三種纖維素摻料對混凝土物理和力學性能的影響

文壯強,丁楊

三種纖維素摻料對混凝土物理和力學性能的影響

文壯強1,丁楊2

1. 杭州科技職業(yè)技術學院, 浙江 杭州 311402 2. 浙江大學, 浙江 杭州 310058

為研發(fā)高性能環(huán)保混凝土，本文通過在混凝土中分別摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，通過測試混凝土的坍落度、導熱系數和抗壓強度來得到最佳纖維摻量。通過試驗得出：（1）在0%～1%的摻量中，隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的坍落度越小。但當纖維含量超過1%時，纖維仍會使得混凝土坍落度下降但坍落度下降率在減小；（2）隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的導熱系數減小，即混凝土的保溫隔熱性能越好；（3）在0%～1%的摻量中，隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的抗壓強度增大。但當纖維含量超過1%時，混凝土的抗壓強度卻減小。（4）在三種測試試驗中，碳纖維對混凝土性能的提升要好于聚丙烯纖維和聚乙烯纖維。綜合上述，建議在混凝土中摻入1%的碳纖維。

纖維; 混凝土; 力學性能

由于混凝土具備良好的力學性能，目前已經成為二十一世紀應用最為廣泛的材料之一[1-3]。但隨著節(jié)能要求的提出，混凝土在具備一定的力學性能的同時，也需要具備一定的節(jié)能性能[4-6]。因此，許多研究學者通過在混凝土中摻入活性物質或廢棄材料，來制備高性能節(jié)能混凝土。孟祥春等闡述了透水混凝土性能、配合比及其制備方法,并將透水混凝土應用于具體工程[7]。吳元梅等研究橡膠粉集料含量等因素對生態(tài)混凝土抗壓強度等性等指標的影響[8]。劉富玲研究鋼纖維種類、鋼纖維體積率、鋼纖維長徑比及聚丙烯體積率對混雜纖維混凝土強度和韌性的影響[9]。黃亞梅等提出了綠化混凝土配合比設計方法，明確了配合比參數的取值[10]。姚曦講述高性能綠色混凝土配制參數的合理選擇和配制過程中的主要技術應用[11]。劉殿忠等分析了硫鋁酸鹽秸稈混凝土這種新型綠色環(huán)保混凝土材料的力學性能及其材料特點[12]。張一鑫等實現玉米苞葉的變廢為寶，制備出了高性能綠色混凝土并得出玉米苞葉纖維摻量為1%時纖維混凝土的性能表現最優(yōu)[13]。王勇?lián)饺牖炷恋V物摻和料，使用建筑垃圾再生骨料，制備綠色高性能混凝土[14]。尹健等提出了一種新的綠色生態(tài)混凝土配比設計的方法，設計了綠色生態(tài)混凝土試驗配合比[15]。

本文參考上述研究學者的試驗方法，通過在混凝土中分別摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維。通過文獻[16-19]得出，這三類纖維材料具有很強的活性性能，能夠有效的提高混凝土的力學性能，但節(jié)能性能的提升還有待分析。因此本文進一步分析這三類纖維混凝土的坍落度、導熱系數和抗壓強度的變化，最終得出最佳摻量纖維和最佳摻量比例，該實驗結果可為今后高性能節(jié)能混凝土的研發(fā)提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥是混凝土的重要組成成分，本文所選用的水泥是從唐山英城水泥有限公司購買的PO52.5R硅酸鹽水泥，其性能指標如表1所示。

表1 水泥基本性能

水泥化學組成成分如表2所示。

表2 水泥成分/%

砂、石均由南京花仙子裝飾材料有限公司提供，其中石粒徑在10～30 mm之間，其堆積密度約為1730 kg/m3，表觀密度約為2731 kg/m3，壓碎指標為6%；砂粒徑在0～10 mm之間，其堆積密度約為1890 kg/m3，表觀密度約為3026 kg/m3。水為飲用水。減水劑由大慶德昌偉業(yè)化工有限公司生產。根據上述基本材料，對混凝土進行配制，其配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比

1.2 方法

為了配制綠色節(jié)能的高性能混凝土，在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，三種纖維材料均由廈門馭策新材料科技有限公司提供。通過攪拌機將水泥、纖維、水和砂石等進行混合攪拌，隨后放入振動臺上進行振動。待養(yǎng)護后，將混凝土分別進行坍落度、導熱系數和抗壓強度測試。其中坍落度由鼎鵬河北試驗儀器有限公司生產的坍落度測試儀進行測試、導熱系數通過上海開絡信息科技有限公司生產的導熱系數測試儀進行測試、抗壓強度由上海研潤光機科技有限公司生產的萬能實驗機進行測試。

2 結果與分析

2.1 坍落度的變化

在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，測試混凝土的坍落度的演變關系，如圖1所示。從圖中可以看出，在一定含量下（0%～1%），隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的坍落度越小，并且隨著摻量的急劇增加，坍落度下降率逐漸增大。如當不摻入聚丙烯纖維時，混凝土的坍落度為84 mm；當摻入0.5%的聚丙烯纖維時，混凝土的坍落度為81 mm；當摻入1%的聚丙烯纖維時，混凝土的坍落度為77 mm。但當纖維摻量超過1%時，混凝土的坍落度雖然還是減小，但坍落度下降率在減小。在相同的含量下，碳纖維對混凝土坍落度的影響最大。

圖1 纖維混凝土的坍落度演變關系

對坍落度的變化規(guī)律進一步的進行討論，可以得出是由于聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維能夠填充混凝土的內部空隙，提高混凝土的密實度，從而減小混凝土的坍落度，如表4所示。碳纖維的直徑比及比表面積相對于聚丙烯纖維和聚乙烯纖維要小，因此越多的碳纖維越能夠填充混凝土中的空隙，因此碳纖維對混凝土的性能提高較快。但當過量的纖維摻入混凝土中時，混凝土的工作性能不會得到明顯的改善。主要是因為此時混凝土的空隙已填滿后，纖維對混凝土的坍落度不會產生明顯的改變。纖維含量越多，其他組成成分如水泥的含量就減小，混凝土的坍落度自然也會減小。對于混凝土的工作性能，通過本實驗認為各纖維含量不超過1%為最佳。

表4 坍落度變化規(guī)律

2.2 導熱系數的變化

在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，測試混凝土的導熱系數的演變關系，如圖2所示。從圖中可以看出，隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的導熱系數減小，即混凝土的保溫隔熱性能越好，并且隨著摻量的增加，導熱系數變化率逐漸增大。如當不摻入聚丙烯纖維時，混凝土的導熱系數為1.37 W/mK；當摻入0.5%的聚丙烯纖維時，混凝土的導熱系數為1.31 W/mK；當摻入1%的聚丙烯纖維時，混凝土的導熱系數為1.27 W/mK；當摻入2%的聚丙烯纖維時，混凝土的導熱系數為1.22 W/mK。在相同的含量下，碳纖維對混凝土導熱系數的影響最大。

圖2 纖維混凝土的導熱系數演變關系

對導熱系數的變化規(guī)律進一步的進行討論，可以得出是由于空氣的導熱系數比混凝土要低得多，但混凝土表面多為開放式空隙，因此混凝土的導熱系數值較大。但當摻入纖維時，纖維能夠填補混凝土表面及內部的空隙，使得混凝土內部形成封閉式氣孔，提高混凝土的導熱性。并且隨著纖維含量的增加，混凝土的保溫性能越好，如表5所示。主要是因為纖維的導熱性能比混凝土也要好的多，即使纖維的摻入過量了，也會使得混凝土的導熱系數逐漸下降。由于碳纖維的導熱系數通常比聚丙烯纖維和聚乙烯纖維要低，因此碳纖維對混凝土的導熱系數影響最大。對于混凝土的保溫性能，通過本實驗得出纖維的含量越多越好。

表5 導熱系數變化規(guī)律

2.3 抗壓強度的變化

在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，測試混凝土的抗壓強度的演變關系，如圖3所示。從圖中可以看出，在一定含量下（0%～1%），隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的抗壓強度增大，并且隨著摻量的急劇增加，抗壓強度增長率逐漸增大。如當不摻入聚丙烯纖維時，混凝土的抗壓強度為53.4 MPa；當摻入0.5%的聚丙烯纖維時，混凝土的抗壓強度為58.1 MPa；當摻入1%的聚丙烯纖維時，混凝土的抗壓強度為62.3 MPa。但當纖維摻量超過1%時，混凝土的抗壓強度卻在減小。在相同的含量下，碳纖維對混凝土抗壓強度的影響最大。

圖3 纖維混凝土的抗壓強度演變關系

對抗壓強度的變化規(guī)律進一步的進行討論，可以得出是由于聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維均屬于活性礦物摻合料，這些纖維的摻入能夠促進混凝土中水泥的水化，即發(fā)生火山灰反應，從而提高混凝土的抗壓強度。但是過高的纖維含量則會降低混凝土的抗壓強度，這主要是因為纖維本身不具備抗壓強度。過高的纖維含量則相應的使得混凝土其他成分的含量下降，如水泥等，從而使得混凝土的抗壓強度下降，如表6所示。對于三種纖維來說，碳纖維由于其比表面積較小，能夠更好的填充混凝土的內部空隙，從而提高混凝土的抗壓強度性能比聚丙烯纖維和聚乙烯纖維要好。對于混凝土的抗壓強度，通過本實驗得出纖維的含量需要控制在1%以內。

表6 抗壓強度變化規(guī)律

3 結論

本文通過摻入不同含量（0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%）的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維來配制高性能節(jié)能混凝土，經過坍落度、導熱系數和力學性能測試得出：碳纖維對道路混凝土的性能提升要好于聚丙烯纖維和聚乙烯纖維，因此建議在相同纖維摻量的情況下，碳纖維的性價比最好，具體其性能為：

（1）當不摻入碳纖維時，混凝土的坍落度為84 mm；當摻入0.5%的碳纖維時，混凝土的坍落度為75 mm；當摻入1%的碳纖維時，混凝土的坍落度為69 mm。但當纖維摻量超過1%時，混凝土的坍落度雖然還是減小，但坍落度下降率在減小；

（2）當不摻入碳纖維時，混凝土的導熱系數為1.37 W/mK；當摻入0.5%的碳纖維時，混凝土的導熱系數為1.27 W/mK；當摻入1%的碳纖維時，混凝土的導熱系數為1.21 W/mK；當摻入2%的碳纖維時，混凝土的導熱系數為1.15 W/mK；

（3）當不摻入碳纖維時，混凝土的抗壓強度為53.4 MPa；當摻入0.5%的碳纖維時，混凝土的抗壓強度為61.8 MPa；當摻入1%的碳纖維時，混凝土的抗壓強度為66.3 MPa。但當纖維摻量超過1%時，混凝土的抗壓強度卻在減小。

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Effects of Three Cellulose Admixtures on Physical and Mechanical Properties of Concrete

WEN Zhuang-qiang1, DING Yang2

1.311402,2.310058,

In order to develop high-performance environmental protection road concrete, polypropylene fiber, polyethylene fiber and carbon fiber with the contents of 0%, 0.2%, 0.5%, 1.0% and 2% were added into the concrete, and the optimum fiber content was obtained by testing the slump, thermal conductivity and compressive strength of the concrete. The results show that: (1) In the content of 0% - 1%, the slump of concrete is smaller with the increase of fiber content. However, when the fiber content exceeds 1%, the fiber will still reduce the slump of concrete, but the slump decline rate is decreasing; (2) With the increase of fiber content, the thermal conductivity of concrete decreases, that is, the better the thermal insulation performance of concrete; (3) In the content of 0% - 1%, the compressive strength of concrete increases with the increase of fiber content. However, when the fiber content exceeds 1%, the compressive strength of concrete decreases. (4) In the three tests, the improvement of concrete performance by carbon fiber is better than that by polypropylene fiber and polyethylene fiber. Based on the above, it is recommended to add 1% carbon fiber into the concrete.

Fiber; concrete; slump; thermal conductivity; mechanical property

TU528

A

1000-2324(2021)05-0794-05

2021-07-08

2021-10-13

國家自然科學基金(52163034)

文壯強(1976-),男,學士,高級工程師,主要研究方向:市政工程技術. E-mail:546254105@qq.com