黃麻纖維對混凝土塑化性能和物理力學性能的影響

孫海龍

(新疆阿勒泰地區青河縣水利總站,新疆 青河 836200)

1 概 述

混凝土在強度、耐久性和經濟性方面優于其他建筑材料,但由于其抗拉能力弱、抗裂性能差等缺點,嚴重限制了應用范圍。針對混凝土這一脆性特點,使用纖維增強混凝土通常被認為是一種合理方案。將纖維加入到混凝土中,可以有效增強混凝土的抗拉強度。其中,鋼纖維在混凝土中應用最為廣泛[1],但鋼纖維易腐蝕。為解決這一問題,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昂貴和耗能的。在這種情況下,天然纖維則被認為是生產纖維增強混凝土的潛在替代纖維。用天然纖維增強混凝土是利用天然纖維直徑小、不連續、離散的隨機分散在混凝土基體中的這一特點。天然纖維在環境、經濟、能源和資源節約方面具有優勢,此外,它還可以減少生產混凝土的骨料和水泥用量。

天然纖維根據來源,可以分為三大類:植物纖維、動物纖維和礦物纖維。在這些纖維中,植物纖維是首選[2]。因為植物纖維比動物纖維具有更高的強度和剛度,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構[3],可為混凝土提供增強劑的效果。

在不同種類的纖維中,黃麻是價格低廉、最耐用的天然纖維之一,在我國廣泛存在。黃麻作為一種天然纖維,具有高拉伸強度、中等耐火性能、生物降解性、可再生性、可循環利用性和生態友好性等優點[4],使其優于其他纖維。

早期的研究報道,在混凝土中加入未經處理的黃麻纖維,會對混凝土[5]的坍落度產生不利影響。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度、抗拉強度、抗折強度、韌性、延性和斷裂機制[6]。到目前為止,還沒有對處理過的黃麻纖維拌合的混凝土進行塑化性能和物理力學性能的研究。

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性能指標,混凝土混合料中加入黃麻纖維的概念是最近的趨勢。到目前為止,關于黃麻纖維對混凝土塑化性能和物理力學性能的研究較少。因此,研究黃麻纖維對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%以及纖維長度10和20mm的黃麻纖維,制備8組不同配比的混凝土,對新拌混凝土坍落度進行測量;制備混凝土柱和混凝土梁,測量7、28和90天混凝土柱的抗壓強度、28和90天混凝土柱的抗拉強度以及28天混凝土梁的抗折強度,對數據進行紀錄并進行分析,以確定黃麻纖維不同長度和不同體積摻量對混凝土塑化性能和物理力學性能的影響。

3 試驗方案

3.1 水 泥

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

3.2 骨 料

在本研究中,選用當地的石材和河砂用作粗骨料(CA)和細骨料(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。采用國標測定各集料組的物理特性,結果見表1。根據國標進行篩分分析,得到骨料的粒徑分布,結果見圖1。

圖1 粗骨料和細骨料的粒徑分布

表1 粗骨料和細骨料的物理性質

3.3 黃麻纖維

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

3.4 配合比設計

添加纖維體積摻量0.00%、0.25%、0.50%和1.00%以及纖維長度10和20mm的黃麻纖維,研究不同長度和不同體積摻量對混凝土塑化性能和物理力學性能的影響。對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、制作混凝土圓柱體和混凝土梁的混凝土拌合物成分見表2。

3.5 試驗測試

根據表2中的8組配合比,共制備0.10 m3混凝土進行坍落度試驗。按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2016 ),澆注15個混凝土圓柱(直徑10cm×高20cm),用于抗壓強度試驗和劈裂試驗;澆筑4根混凝土梁(長15cm×寬15cm×高55cm),用于抗折試驗。24h之后,試件脫模,常溫下浸水養護。對混凝土柱分別進行7、28和90天的抗壓強度測試以及28和90天的劈裂測試;對混凝土梁分別進行28天的抗折強度測試。

4 結果和討論

4.1 坍落度

混凝土坍落度試驗是衡量混凝土稠度以評估新拌混凝土和易性的試驗方法,是混凝土塑化性能的重要參數。為了探討黃麻纖維的摻入對混凝土塑化性能的影響,在各組混凝土拌和過程中測定混凝土混合料的坍落度,并將黃麻纖維的體積和長度對新拌混凝土坍落度的影響繪制成曲線,見圖2。

圖2 黃麻纖維的體積和長度對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性,導致坍落度減小。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,混凝土摻入較高長徑比(纖維長度20mm)的黃麻纖維和較低纖維含量(纖維體積為0%和0.25%)時,對坍落度的影響相對較小。此外,對于一定體積的黃麻纖維,較短的長度(纖維長度10mm)擁有更多的纖維,從而對混凝土的坍落度產生較大的影響。

4.2 抗壓強度

通過壓縮試驗,將黃麻纖維體積和長度對混凝土抗壓強度的影響繪制成曲線,見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出,混凝土的抗壓強度隨著養護齡期的增加而增大。黃麻纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響因纖維長度、體積和養護齡期的不同而不同。在第7天,摻入長度為10mm、纖維體積為0.25%和0.50%的黃麻纖維時,混凝土抗壓強度大于素混凝土抗壓強度;摻入長度為20mm、纖維體積為0.25%的黃麻纖維時,抗壓強度大于素混凝土抗壓強度。究其原因,纖維橋接作用使混凝土橫向變形停止,抗壓強度提高。此外,以較低體積添加纖維,可使混凝土拌合料之間牢固結合并形成完整的整體。但當纖維體積達到1%時,摻入長度為10和20mm的黃麻纖維混凝土,其7、28和90天的抗壓強度都會降低,并且摻入長度為20mm、0.5%體積參量的黃麻纖維時,混凝土抗壓強度也出現了下降。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使混凝土中的孔隙增加,導致抗壓強度下降。同時,纖維長度過大,會導致纖維在混凝土中分布不均勻,同樣也會導致抗壓強度降低。

圖3 纖維長度10mm時纖維含量對混凝土抗壓強度的影響

圖4 纖維長度20mm時纖維含量對混凝土抗壓強度的影響

4.3 抗拉強度

通過劈裂試驗,將黃麻纖維體積和長度對混凝土柱28和90天抗拉強度的影響繪制成曲線,見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出,黃麻纖維摻入對混凝土的抗拉強度沒有顯著影響。而黃麻纖維長度為10和20mm時,當纖維含量從0%增加至0.50%時,混凝土的抗拉強度均呈上升趨勢;超過該比例,則呈下降趨勢。纖維含量為0.50%、纖維切割長度為10和20mm時,抗拉強度分別比素混凝土提高15%和24%。在90天,當纖維切割長度為10mm時,混凝土的抗拉強度進一步增加。總體而言,在劈裂試驗中,0.50%的纖維體積摻量為最優體積摻量,20mm的切割長度比10mm的切割長度抗拉效果更好。摻入長度10mm的黃麻纖維對抗拉強度影響不顯著,可能是由于黃麻纖維長度較短,無法起到有效的橋梁作用,從而無法限制裂縫在混凝土上的擴展。

圖5 黃麻纖維的體積和長度對28天養護齡期混凝土抗拉強度的影響

圖6 黃麻纖維的體積和長度對90天養護齡期混凝土抗拉強度的影響

4.4 抗折強度

通過抗折試驗,將黃麻纖維的體積和長度對混凝土梁抗折強度的影響繪制成曲線,見圖7。由圖7可以看出,黃麻纖維摻合物對混凝土梁的抗折無明顯提高。當摻入長度10mm、纖維含量0.50%的黃麻纖維時,混凝土的抗折強度提高近6.0%;摻入長度為20mm、纖維含量為0.25%、0.50%和1.00%的黃麻纖維時,抗折強度均有所降低。結果還表明,當纖維含量為1.0%時,無論摻入纖維長度為10或20mm的黃麻纖維,對混凝土的抗折強度均有不利影響。

圖7 黃麻纖維的體積和長度對混凝土抗折強度的影響

5 結 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。與長度為20mm的黃麻纖維相比,長度為10mm的黃麻纖維制備的混凝土對坍落度的影響更大。

2)抗壓強度的發展隨養護齡期的增加而增強。無論黃麻纖維長度如何,添加少量0.25%的黃麻纖維均能增強混凝土的抗壓強度。在黃麻纖維摻量為1.00%時,混凝土的抗壓強度明顯降低。而0.50%黃麻纖維對混凝土抗壓強度的影響因黃麻纖維長度的不同而不同;長度為10mm的纖維對抗壓強度有積極影響,而長度為20 mm的纖維對抗壓強度有負面影響。

3)總體而言,黃麻纖維的添加對混凝土28和90天的抗拉強度影響不顯著。當黃麻纖維含量較低(0.25%和0.50%)時,混凝土的抗拉強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)無論纖維含量如何,長徑比為200(纖維長度20 mm)的黃麻纖維對混凝土抗折強度均有不利影響。當使用長徑比為100(纖維長度10 mm)的黃麻纖維時,黃麻纖維對抗折強度的影響主要取決于黃麻纖維的體積。當黃麻纖維用量為0.5%和0.25%時,抗折強度增加的幅度最大;而當黃麻纖維用量為1.00%時,抗彎強度下降。