劍麻纖維混凝土力學性能試驗研究

俞亞楠，盧小雨,2*

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001)

隨著混凝土材料的廣泛應用，其對環境的影響越來越受到人們的重視，如何研制高性能、環保的綠色混凝土，是現在研究的一個主要課題。而天然植物纖維正好可以滿足這一需求[1-3]，其來源豐富，物美價廉，可以循環利用。

因劍麻纖維具有拉伸效果好、抗酸堿腐蝕以及滿足循環經濟等要求[4]，在分析劍麻纖維混凝土(Sisal Fiber Concrete，SFC)的力學性能中具有可操作性；董健苗等[5]將一定摻量的劍麻纖維和聚丙烯纖維加入到C40自密實輕骨料混凝土中，由抗凍融循環試驗及抗壓強度線性回歸模型,探索纖維質量損失的變化規律；王雪等[6]發現一定摻量劍麻纖維可增強混凝土的抗壓強度，其中摻量為2 kg/m3時其抗壓強度達到最佳；包惠明等[7]發現劍麻纖維在最佳摻量范圍內，混凝土工作性、劈裂抗拉強度、抗折強度、抗干縮和抗沖擊等性能處于最優水準；劉存鵬[8]對不同齡期劍麻纖維增強珊瑚混凝土試件的強度進行回歸分析,由相對抗壓強度和齡期的關聯得出其抗壓強度的變化趨勢；趙洪等[9]發現隨著劍麻纖維摻量的遞增，活性粉末混凝土的跨中位移、開口位移、斷裂能和延性指數均顯著提高。

相比以上研究，本文以劍麻纖維體積摻量為變量，進行抗壓、劈裂抗拉以及抗折試驗，來確定劍麻纖維的最佳摻量范圍。在此基礎之上進行SFC抗沖擊試驗，探究劍麻纖維摻量與混凝土抗沖擊性能之間的關系，為SFC的大規模應用提供理論支撐和參考準則。

1 試驗準備

1.1 原材料

因考慮到水泥用量及其成本，本試驗選用淮南市八公山牌普通硅酸鹽水泥，水泥等級為P.O42.5；粗骨料為 5～20 mm連續級配碎石，按C30混凝土等級進行配比；細骨料為淮河中砂；選用廣西龍州強力麻業有限公司生產的劍麻成品，用剪刀剪成10～15 mm的短劍麻后，用濃度為1%的NaOH溶液浸泡30 min，清洗干凈，自然晾干，劍麻纖維特性參數如表1所示。劍麻纖維外觀如圖1所示。

圖1 劍麻纖維外觀

表1 劍麻纖維的性能指標

1.2 試驗方案

為更好分析SFC的力學特性，本次試驗在參考國內外相關文獻的研究結果下，將劍麻纖維分別以不同摻量加入C30普通混凝土中進行相關試驗。試驗主要分成兩部分：①將劍麻纖維以0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%的體積摻量加入到混凝土中，進行抗壓性能、劈裂抗拉性能以及抗折性能相關試驗，共計5組，一共45個試塊；②制作同等摻量的抗沖擊試塊，進行落錘沖擊試驗，共計5組，有30個試塊。

1.3 試驗配合比及試驗方法

基于一系列室內配比試驗，設計配合比如表2所示，其中SFC代表劍麻纖維混凝土。

表2 劍麻纖維混凝土配合比(單位：kg/m3)

根據混凝土類型和其力學試驗要求，選擇抗拉壓試件大小為100 mm×100 mm×100 mm，抗折試件為100 mm×100 mm×400 mm，落錘沖擊試件模具直徑為152 mm、厚度為63.5 mm，并帶有底膜；混凝土試塊制作過程為：按比例配置材料→攪拌機攪拌均勻→將均勻的混合料倒入模具中→振動去泡→養護24 h拆模→標準養護28 d；養護后開展性能試驗測試。

2 試驗結果及分析

2.1 靜態力學強度試驗結果

各組SFC抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度結果如表3所示。素混凝土(PC)抗壓破壞形態以及SFC抗壓破壞形態分別如圖2、3所示。

表3 各組SFC參數

圖2 PC抗壓破壞形態 圖3 SFC抗壓破壞形態

(1)SFC抗壓強度試驗結果分析。結合圖2、3可知，PC在加載過程中，其表面開始會出現剝皮，并出現一些豎向裂縫，隨后這些裂縫將逐漸擴展，并在外加荷載達到最大時，試件會毫無征兆地崩裂；而摻入劍麻纖維后受壓破壞形態明顯改善，試件達到極限抗壓強度后出現細小裂縫但沒有貫穿，更不會發生突然地破壞，仍具有一定的抗壓能力。

SFC抗壓強度折線圖如圖4所示。由表3和圖4可知，SFC抗壓強度與其摻量整體上保持先增后減的趨勢，同時與PC相比，當劍麻纖維摻量為0.45%時，其抗壓強度為最大值，增幅達到2.53%，而后隨摻量提高，其抗壓強度出現小幅降低。

圖4 SFC抗壓強度折線圖 圖5 SFC抗壓強度應力-應變曲線圖

SFC抗壓強度應力-應變曲線圖如圖5所示。由圖5可知，當SFC受外荷載作用時，剛開始一小段應力應變曲線接近于直線，此時應為彈性階段；而后曲線由直線變為上凸的曲線，呈現出了非線性特征，此時試件內部的裂紋開始擴展，纖維開始發揮作用，有效抑制了裂紋的擴展；隨著荷載不斷增加，當應力臨近峰值時，此時混凝土內部的纖維作用效果更加突出，延緩了基體間裂紋的擴展，有效提高了峰值點的應變；而超過峰值應力時，依舊殘存部分應力，這是因為經過峰值應力后，纖維的銜接作用使之對混凝土的約束增強，提高了混凝土的延性。

由以上試驗結果可知，通過加入一定摻量的纖維，可以抑制混凝土壓縮時產生的橫向變形，延緩混凝土破壞過程，在一定程度上提高混凝土的壓縮性；而當纖維含量超過最佳摻量時，其界面薄弱部分明顯增多，則混凝土受到荷載作用后，因纖維與混凝土中的粘接力減弱，從而削弱了其對混凝土基材的強化效果。

(2)SFC劈裂抗拉強度試驗結果分析。PC劈裂抗拉破壞形態如圖6所示，SFC劈裂抗拉破壞形態如圖7所示。結合圖6、7可知，當達到極限承載力時，素混凝土試件會立刻劈成兩半，并生成一條深裂縫段；而摻有劍麻纖維的混凝土試件中，表面會形成一條彎曲的主裂縫，裂縫寬度較細，周圍會有一些很小的裂縫，并且破壞后試件仍較為完整。

圖6 PC劈裂抗拉破壞形態 圖7 SFC劈裂抗拉破壞形態

SFC劈裂抗拉強度折線圖如圖8所示。由表3和圖8可知，當劍麻纖維摻量不斷增加，混凝土劈裂抗拉強度也表現出先升高后下降的變化規律，同時當其摻量為0.45%時，混凝土劈裂抗拉強度增幅最大,達到19.08%，而當劍麻纖維摻量超過0.45%時，混凝土劈裂抗拉強度出現下降趨勢。

圖8 SFC劈裂抗拉強度折線圖

由試驗結果可以看出，在纖維到達最佳摻量前，纖維摻量與混凝土劈裂抗拉強度整體上滿足正相關規律，這是因為混凝土中分布的纖維可承擔一部分拉荷載，可延緩裂縫擴展速度，同時裂縫間隙也存在一部分殘余應力；而隨著荷載不斷增加，逐漸擴展的裂縫使間隙處的殘余應力逐漸減少，但由于纖維具有變形的特性，其在折斷或被拔出之前，可以繼續承受橫截面的荷載作用，可增強混凝土的抗拉強度；而當纖維摻量超過最佳摻量時，很難讓纖維在混凝土中均勻分布，纖維和混凝土基體的微裂縫數量增加，容易產生應力集中等現象，減弱了纖維的強化效果；但由于纖維增強混凝土的拉伸作用仍大于其弱化作用，其劈裂抗拉強度仍高于素混凝土。

(3)SFC抗折強度試驗結果分析。PC抗折破壞形態如圖9所示，SFC抗折破壞形態如圖10所示。結合圖9、10可知，當受到外荷載作用下，素混凝土試件的抗折強度較低，破壞過程較短，試件迅速裂成兩半，同時在加載區域邊緣底部位置出現一系列縱向小裂紋，然后迅速發展為寬裂紋，破壞特征比較明顯；而摻入劍麻纖維的混凝土試件，在加載過程中，邊緣底部會生成一條很細的縱向裂縫，然后裂縫沿傾斜方向隨機發展，最后上下開裂，直至試件破壞；但與PC相比，其裂縫明顯較細，無斷裂，并且在加載過程中未聽到試件開裂的響聲，可見纖維對混凝土抗折強度起到了明顯的增韌作用。

圖9 PC抗折破壞形態 圖10 SFC抗折破壞形態

SFC抗折強度折線圖如圖11所示。由表3和圖11可知，SFC抗折強度整體上與其摻量呈現出先增后減的趨勢，同時當劍麻纖維摻量為0.45%時，與PC相比，其抗折強度提升幅度最優，為14.67%。

圖11 SFC抗折強度折線圖 圖12 SFC抗折強度荷載-位移曲線圖

SFC抗折強度荷載-位移曲線圖如圖12所示。由圖12可知，SFC荷載-位移曲線整體上滿足先上升后下降的變化規律，剛開始荷載增速很快，但隨著位移不斷增加，增速逐漸減緩，當荷載達到峰值荷載時，曲線斜率接近于零，接著荷載隨位移增加反而逐漸減少，但仍有部分荷載；在其摻量達到最佳時，峰值荷載同時達到最大，為12.26 kN。

與混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度類似，在進行混凝土抗折強度試驗中，由于混凝土基體內部本身存在著微裂縫，一方面，加入纖維可減少微裂縫的數量，縮減裂縫寬度，并降低端部應力集中的現象；另一方面，試驗中纖維阻止了微裂縫的擴展，當混凝土斷裂時，截面兩側的纖維起到拉伸作用，可有效縮減斷面之間的距離，避免進一步破壞混凝土試件。

2.2 SFC抗沖擊試驗結果

材料的抗沖擊性能為其受到一次或多次迅速沖擊荷載下，抵抗損傷破壞的能力；本試驗選用簡易落錘裝置，讓質量為4.54 kg的鐵錘從高度為457 mm處，經中軸線處自由下落，向下不停地沖擊，混凝土表面生成第1條清晰可見的裂紋時，定為初裂抗沖擊性能，PC和SFC的初裂形態如圖13、14所示。另外,考慮到耐沖擊次數和抗沖擊能量相差幅度不大，則可用抗沖擊能量差來表征纖維摻量與混凝土抗沖擊性能的關系，更易直觀得出劍麻纖維可提升混凝土的抗沖擊性能，相關試驗結果如表4所示。由表4可知,混凝土抗沖擊能量差與劍麻纖維摻量呈現正相關的變化規律，同時當纖維摻量從0.15%增加到 0.6%時，其抗沖擊能量差是素混凝土的2.2～8.5倍；其主要原因是劍麻纖維摻入混凝土中，分擔了一部分混凝土自身承受的外加荷載，同時吸收了沖擊過程中產生的能量，相應改善了混凝土本身受到的損傷破壞，進一步提升了混凝土的抗沖擊性能。

圖13 PC初裂形態 圖14 SFC初裂形態

3 結論

向混凝土中摻入一定含量的劍麻纖維可大幅度提升其劈裂抗拉強度和抗折強度，同時當劍麻纖維含量為0.45%時，提高效果達到最佳,相應增加了19.08%和 14.67%；在落錘沖擊性能試驗中，與PC相比，摻入劍麻纖維有利于提升混凝土的抗沖擊性能，同時當劍麻纖維處于最佳含量范圍內時，其抗沖擊能量差最大可達到素混凝土的8.5倍；當適量劍麻纖維摻入混凝土中，可削弱基體內部微裂紋的生成，緩解裂縫尖端的應力集中現象，同時承受橫截面的外荷載作用，起到一定增強增韌作用，明顯提升混凝土的劈裂抗拉性能、抗折性能及抗沖擊性能等。