить прочность бетона, предотвратить растрескивание бетона и оказать благотворное влияние на механические свойства бетона.

4.2. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии

Снимки, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) участка матрицы нового теплоизоляционного торкретбетона образца 2, показаны на рис. 6. На поверхности бетона было много отверстий разного размера, которые интеркалированы в бетон и равномерно распределены на рисунке 6 (а). Размер ориентировочных отверстий увеличен, а положение отверстия выделено красным кружком на рисунке 6(b). Отверстия образовались из-за присутствия в бетонной матрице двух пористых материалов: керамзита и гончарного песка. Поскольку два пористых материала были равномерно распределены в бетонной матрице, появилось большое количество равномерно распределенных закрытых пор. Из-за низкой теплопроводности воздуха внутри отверстий теплопроводность бетона была эффективно снижена, и бетон показал лучшие теплоизоляционные свойства.

Хотя теплопроводность бетона может быть снижена за счет добавления пористых материалов, таких как керамзит, гончарный песок и полые глазурованные шарики, прочность бетона может быть одновременно снижена благодаря характеристикам пористых материалов. При разрушении бетона сначала деформировались стенки вокруг отверстий в пористом материале, что вызывало перетекание напряжений в сферические поры и приводило к концентрации напряжений. Это способствовало развитию растягивающих напряжений и в конечном итоге привело к трещине, которая разрушила образец. Когда базальтовые и растительные волокна были смешаны с бетоном, эти два волокна образовали перекрещивающееся и неупорядоченное распределение в бетонной матрице. На рисунке 7 желтым прямоугольником выделено базальтовое волокно, а красным прямоугольником выделено растительное волокно. Два вида волокон сформировали стабильную пространственную сетчатую структуру в бетонной матрице. Когда давление увеличилось до точки структурного разрушения, целостность образца была лучше, что эффективно препятствовало развитию растягивающего напряжения, вызванного разрушением пористых материалов в бетонной матрице, и производило эффект вторичного усиления.

На рис. 8(а) показано состояние структурной поверхности, армированной волокнами, увеличенными в 400 раз. Рядом с укрепленным растительными волокнами участком на поверхности бетона можно наблюдать ячеистое отверстие. На рисунке 1(b) ячеистая структура увеличена в 2000 раз. Ячеистая структура имела гладкую пластинчатую поверхность и толщину примерно 10–20 нм. Они были соединены центральным сердечником и могли быть легко встроены в бетонную матрицу, чтобы обеспечить передачу внутреннего напряжения конструкции. На основании результатов рентгеноструктурного анализа и предыдущих отчетов [30] структура сотовой оболочки представляла собой Al(OH) ₃ ·AlPO ₄ полимер. Он был сформирован путем покрытия цветкообразной микроструктуры AlPO ₄ покрытием Al(OH) ₃ . Кроме того, эта структура обеспечивала огнезащитные свойства и улучшала прочность композита на растяжение [30]. Между тем, вышеупомянутая структура и армирование волокнами работали вместе, чтобы улучшить прочность бетона на растяжение.

5. Заключение

На основе анализа дисперсии и коэффициента вклада, а также всех четырех основных примесей, таких как керамзит, гончарный песок, базальт и растительное волокно, результаты показывают, что содержание гончарного песка оказало наибольшее влияние на прочности бетона на сжатие и сдвиг, с нормами вклада 490,95% и 34,22% соответственно. Содержание керамзита оказало наибольшее влияние на предел прочности при растяжении и теплопроводность бетона с долей вклада 63,04% и 54,84% соответственно.

На основании факторных показателей установлен оптимальный диапазон содержания добавок: содержание керамзита 10–15 % от массы крупного заполнителя, керамзитового песка 5–10 % от массы мелкого заполнителя, базальтовых волокон содержание 0–0,15 % от объема бетона, а содержание растительных волокон 0,1–0,2 % от объема бетона.

Исходя из степени корреляции серого и для эффективного баланса прочности и теплопроводности теплоизоляционного торкретбетона, наилучший состав, полученный по конкретному количеству образцов, был следующим: 5% массы крупного заполнителя было заменено керамзитом. , 10 % массы мелкого заполнителя заменили гончарным песком, содержание базальтового волокна составило 0,15 об. % бетона, растительного волокна 0,2 об. % бетона. Согласно приведенному выше исследованию, общий вывод может быть применим к будущим исследованиям.

Результаты микроскопических испытаний показали, что вышеуказанная добавка не повлияла на реакцию гидратации цементного раствора в бетоне. Кроме того, прочность бетона была высокой, никаких вредных веществ или побочных реакций не появлялось. В сочетании с анализом механических характеристик теплоизоляционный торкретбетон можно использовать для повышения термостойкости окружающей породы и крепи выработки в глубоких и высокотемпературных шахтах.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Авторы признательны за поддержку Фонда научно-технического проекта «Ключевые технологии предотвращения и ликвидации крупных аварий в области безопасности производства», Главного управления государственного надзора за безопасностью (№ Anhui-0003-2016AQ) и Инновационного Фонд аспирантов Аньхойского университета науки и технологий (2017CX2021).

Ссылки

1. W. Chen, S. Liang, and J. Liu, «Предлагаемый парокомпрессионный рефрижератор раздельного типа для контроля тепловой опасности в глубоких шахтах», Applied Thermal Engineering , vol. 105, стр. 425–435, 2016.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. X.-B. Мао, Л.-Ю. Чжан, Т.-З. Ли и Х.-С. Лю, «Свойства режима разрушения и термического повреждения известняка при высокой температуре», Mining Science and Technology (Китай) , том. 19, нет. 3, стр. 290–294, 2009 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. Y. Gao, F. Gao, Z. Zhang и T. Zhang, «Вязко-упругая-пластическая модель глубоких подземных пород, подверженных воздействию температуры и влажности», Mining Science and Technology (Китай) , том. 20, нет. 2, стр. 183–187, 2010.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

4. М. Ли, Исследование закономерностей деформирования горных выработок в основаниях глубоких шахт на термомеханической муфте , Аньхойский университет науки и технологий, Хуайнань, Китай, 2010 г., на китайском языке.

5. Х.-П. Фэн, З. Цзя, Х. Лян и др., «Полная система воздушного охлаждения и обогрева на основе источника шахтной воды», Applied Thermal Engineering , vol. 145, стр. 610–617, 2018.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. П. Го, Г. Чжу, Ю. Лю, М. Дуань и Дж. Ву, «Полевой эксперимент по управлению тепловыми катастрофами на угольных шахтах с использованием источника холода из поверхностных вод», Международный журнал горной науки и техники , том. 24, нет. 6, стр. 865–869, 2014.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

7. А. П. Сасмито, Дж. К. Курниа, Э. Биргерссон и А. С. Муджумдар, «Вычислительная оценка стратегий управления температурным режимом в подземной шахте», Applied Thermal Engineering , vol. 90, стр. 1144–1150, 2015.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

8. М.-К. Он, «Применение технологии охлаждения HEMS в борьбе с тепловыми опасностями в глубоких шахтах», Mining Science and Technology (Китай) , vol. 19, нет. 3, стр. 269–275, 2009 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

9. M. He, X. Cao, Q. Xie et al., «Принципы и технология пошагового использования ресурсов для снижения тепловых рисков в глубоких шахтах», Mining Science and Technology (China) , vol. 20, нет. 2010. Т. 1. С. 20–27.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. А. Райан и Д. С. Эйлер, «Управление тепловым стрессом в подземных шахтах», International Journal of Mining Science and Technology , vol. 27, нет. 4, стр. 651–655, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

11. Y. Xiaojie, H. Qiaoyun, P. Jiewen, S. Xiaowei, H. Dinggui, and L. Chao, «Progress of the Heat-hazard processing in deep mines», Mining Science and Technology (Китай ) , том. 21, нет. 2, стр. 295–299, 2011.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. Сюй С., Лю Дж. и Цзэн К., «На пути к лучшему описанию теплопроводности материалов на основе цемента: влияние межфазного теплового сопротивления и размера включений», Materials & Design , vol. 157, стр. 105–118, 2018.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. J. Pang, J. Huang, W. Yao et al., «Экспериментальное исследование теплопроводности и прочности термоторкретбетона в дорожном полотне», Журнал Научно-исследовательского института реки Янцзы , том. 35, нет. 2, стр. 119–124, 2018 г., на китайском языке.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

14. В. Яо и Дж. Панг, «Ухудшение характеристик и микроскопический анализ обычного бетона с глазурованными пустотелыми шариками после воздействия высокой температуры», Acta Materiae Compositae Sinica , no. 3, стр. 1–12, 2019 г., на китайском языке.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

15. A. Sepulcre Aguilar, J. Pinilla Melo и F. Hernández Olivares, «Микроструктурный анализ газобетонных цементных паст с добавками летучей золы, метакаолина и сепиолита», Construction and Building Materials , vol. 47, стр. 282–292, 2013.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

16. Г. Чен и К. Ван, «Механические и тепловые свойства пенобетона, армированного стекловолокном и керамзитом», Indoor and Built Environment , vol. 27, нет. 7, стр. 890–897, 2018.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

17. Ю. Чжан, Г. Ма, Ю. Лю и З. Ли, «Изгиб железобетонных балок с полыми остекленными бортами», Journal of Reinforced Plastics and Composites , vol. 34, нет. 20, стр. 1698–1712, 2015.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

18. Z. Jiao, Y. Wang, W. Zheng et al., «Влияние активатора на характеристики растворов из активированного щелочью шлака с гончарным песком в качестве мелкого заполнителя», Строительство и строительные материалы , вып. 197, стр. 83–90, 2019.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

19. Х. Хуанг, Оптимизация соотношения компонентов смеси и характеристик армирования пенобетона с соломенным волокном , Уханьский университет науки и технологий, Ухань, Китай, 2018 г., на китайском языке.

20. С. Чжан, Ю. Ли и З. Чжэн, «Влияние физико-химической структуры на энергопоглощающие свойства композитов, армированных растительными волокнами: диэлектрические, теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства», Composites Communications , vol. 10, стр. 163–167, 2018 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

21. Дж. Чжан и Х. Оу, «Идея исследования высокоэффективного теплоизоляционного торкретбетона с легким заполнителем в туннеле с высокой геотемпературой», Бетон. , нет. 9, стр. 140–144, 2016 г., на китайском языке.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

22. Г. Ма, Л. Ян, В. Шен, Д. Чжу, Л. Хуан и Б. Касал, «Влияние воды, раствора щелочи и температурного старения на воду». поглощение, морфология и механические свойства натуральных композитов FRP: джут на растительной основе против базальта на минеральной основе», Композиты Часть B: Engineering , vol. 153, стр. 398–412, 2018.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

23. C. Liu, G. Xu и B. Xu, «Полевые исследования по предварительной вакуумной загрузке навозной жижи с дренажем пшеничной соломы», KSCE Journal of Civil Engineering , vol. 22, нет. 11, стр. 4327–4333, 2018.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

24. М. Ли, С. Чай, Х. Чжан, Х. П. Ду и Л. Вей, «Возможность укрепления засоленной почвы обработанной пшеничной соломой и известью», Грунты и основания , том. 52, нет. 2, стр. 228–238, 2012 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

25. JGJ/T 372-2016, Технические условия нанесения набрызг-бетона , China Architecture & Building Press, Пекин, Китай, 2016.

26. К. Чен, Планирование и анализ экспериментов5 9034 , Tsinghua University Press, Пекин, Китай, 2-е издание, 2005 г., на китайском языке.

27. Х. -Ю. Цай, Б.-Х. Хуанг и А.-С. Ван, «Сочетание модели AHP и GRA для оценки компаний по страхованию имущества и ответственности для ранжирования», Журнал Серой Системы , том. 20, нет. 1, стр. 65–78, 2008 г.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

28. GB/T 50081-2002, Стандарт для метода испытаний механических свойств обычного бетона , China Architecture & Building Press, Пекин , China, 2002.

29. Y. Li, W. Wang, P. Zhang et al., «Влияние добавления минеральной добавки на прочность на сжатие сланцево-керамзитобетона», Journal of Hunan University (Natural Sciences) , том. 45, нет. 6, стр. 72–77, 2018 г., на китайском языке.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

30. Н. Цзоу, Х. Панг, С. Чжу и др., «Al(OH) ₃ @AlPO ₄ композитный антипирен с иерархической структурой и его воспламенением замедления воспламенения для полиэтилена», Заявка на инженерные пластмассы , том.