黃麻纖維對(duì)混凝土塑化性能和物理力學(xué)性能的影響

孫海龍

(新疆阿勒泰地區(qū)青河縣水利總站,新疆 青河 836200)

1 概 述

混凝土在強(qiáng)度、耐久性和經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于其他建筑材料,但由于其抗拉能力弱、抗裂性能差等缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了應(yīng)用范圍。針對(duì)混凝土這一脆性特點(diǎn),使用纖維增強(qiáng)混凝土通常被認(rèn)為是一種合理方案。將纖維加入到混凝土中,可以有效增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度。其中,鋼纖維在混凝土中應(yīng)用最為廣泛[1],但鋼纖維易腐蝕。為解決這一問(wèn)題,合成纖維通常被作為一種替代品,而合成纖維的制造是相當(dāng)昂貴和耗能的。在這種情況下,天然纖維則被認(rèn)為是生產(chǎn)纖維增強(qiáng)混凝土的潛在替代纖維。用天然纖維增強(qiáng)混凝土是利用天然纖維直徑小、不連續(xù)、離散的隨機(jī)分散在混凝土基體中的這一特點(diǎn)。天然纖維在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、能源和資源節(jié)約方面具有優(yōu)勢(shì),此外,它還可以減少生產(chǎn)混凝土的骨料和水泥用量。

天然纖維根據(jù)來(lái)源,可以分為三大類:植物纖維、動(dòng)物纖維和礦物纖維。在這些纖維中,植物纖維是首選[2]。因?yàn)橹参锢w維比動(dòng)物纖維具有更高的強(qiáng)度和剛度,而且纖維素基植物纖維由于其低密度、高拉伸性能和特殊的微結(jié)構(gòu)[3],可為混凝土提供增強(qiáng)劑的效果。

在不同種類的纖維中,黃麻是價(jià)格低廉、最耐用的天然纖維之一,在我國(guó)廣泛存在。黃麻作為一種天然纖維,具有高拉伸強(qiáng)度、中等耐火性能、生物降解性、可再生性、可循環(huán)利用性和生態(tài)友好性等優(yōu)點(diǎn)[4],使其優(yōu)于其他纖維。

早期的研究報(bào)道,在混凝土中加入未經(jīng)處理的黃麻纖維,會(huì)對(duì)混凝土[5]的坍落度產(chǎn)生不利影響。在混凝土中添加低含量的未處理黃麻纖維,可以改善硬化混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、韌性、延性和斷裂機(jī)制[6]。到目前為止,還沒(méi)有對(duì)處理過(guò)的黃麻纖維拌合的混凝土進(jìn)行塑化性能和物理力學(xué)性能的研究。

2 研究意義

在混凝土混合料中摻入纖維能有效提高混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo),混凝土混合料中加入黃麻纖維的概念是最近的趨勢(shì)。到目前為止,關(guān)于黃麻纖維對(duì)混凝土塑化性能和物理力學(xué)性能的研究較少。因此,研究黃麻纖維對(duì)混凝土的影響有著重要意義。

本文使用纖維體積摻量0.00%、0.25%、0.50%和1.00%以及纖維長(zhǎng)度10和20mm的黃麻纖維,制備8組不同配比的混凝土,對(duì)新拌混凝土坍落度進(jìn)行測(cè)量;制備混凝土柱和混凝土梁,測(cè)量7、28和90天混凝土柱的抗壓強(qiáng)度、28和90天混凝土柱的抗拉強(qiáng)度以及28天混凝土梁的抗折強(qiáng)度,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行紀(jì)錄并進(jìn)行分析,以確定黃麻纖維不同長(zhǎng)度和不同體積摻量對(duì)混凝土塑化性能和物理力學(xué)性能的影響。

3 試驗(yàn)方案

3.1 水 泥

復(fù)合硅酸鹽水泥是我國(guó)使用最廣泛的膠凝材料之一。本文使用相對(duì)密度2.87、28天抗壓強(qiáng)度42.1MPa(即42.5n的強(qiáng)度等級(jí))復(fù)合硅酸鹽水泥。水泥中,硅酸三鈣的質(zhì)量占比49.7%,硅酸二鈣的質(zhì)量占比25.1%,鐵鋁酸四鈣的質(zhì)量占比11.2%,氧化鎂質(zhì)量占比小于3.5%,三氧化硫質(zhì)量占比小于3.5%,燒失量0.8%,游離氧化鈣質(zhì)量占比1.0%。

3.2 骨 料

在本研究中,選用當(dāng)?shù)氐氖暮秃由坝米鞔止橇?CA)和細(xì)骨料(FA)。天然粗骨料的最大粒徑和公稱最大粒徑分別為25和19mm,天然河砂最大粒徑4.83mm。采用國(guó)標(biāo)測(cè)定各集料組的物理特性,結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)國(guó)標(biāo)進(jìn)行篩分分析,得到骨料的粒徑分布,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 粗骨料和細(xì)骨料的粒徑分布

表1 粗骨料和細(xì)骨料的物理性質(zhì)

3.3 黃麻纖維

用未經(jīng)處理的黃麻作纖維來(lái)制備黃麻纖維增強(qiáng)混凝土。黃麻纖維長(zhǎng)約1.0～2.0m,顏色金黃,黃麻纖維的直徑、密度和抗拉強(qiáng)度分別為0.10mm、1.45g/cm3和480 MPa,并將黃麻纖維切割成10和20mm兩種不同的長(zhǎng)度。

3.4 配合比設(shè)計(jì)

添加纖維體積摻量0.00%、0.25%、0.50%和1.00%以及纖維長(zhǎng)度10和20mm的黃麻纖維,研究不同長(zhǎng)度和不同體積摻量對(duì)混凝土塑化性能和物理力學(xué)性能的影響。對(duì)于所有混凝土混合料,保持水灰比(w/c)為0.42、砂率(s/a)為0.34不變,制備8組混凝土。用于坍落度試驗(yàn)、制作混凝土圓柱體和混凝土梁的混凝土拌合物成分見(jiàn)表2。

3.5 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)表2中的8組配合比,共制備0.10 m3混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2016 ),澆注15個(gè)混凝土圓柱(直徑10cm×高20cm),用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn);澆筑4根混凝土梁(長(zhǎng)15cm×寬15cm×高55cm),用于抗折試驗(yàn)。24h之后,試件脫模,常溫下浸水養(yǎng)護(hù)。對(duì)混凝土柱分別進(jìn)行7、28和90天的抗壓強(qiáng)度測(cè)試以及28和90天的劈裂測(cè)試;對(duì)混凝土梁分別進(jìn)行28天的抗折強(qiáng)度測(cè)試。

4 結(jié)果和討論

4.1 坍落度

混凝土坍落度試驗(yàn)是衡量混凝土稠度以評(píng)估新拌混凝土和易性的試驗(yàn)方法,是混凝土塑化性能的重要參數(shù)。為了探討黃麻纖維的摻入對(duì)混凝土塑化性能的影響,在各組混凝土拌和過(guò)程中測(cè)定混凝土混合料的坍落度,并將黃麻纖維的體積和長(zhǎng)度對(duì)新拌混凝土坍落度的影響繪制成曲線,見(jiàn)圖2。

圖2 黃麻纖維的體積和長(zhǎng)度對(duì)混凝土坍落度的影響

由圖2可以看出,混凝土中黃麻纖維的摻入降低了混凝土的流動(dòng)性,導(dǎo)致坍落度減小。其原因可能是由于黃麻纖維比表面積高、直徑較小所致,而且黃麻纖維的親水吸濕特性有助于降低坍落度。圖2還顯示,混凝土摻入較高長(zhǎng)徑比(纖維長(zhǎng)度20mm)的黃麻纖維和較低纖維含量(纖維體積為0%和0.25%)時(shí),對(duì)坍落度的影響相對(duì)較小。此外,對(duì)于一定體積的黃麻纖維,較短的長(zhǎng)度(纖維長(zhǎng)度10mm)擁有更多的纖維,從而對(duì)混凝土的坍落度產(chǎn)生較大的影響。

4.2 抗壓強(qiáng)度

通過(guò)壓縮試驗(yàn),將黃麻纖維體積和長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響繪制成曲線,見(jiàn)圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。黃麻纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因纖維長(zhǎng)度、體積和養(yǎng)護(hù)齡期的不同而不同。在第7天,摻入長(zhǎng)度為10mm、纖維體積為0.25%和0.50%的黃麻纖維時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度大于素混凝土抗壓強(qiáng)度;摻入長(zhǎng)度為20mm、纖維體積為0.25%的黃麻纖維時(shí),抗壓強(qiáng)度大于素混凝土抗壓強(qiáng)度。究其原因,纖維橋接作用使混凝土橫向變形停止,抗壓強(qiáng)度提高。此外,以較低體積添加纖維,可使混凝土拌合料之間牢固結(jié)合并形成完整的整體。但當(dāng)纖維體積達(dá)到1%時(shí),摻入長(zhǎng)度為10和20mm的黃麻纖維混凝土,其7、28和90天的抗壓強(qiáng)度都會(huì)降低,并且摻入長(zhǎng)度為20mm、0.5%體積參量的黃麻纖維時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)了下降。表明較低含量的黃麻纖維使混凝土的性能得到改善,較高含量的黃麻纖維會(huì)使混凝土中的孔隙增加,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。同時(shí),纖維長(zhǎng)度過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致纖維在混凝土中分布不均勻,同樣也會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

圖3 纖維長(zhǎng)度10mm時(shí)纖維含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 纖維長(zhǎng)度20mm時(shí)纖維含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

4.3 抗拉強(qiáng)度

通過(guò)劈裂試驗(yàn),將黃麻纖維體積和長(zhǎng)度對(duì)混凝土柱28和90天抗拉強(qiáng)度的影響繪制成曲線,見(jiàn)圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出,黃麻纖維摻入對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響。而黃麻纖維長(zhǎng)度為10和20mm時(shí),當(dāng)纖維含量從0%增加至0.50%時(shí),混凝土的抗拉強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì);超過(guò)該比例,則呈下降趨勢(shì)。纖維含量為0.50%、纖維切割長(zhǎng)度為10和20mm時(shí),抗拉強(qiáng)度分別比素混凝土提高15%和24%。在90天,當(dāng)纖維切割長(zhǎng)度為10mm時(shí),混凝土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步增加?？傮w而言,在劈裂試驗(yàn)中,0.50%的纖維體積摻量為最優(yōu)體積摻量,20mm的切割長(zhǎng)度比10mm的切割長(zhǎng)度抗拉效果更好。摻入長(zhǎng)度10mm的黃麻纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度影響不顯著,可能是由于黃麻纖維長(zhǎng)度較短,無(wú)法起到有效的橋梁作用,從而無(wú)法限制裂縫在混凝土上的擴(kuò)展。

圖5 黃麻纖維的體積和長(zhǎng)度對(duì)28天養(yǎng)護(hù)齡期混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

圖6 黃麻纖維的體積和長(zhǎng)度對(duì)90天養(yǎng)護(hù)齡期混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

4.4 抗折強(qiáng)度

通過(guò)抗折試驗(yàn),將黃麻纖維的體積和長(zhǎng)度對(duì)混凝土梁抗折強(qiáng)度的影響繪制成曲線,見(jiàn)圖7。由圖7可以看出,黃麻纖維摻合物對(duì)混凝土梁的抗折無(wú)明顯提高。當(dāng)摻入長(zhǎng)度10mm、纖維含量0.50%的黃麻纖維時(shí),混凝土的抗折強(qiáng)度提高近6.0%;摻入長(zhǎng)度為20mm、纖維含量為0.25%、0.50%和1.00%的黃麻纖維時(shí),抗折強(qiáng)度均有所降低。結(jié)果還表明,當(dāng)纖維含量為1.0%時(shí),無(wú)論摻入纖維長(zhǎng)度為10或20mm的黃麻纖維,對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度均有不利影響。

圖7 黃麻纖維的體積和長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

5 結(jié) 論

1)混凝土的坍落度隨著混凝土中黃麻纖維含量的增加而減小。與長(zhǎng)度為20mm的黃麻纖維相比,長(zhǎng)度為10mm的黃麻纖維制備的混凝土對(duì)坍落度的影響更大。

2)抗壓強(qiáng)度的發(fā)展隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增強(qiáng)。無(wú)論黃麻纖維長(zhǎng)度如何,添加少量0.25%的黃麻纖維均能增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。在黃麻纖維摻量為1.00%時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低。而0.50%黃麻纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因黃麻纖維長(zhǎng)度的不同而不同;長(zhǎng)度為10mm的纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度有積極影響,而長(zhǎng)度為20 mm的纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度有負(fù)面影響。

3)總體而言,黃麻纖維的添加對(duì)混凝土28和90天的抗拉強(qiáng)度影響不顯著。當(dāng)黃麻纖維含量較低(0.25%和0.50%)時(shí),混凝土的抗拉強(qiáng)度略高于不含黃麻纖維或黃麻纖維含量較多(1.00%)的混凝土。

4)無(wú)論纖維含量如何,長(zhǎng)徑比為200(纖維長(zhǎng)度20 mm)的黃麻纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度均有不利影響。當(dāng)使用長(zhǎng)徑比為100(纖維長(zhǎng)度10 mm)的黃麻纖維時(shí),黃麻纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響主要取決于黃麻纖維的體積。當(dāng)黃麻纖維用量為0.5%和0.25%時(shí),抗折強(qiáng)度增加的幅度最大;而當(dāng)黃麻纖維用量為1.00%時(shí),抗彎強(qiáng)度下降。