不同長度及直徑的劍麻纖維對自密實輕骨料混凝土力學性能的影響

董健苗 王亞東 杜亞聰 聶浩 燕元晶

摘 要：為研究不同長度及直徑的劍麻纖維對C40自密實輕骨料混凝土工作性能和力學性能的影響，通過對混凝土的坍落擴展度，T500，抗壓強度及劈裂抗拉強度進行試驗后發現：劍麻纖維長度和直徑的變化對自密實輕骨料混凝土的抗壓強度提高幅度很小，均在4.6%之內；隨著劍麻纖維長度增加，抗拉強度均有較明顯的提高，并呈現先升后降的規律；隨著劍麻纖維直徑增大，抗拉強度均有較大的增長，并呈現逐漸增大的趨勢；隨著劍麻纖維長度增加或直徑減小，表觀密度和坍落擴展度均減小， T500均增大，但均滿足國家標準要求； 當劍麻纖維長度為10 mm，直徑為304 μm，摻量為2 kg/m3時，對自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度提高的效果最好，最大可達到44%.

關鍵詞：自密實輕骨料混凝土；劍麻纖維；直徑；長度；力學性能

中圖分類號：TU528.241 文獻標志碼：A

0 引言

自密實輕骨料混凝土（SCLC），是在自密實混凝土的基礎上，采用輕骨料作為粗集料配制而成的高性能混凝土.它結合了自密實混凝土和輕骨料混凝土的優點，表觀密度一般小于1 950 kg/m3，表現出自重輕、無需振搗、密實效果好、均一性好等特點[1-2].盡管與普通混凝土相比，自密實輕骨料混凝土具有諸多優點，但是它仍然存在著抗拉強度低，韌性差，抗裂性能差等不足，使其的使用受到了一定的限制[3].目前，國內外對鋼纖維、碳纖維、以及合成纖維等在混凝土中的應用研究很多，對植物纖維在自密實輕骨料混凝土中應用研究很少，至今尚無足夠完整的研究成果.劍麻纖維是一種可大面積種植且價格低廉的可再生植物，具有內部結構復雜、密度小、拉伸強度高、耐腐蝕和耐摩擦等特點，是一種新興的建筑添加料[4].

本文在強度等級為C40的劍麻纖維自密實輕骨料混凝土中，分別添加兩種不同長度和直徑的劍麻纖維進行試驗，研究劍麻纖維長度、直徑與自密實輕骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度的關系，為劍麻纖維自密實輕骨料混凝土的工程應用提供理論依據.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：廣西魚峰集團有限公司生產的魚峰牌P·O 42.5水泥，其物理力學性能見表1.

陶粒：湖北宜昌寶珠陶粒有限公司生產的700級頁巖圓球型陶粒，相關指標見表2.

砂：柳江河沙，粒徑為0.35 mm～0.5 mm，細度模數為2.67的中砂.

粉煤灰：來賓電廠生產的I級灰，密度2.24 g/cm3，比表面積423 m2/kg，其化學成分見表3.

減水劑：蘇州弗克技術股份有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，粉劑，減水率為30%.

劍麻纖維：廣西劍麻集團生產的劍麻纖維成品，技術指標見表4.

1.2 試件的制作

劍麻預處理：劍麻纖維自然干燥，將劍麻纖維剪成5 mm，10 mm，15 mm的試驗樣品，分別取20 g，以備實驗使用.

攪拌過程：將陶粒倒入攪拌鍋中攪拌，加入1/3的水，攪拌30 s，使陶粒充分濕潤；將水泥、粉煤灰、粉狀減水劑和砂子倒入攪拌鍋中攪拌均勻，并加入1/3的水，攪拌30 s，使其攪拌均勻；慢慢地將劍麻纖維均勻的加入其中，攪拌30 s，使劍麻纖維在混凝土中均勻分布；將剩余的1/3的水加入其中，攪拌180 s.

按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，并按照規定在標準養護室內進行養護.

1.3 自密實輕骨料混凝土配合比

實驗混凝土參考JGJT 283-2012《自密實混凝土應用技術規程》中的絕對體積法進行配合比計算，并通過試驗確定了各種材料的用量. 其中， 水灰比為0.28， 陶粒體積摻量為0.42，減水劑摻量為膠凝材料的1.23 %，粉煤灰采用等量法取代27 %的水泥[5]，用來提高自密實輕骨料混凝土的流動性.每立方米混凝土材料的具體用量為：陶粒546 kg/m3，河砂601 kg/m3，水泥400 kg/m3，粉煤灰150 kg/m3，水157.6 kg/m3，減水劑6.7 kg/m3，劍麻摻量為2 kg/m3.長度分別為5 mm，10 mm和15 mm，直徑分別為186 μm和304 μm，考慮到劍麻纖維的吸水率，拌合混凝土的時候增加了劍麻纖維的吸水量（劍麻纖維吸水率：首先將大量劍麻纖維充分風干，再放入盛水容器中充分吸水，浸泡1 h后，將纖維取出，對表面的水分進行處理，使表面處于干燥但略顯濕潤的狀態，然后進行稱重，劍麻纖維吸水率是130%）.試驗共配制了7個配合比，每個配合比制作了3組試件，并對這些試件進行了劍麻纖維自密實輕骨料混凝土的工作性能、力學性能及表觀密度試驗.試驗結果如表5所示.

2 試驗結果及分析

2.1 抗壓強度

將直徑為186 μm和304 μm，長度分別為5 mm，10 mm，15 mm的劍麻纖維摻入自密實輕骨料混凝土中，測其7 d，28 d抗壓強度值，具體數據見表4.纖維長度和直徑與抗壓強度的關系，如圖1所示.

從圖1可以看出，兩種不同直徑的劍麻纖維，隨著長度從5 mm增加到15 mm，自密實輕骨料混凝土的抗壓強度都略有提高（直徑304 μm，長度為5 mm的試件除外），且纖維直徑越小，其抗壓強度提高越明顯.

主要原因是：當黏結強度相同時，隨著劍麻纖維長度的增加，劍麻纖維與自密實輕骨料混凝土基體的接觸面積就越大，使劍麻纖維和自密實輕骨料混凝土之間的黏結性能就越大[6]，對混凝土在受壓時的橫向變形發展的約束作用逐漸增大，從而使混凝土的抗壓強度逐漸提高.纖維越細，單位體積的數量越多，比表面積就越大，與自密實輕骨料混凝土的接觸面積越大，黏結性能越強，從而使抗壓強度提高的程度較大.

2.2 劈裂抗拉強度

纖維長度和直徑與劈裂抗拉強度的關系如圖2所示.

從圖2可以看出，兩種不同直徑的劍麻纖維，隨著長度從5 mm增加到15 mm，自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度呈先升后降的趨勢，且纖維直徑越大，劈裂抗拉強度提高越明顯.

主要原因是：當劍麻纖維過短時，纖維與混凝土的黏結面積過小，很容易從混凝土基體中拉出，不能充分發揮纖維自身的抗拉性能.隨著長度增長到10 mm時，在混凝土內部均勻分布的劍麻纖維，在劈裂張拉的斷裂面形成相互搭接的狀態，從而提高了自密實輕骨料混凝土的摩擦阻力，進一步提高了劍麻纖維對混凝土的黏結性能，因此提高了自密實輕骨料混凝土的劈裂張拉強度[7-8].當劍麻纖維過長時，在混凝土攪拌的過程中很容易打團，不能均勻分散在混凝土砂漿中，使混凝土內部產生缺陷，從而使自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度逐漸降低.劍麻纖維直徑的不同對自密實輕骨料混凝土劈裂抗拉強度的影響也不同，在長度相同的情況下，纖維直徑越大，劍麻纖維單絲抗拉強度越高，在混凝土承受荷載產生裂縫時，能夠更好地發揮自身的抗拉性能，提供更大的抗拉能力，阻止裂縫的發展，從而能夠以比較小直徑的纖維更好地提高自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉能力.

2.3 工作性能

根據表5中的配合比，把不同長度、直徑的劍麻纖維添加到自密實輕骨料混凝土中，在直徑相同的情況下，長度增大，混凝土的坍落擴展度逐漸減小，T500大于2 s，并逐漸增大.在長度相同的情況下，纖維直徑越小，混凝土的坍落擴展度就越小，T500大于2 s，并逐漸增大.當直徑為186 μm和304 μm，長度為15 mm時，坍落擴展度最小，為610 mm和640 mm，T500最大，為10.9 s和10 s；但工作性能都滿足JGJT 283-2012《自密實混凝土應用技術規程》中填充性性能等級為SF1和VS1的技術要求，纖維的長度和直徑與坍落擴展度和T500的關系見圖3和圖4.

纖維直徑相同時，長度越長，與水泥砂漿之間的連接就越緊密，黏結能力就越強，混凝土流動性就越小，坍落擴展度逐漸減小，最大減小了22.8%，T500逐漸增大，最大增大了4.4 s.與不添加劍麻纖維的自密實輕骨料混凝土相比，纖維長度相同時，直徑越小，單位體積的數量就越多，與混凝土之間的連接面積就越大，相互之間的黏結力就越強，混凝土的流動性就越小，坍落擴展度減小，最大減小了22.8%，T500逐漸增大，最大增大了4.4 s.

2.4 表觀密度

由表5所示，在自密實輕骨料混凝土中添加兩種不同直徑的劍麻纖維，自密實輕骨料混凝土的表觀密度均比沒有添加劍麻纖維的空白試樣小.在直徑相同的情況下，長度越長，自密實輕骨料混凝土的表觀密度越小.這是由于隨著纖維長度的增加，混凝土的流動性越小，混凝土在自重的作用下不能充分的填充到模具的各個部分，密實性逐漸降低，表觀密度就越小.

在長度相同的情況下，直徑越小，自密實輕骨料混凝土的表觀密度降低，這是由于纖維直徑減小，單位體積內的數量就越多，混凝土的流動性就越低，劍麻纖維在混凝土內成網狀分布的密度越大，對骨料沉降的阻礙作用越強[9]，水泥砂漿填充到骨料間隙的能力越低，混凝土的密實性越低，表觀密度就越小.

3 結論

1）在自密實輕骨料混凝土中摻入劍麻纖維，與不摻纖維的自密實輕骨料混凝土相比，在纖維直徑相同的情況下，隨著劍麻纖維長度增加，自密實輕骨料混凝土的抗壓強度略有增加，最大增值為4.6%；抗拉強度均有較明顯的提高，并呈現先升后降的規律.在纖維長度相同的情況下，隨著纖維直徑的逐漸增大，自密實輕骨料混凝土的抗壓強度幾乎沒有影響；抗拉強度有很大提高，并呈現逐漸增大的趨勢.

2）在自密實輕骨料混凝土中添加劍麻纖維，與不摻纖維的自密實輕骨料混凝土相比，當劍麻纖維長度為10 mm，直徑為304 ？滋m時，自密實輕骨料混凝土的抗拉強度提高幅度最大，最大提高了44%.

3）在纖維直徑相同的情況下，與不摻纖維的自密實輕骨料混凝土相比，隨著長度的逐漸增加，混凝土的表觀密度逐漸減小，幅度在4.9%之內；坍落擴展度逐漸減小，幅度在22.8%之內，T500逐漸增大，最大提高4.4 s.

4）在纖維長度相同的情況下，隨著直徑的逐漸增大，與不添加劍麻纖維的自密實輕骨料混凝土相比，表觀密度均降低，并呈現先降后升的規律，降低和升高的幅度均很小.坍落擴展度均降低，并呈現先降后升的規律，最大降低了22.8%，T500均增大，并呈先升后降的趨勢，最大提高4.4 s.

5）數據表明，在本試驗條件下，摻加長度為10 mm，直徑為304 μm，摻量為2 kg/m3的劍麻，對提高自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度效果最佳，最大可達到44%；抗壓強度提高不明顯，坍落擴展度及T500均滿足國家標準要求.

參考文獻

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[9] 沈榮熹，王璋水， 崔玉忠. 纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M].北京：化學工業出版社， 2006.

Effect of sisal fiber with different length and diameter on mechanical properties of self-compacting lightweight aggregate concrete

DONG Jian-miao， WANG Ya-dong， DU Ya-cong， NIE Hao， YAN Yuan-jing

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract：In this paper， the effects of sisal fiber with different length and diameter on the working performance and mechanical properties of C40 self compacting lightweight aggregate concrete are studied. Based on the test of slump expansion， T500， compressive strength and splitting tensile strength of concrete， it is found that the compressive strength of self compacting lightweight aggregate concrete is very small， and the change of length and diameter of sisal fiber is within 4.6%. With the increase of the length of sisal fiber， the tensile strength is obviously improved with the law of first increase and then decrease； as sisal fiber diameter increases， the tensile strength has great growth， and gradually increases. With the increase of sisal fiber length or decrease of diameter， the apparent density and the slump extension decrease and the T500 increases， but both of them meet the national standard. When the sisal fiber length is 10 mm， the diameter is 304 μm， and the content is about 2 kg/m3， the splitting tensile strength of self compacting lightweight aggregate concrete has the best effect， which can reach the maximum， that is 44%.

Key words： self-compacting lightweight aggregate concrete； sisal fiber； diameter； length； mechanical properties

（學科編輯：黎 婭）