改性竹原纖維對水工混凝土力學與耐久性的影響

劉天君

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 材料與方法

1.1 竹原纖維改性

水泥在水化過程中產生大量的氫氧化鈣會對竹原纖維產生顯著的腐蝕作用，從而使竹原纖維對混凝土的增強作用顯著減弱[1]。另一方面，竹原纖維表面含有大量與水泥水化物官能團屬性明顯不同的極性羧基和酚羧基官能團，從而影響其和水泥基結構的結合度[2]。基于此，研究中利用水玻璃(硅酸鈉溶液)對其進行改性。

試驗用水玻璃由福建南平嘉聯化工廠生產，其模數為3.4，濃度為38.40%。經測試，其中含有27.09%的二氧化硅和8.13%的氧化鈉，屬于中性水玻璃。水玻璃的改性試驗在鄭州泰遠儀器設備有限公司生產的水熱反應釜中進行。在改性之前，首先利用生石灰制作出飽和澄清石灰水，將竹原纖維放入烘干箱，在103 ℃的條件下烘干6 h備用。將水玻璃和石灰水按照1∶1的比例均勻混合，然后，將烘干后的竹原纖維放入混合液中浸泡3 min，將浸泡完畢的竹原纖維放在水熱反應釜中，再放入烘干箱在120 ℃的條件下蒸煮4 h。將蒸煮完成的竹原纖維過濾掉多余水分。

1.2 試驗用其他材料

試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥，其強度等級為P·O42.5；試驗用粗骨料為級配良好的人工石灰巖碎石，其粒徑范圍為5～20 mm；試驗用細骨料為細度模數為2.56的天然河沙；試驗中減水劑為聚羧酸減水劑；試驗用水為普通自來水；作為試驗對照，研究中選擇的人工纖維為聚丙烯纖維。

1.3 試驗方案

為了研究改性竹原纖維對水工混凝土性能的增強作用，試驗中結合竹原纖維在混凝土領域的應用研究成果，確定0%、1%、2%、3%和4%等5種不同的改性竹原纖維和未改性竹原纖維摻加比例[3]。為了橫向對比其與人工纖維的工程效果，研究中選擇摻量1.5%聚丙烯纖維混凝土作為對照。試驗中的混凝土配合比按照水工建設領域常用的C30混凝土等級進行設計。

1.4 試驗方法

為了保證竹原纖維在混凝土中均勻分散，試驗中采用預干拌、再加水的混凝土配制方案，也就是先將水泥和骨料倒入攪拌機干拌1 min，然后，加入竹原纖維繼續攪拌3 min，在竹原纖維和干料均勻混合之后，再加入水和減水劑繼續攪拌3 min。將制作好的混凝土分兩次倒入試模并振搗密實。然后，在室溫條件下靜置24 h拆模編號，之后在標準條件下養護至試驗規定齡期。測試不同試驗方案的混凝土試件抗壓強度、抗折強度以及100次凍融循環之后的抗壓強度，并做好試驗數據記錄。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

根據試驗數據計算獲取不同試驗方案條件下混凝土試件28 d齡期的抗壓強度，結果如表1所示。為了分析竹原纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響規律，根據試驗數據繪制出抗壓強度隨竹原纖維摻量的變化曲線，結果如圖1所示。由試驗結果可以看出，隨著未改性或改性竹原纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度值呈現出先增大后減小的變化特點。由此可見，在混凝土中摻入一定量的竹原纖維，能夠在一定程度上提升混凝土的抗壓強度，其作用機理和規律與其他常用纖維類似，這里不再贅述。在纖維摻量相同的條件下，改性竹原纖維試件的抗壓強度值明顯偏大，說明對竹原纖維進行改性處理，可以有效提升其工程效果，在提高混凝土抗壓強度方面發揮更大的作用。從具體的試驗數據來看，當竹原纖維摻量為2%時，混凝土的抗壓強度值最大，摻加未改性竹原纖維和改性竹原纖維混凝土試件的抗壓強度值分別為43.57 MPa和45.12 MPa，改性竹原纖維的試驗結果與未改性竹原纖維相比提升了約3.56%。從橫向對比來看，改性竹原纖維混凝土的抗壓強度最大值為45.12 MPa，與摻加聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度值45.87 MPa相比，存在微弱優勢，差距并不明顯。

圖1抗壓強度隨竹原纖維摻量變化曲線

表1 抗壓強度試驗結果

2.2 抗折強度

根據試驗數據計算獲取不同試驗方案條件下混凝土試件28 d齡期的抗折強度，結果如表2所示，抗折強度隨竹原纖維摻量的變化曲線如圖2所示。由試驗結果可以看出，抗折強度的變化規律與抗壓強度類似。首先，隨著竹原纖維摻量的增加，混凝土的抗折強度呈現出先增大后減小的變化特點，當竹原纖維摻量為2%時，混凝土的抗折強度最大。其中，未改性竹原纖維和改性竹原纖維摻加方案的抗折強度最大值分別為6.97 MPa和7.25 MPa。其次，未改性竹原纖維和改性竹原纖維方案的試驗結果對比顯示，改性竹原纖維對提升水工混凝土抗折強度的優勢更為明顯，說明竹原纖維改性具有良好的工程價值。最后，改性竹原纖維混凝土抗壓強度的最大值為7.25 MPa，與聚丙烯纖維混凝土7.23 MPa的抗壓強度值相比存在微弱優勢。

圖2 抗折強度隨竹原纖維摻量變化曲線

表2 抗折強度試驗結果

2.3 抗凍性

對不同方案抗凍性試驗數據進行整理和計算，獲得試件的質量損失率、抗壓強度損失率和相對動彈模量，結果分別如表3、表4和表5所示。由試驗結果可以看出，隨著竹原纖維摻量的增加，混凝土的質量損失率和抗壓強度損失率均呈現出先減小后增加的變化特點，相對動彈模量則呈現出先增加后減小的變化特點，當竹原纖維摻量為2%時的抗凍性能最佳。此時，未改性竹原纖維方案的質量損失率為4.52%，抗壓強度損失率為11.29%，相對動彈模量為87.14%；改性竹原纖維方案的質量損失率為3.72%，抗壓強度損失率為9.56%，相對動彈模量為88.24%；改性竹原纖維與未改性竹原纖維相比存在比較顯著的優勢。此外，與對比方案相比，摻入改性竹原纖維與摻入聚丙烯纖維相比，在質量損失率、抗壓強度損失率和相對動彈模量方面相差不大。

表3 質量損失率試驗結果

表4 抗壓強度損失率試驗結果

表5相對動彈模量試驗結果

3 結 論

(1)隨著竹原纖維摻量的增加，混凝土的性能呈現出先增強后減弱的變化趨勢；纖維摻量為2%時的性能最優，為最佳摻量。

(2)在摻量相同的情況下，改性竹原纖維混凝土的性能要顯著由于未改性竹原纖維混凝土，顯示出竹原纖維改性的價值和意義。

(3)摻入改性竹原纖維可以獲得與摻入聚丙烯纖維基相似的混凝土性能提升效果。改性竹原纖維是具有良好生態屬性的可再生資源，具有良好的工程應用前景。