张 逍，辛 嵩，刘尚校，骆 伟

（1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590；2.兖煤菏泽能化有限公司，山东菏泽 274000）

随着开采深度的增加，地温越来越高，热害问题日益明显，中国很多中大型煤矿采掘工作面温度已经超过30 ℃，部分矿井温度直达40 ℃。矿井内部的高温会使得工作人员身体的热平衡遭到严重破坏，使其劳动力效率和注意力下降，严重威胁着深部矿井的安全生产[1]。

国内外一些专家相继提出解决方案，主要是依赖制冷、制冰、通风等机械技术实现降温[2]，机械降温方式治标不治本，消耗了大量的能源。而使用隔热混凝土作为主动降温的方法，实现对岩层热源的隔离，减少围岩向风流的散热，再辅以其它降温措施带走热量，从而实现降温。近年来，由陶粒、玻化微珠制作的隔热混凝土密度小、易喷射，较普通混凝土相比隔热性能提升显著[3-4]。

在混凝土中加入纤维材料可阻碍混凝土裂纹的发展，从而提高抗裂性，还可以提高混凝土的抗压、抗弯、抗冲击强度及隔热性能[5-8]。麦秆纤维来源广泛、原料丰富、价格低廉和优异的力学性能，有着独特的天然优势，是一种很有前途的绿色隔热材料[9]，广泛应用于多孔混凝土路基、地上建筑混凝土、纤维板、隔音材料和土地坡面防护等方面。Farooq[10]的研究结果表明，在钢筋混凝土中掺入麦秸可以最大提高7.5%的抗弯强度，并具有更好的抗裂机理；麻类纤维具有较高的抗拉强度和耐碱性环境的能力，Korjenic 等人[11]已经证明由黄麻、亚麻和大麻等植物维制成的隔热材料，在物理和机械性能方面可与常规纤维制成的隔热材料相媲美；Ali[12]展示了桉树叶与麦秆纤维混合制成的隔热材料，在60 ℃的导热系数为0.065 W/（m·K），并且桉树叶在在高达210 ℃的温度下保持稳定，有在建筑物墙壁进行大规模使用的潜力。麦秆纤维可以增强地上建筑混凝土的保温与力学性能，但目前我国对麦秆等植物纤维的有效利用率低，绝大部分就地焚烧或就地还田[13]。若将麦秆纤维应用到矿井隔热混凝土中，对于煤炭节能生产和有效利用农业废弃物带来双赢的局面，具有非常重要的现实意义。

中国有许多超过1 000 m 深的矿井，井下高温环境日益恶劣，有必要研究导热系数更低的隔热混凝土。将少量的麦秆纤维掺入陶粒和玻化微珠的隔热砂浆中，开发新型矿井隔热混凝土。当前的研究工作集中在将麦秆纤维以水泥质量的0%、2%、4%、6%、8%、10%的比例掺入隔热混凝土中，并与普通隔热混凝土的试样进行了力学和隔热性能对比分析，说明麦秆纤维增强矿用隔热混凝土性能的优越性，为研发新型矿井隔热材料提供了新的技术思路。

1 试验部分

1.1 麦秆纤维和试件

1）麦秆纤维。秋收过后，收购当地农民的小麦秸秆,经过自然风干2 个月后,选取完整、光洁、厚度适当麦秆的作为试验样品。用高速多功能粉碎机打碎长麦秆，然后用过滤筛去除残渣，粉碎好的麦秆纤维长度为1～2 cm、厚度为0.3～0.4 cm。麦秆纤维样品如图1。

图1 麦秆纤维Fig.1 Wheat straw fiber

2）试件。麦秆纤维隔热混凝土的原料是陶粒、玻化微珠、麦秆纤维、水泥、沙子、石子和水。采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，根据《轻集料混凝土应用技术规程》，并参考高温巷道隔热混凝土最佳配比[1,14]，进行了隔热混凝土的配合比设计，经过试配，调整，并最终确定了配合比。将水泥∶砂子∶石子∶水的质量比确定于1∶1.85∶1.9∶0.48，陶粒取代石子质量的40%，玻化微珠取代总混合物体积的50%。由隔热混凝土的实际搅拌情况可知，当麦秆纤维掺量超过水泥质量的10%时，会出现严重结团、试样无法成型的现象，所以将小麦纤维掺量采用水泥质量的0%、2%、4%、6%、8%、10%与其他材料进行均匀混合。原料充分混合后将它们浇注在模具（70 mm×70 mm×70 mm）中，轻轻压实成型，每种试样制作3 个试件。静置24 h，待有一定强度用气枪进行拆模，对其进行编号后养护28 d，期间定时喷水养护，并用保鲜膜包裹试件保持湿润，养护完成后再阴干7 d。

1.2 微观结构观察与导热系数及抗压强度测定试验

用Apreo S HiVac 高分辨率扫描电子显微镜（SEM），观察麦秆纤维的微观结构和混凝土中麦秆纤维与水泥的界面结合情况，获得了优质的扫描图像。

在试件经过养护及阴干后，使用DRPL-I 导热系数测试仪进行导热系数测定试验。将70 mm×70 mm×70 mm 尺寸的试样夹在冷热板之间，试样两侧应平整，设置仪器热板温度，并在仪器软件中记录试样厚度（70 mm）。为了提高试验数据的准确性和可靠性，防止出现较大误差，设计3 个试件为1 组，每组试件所用拌合物配比相同，该仪器测试1 个试件大约需要50～60 min。

抗压强度测试试验中要保持所施加的荷载均匀、连续，加载位移速度1 mm/min。试件尺寸为70 mm×70 mm×70 mm 的标准试件，相对误差不超过10%的情况下取3 个数值的平均值作为该种类试样的抗压强度。抗压强度试验仪器采用岛津AGX-250电子万能试验机。

2 试验结果

2.1 导热系数

导热系数随麦秆纤维掺加量变化图如图2。随着麦秆纤维掺加量从0%增加到10%，混凝土的导热系数从0.227 8 W/（m·K）降到0.200 2 W/（m·K），提升率12.1%，较普通矿井混凝土导热系数小很多，隔热性能良好[15]。

图2 导热系数随麦秆纤维掺加量变化图Fig.2 Variation of thermal conductivity with percentage of wheat straw fiber

不同掺量的麦秆纤维隔热混凝土导热系数与抗压强度数值见表1 和表2。

表1 不同掺量的麦秆纤维隔热混凝土导热系数Table 1 Thermal conductivity of wheat straw fiber insulation concrete with different contents

表2 不同掺量的麦秆纤维隔热混凝土抗压强度Table 2 Compressive strength of wheat straw fiber insulation concrete with different contents

掺入2%的麦秆纤维与普通隔热混凝土相比导热系数降低了7.5%，隔热性能提升显著，这与麦秸纤维的内部结构有着密不可分的联系，麦秸秆节间横截面及表皮纵截面SEM 图像如图3。

图3 麦秸秆节间横截面及表皮纵截面SEM 图像Fig.3 SEM images of internode cross section andepidermis longitudinal section of wheat straw

由图3 可以观察到组织中存在着大量的类似于陶粒和玻化微珠内部一样的孔隙结构，并且是封闭的。麦秆节间组织中，薄壁组织所占体积比较大，密度较小，细胞（约350 μm 长，直径约为35 μm）多为狭长的杆状，结构特点为壁薄、腔大[16]，其中的空腔充满了空气（在标准状态下，空气的导热系数为0.027 W/（m·K）[17]），具有抵挡热流的天然能力。空心的细胞使麦秆纤维成为多孔材料，具有良好的隔热性能。

麦秆纤维的掺量大于8%，隔热混凝土的导热系数并没有随着麦秆纤维的增加而持续降低，维持在0.200 5 W/（m·K）左右。麦秆纤维在隔热混凝土中的SEM 图像如图4。

由图4 可知，麦秆纤维的掺量2%～6%的范围内，麦秆纤维分布均匀，麦秆纤维与其他混合物有狭小的空隙，能够有效地提高隔热混凝土孔隙率。麦秆纤维的掺量在8%～10%时，麦秆纤维相互重叠，没有被水泥覆盖，产生大尺寸的孔隙。过大的孔隙，导致孔隙中的气体发生的热对流增强，同时两侧孔壁的温差变大，热福射也会增强，隔热性能减弱，掺加过量的麦秆纤维不会使导热系数进一步降低[18]。

图4 麦秆纤维在隔热混凝土中的SEM 图像Fig.4 SEM image of wheat straw fiber in thermal insulation concrete

2.2 抗压强度测量

不同掺量的麦秆纤维在混凝土中的分布情况如图5。

图5 不同掺量的麦秆纤维在混凝土中的分布情况Fig.5 Distribution of wheat straw fiber with different dosages in concrete

在隔热混凝土中添加2%的麦秆纤维，观察到其抗压强提高5.9%，抗压强度达到最大；之后随着麦秆纤维掺量的增多，抗压强度持续降低。纤维掺量10%的麦秆纤维隔热混凝土，抗压强度低至1.81 MPa，抗压强度衰退了71.3%。这是因为麦秆表皮的角质层使麦秆纤维有一定强度，而且掺少量的纤维，纤维在隔热混凝土中均匀分散形成立体纤维网，有加强筋的作用[19]，进而增强了隔热混凝土的强度；然而在纤维掺量进一步增大，纤维搅拌不均匀，相互重叠，纤维之间的水泥厚度稀薄，纤维间的孔隙变大，影响隔热混凝土的整体性。堆叠的麦秆纤维与水泥的不连续界面成为隔热混凝土的薄弱点，降低了抗压强度。总体来说适量的纤维能够对力学性能有增强作用，而纤维过量会适得其反。

2.3 综合分析

观察到麦秆矿井隔热混凝土隔热性能的改善和抗压强度的增强，两者之间存在复杂的权衡机制。最好的方案是掺加2%的麦秆纤维，可以显著提高隔热混凝土的热学和力学性能。除了掺加2%的麦秆纤维外，还能以减小抗压强度为代价获得隔热性能的提升。

3 结 语

对麦秆的微观结构观察，发现麦秆纤维存在大量的封闭微孔结构，是一种良好的天然绿色隔热材料，可以有效地改善普通隔热混凝土的隔热性能。通过对试样进行导热系数与抗压强度测试，发现最好的麦秆纤维掺加方案是在隔热材料中掺加2%的纤维，可以同时改善隔热性能与力学性能，分别提高7.5%和5.9%。过多的掺加麦秆纤维并不会降低隔热混凝土的隔热性能，反而导致抗压强度衰退严重。因此，基于所进行的研究，可以认为麦秆纤维有在矿井隔热混凝土中应用的潜力。但是，建议对麦秆纤维增强矿井隔混凝土的耐久性能进行详细的探究。