摘要: 為了了解劍麻纖維摻入混凝土后, 其物理和力學(xué)性能的變化規(guī)律, 通過對不同摻量劍麻纖維水泥混凝土復(fù)合材料的工作性、力學(xué)性能、耐久性等進行試驗, 發(fā)現(xiàn)不同摻量劍麻纖維對劍麻纖維增強水泥基復(fù)合材料的坍落度、含氣量、抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、耐久性等性能的變化情況, 從而確定出最佳劍麻纖維的摻量范圍, 為進一步研究劍麻纖維增強水泥基復(fù)合材料其它性能及應(yīng)用提供參考. 通過試驗得出在水泥混凝土中摻入劍麻纖維后能提高其抗劈裂抗拉強度和抗折強度.
關(guān)鍵詞: 劍麻纖維水泥混凝土復(fù)合材料; 物理性能; 力學(xué)性能; 干縮性能; 試驗研究
中圖分類號: TU 528. 041 文獻標識碼:A
20 世紀60 年代中期, 人們在水泥混凝土中摻入鋼纖維形成鋼纖維水泥混凝土復(fù)合材料[ 1 ] (也稱為鋼纖維水泥混凝土). 隨著鋼纖維水泥混凝土復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用, 在研究鋼纖維水泥混凝土復(fù)合材料增強機理時, 人們發(fā)現(xiàn)纖維與混凝土之間的密切關(guān)系, 引發(fā)了各種不同類型的纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料的發(fā)展. 特別是近些年來人工合成纖維的問世, 纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料呈現(xiàn)出品種多樣、各具特色、用途廣泛的特點.但是, 各種人工合成纖維的生產(chǎn)需要耗費大量的石化能源, 隨著國際原油價格的上漲, 人工合成纖維的成本大幅度上揚. 為了降低纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料的生產(chǎn)成本, 人們開始研究利用各種天然植物纖維替代人工合成纖維. 植物纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料的研究和應(yīng)用愈來愈受到世界各國的重視[ 2 ] , 植物纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料不僅成本較低, 而且有利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展[ 3 ].
劍麻纖維是各種植物纖維中的一種, 與其它植物纖維相比, 劍麻纖維具有質(zhì)地堅硬、富有彈性、拉伸強度高、耐摩擦、耐低溫等特點之外, 還具有纖維長、色澤潔白、耐海水腐蝕等諸多特性. 本試驗研究主要對摻入不同摻量的劍麻纖維后水泥混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性等方面進行研究, 從而尋找和發(fā)現(xiàn)劍麻纖維摻量與混凝土各種性能變化的關(guān)系, 為劍麻纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料(簡稱劍麻纖維混凝土) 的應(yīng)用提供依據(jù)和參考.
1 試驗原材料
( 1) 水泥. 試驗采用廣西華潤紅水河水泥公司生產(chǎn)的紅水河牌P. O 42. 5R 級普通硅酸鹽水泥, 其化學(xué)成分如表1, 各項性能指標滿足規(guī)范要求.
(2) 砂. 中粗河砂, 連續(xù)級配, 細度模數(shù)2. 80,表觀密度為2 587 kg/m 3, 各項性能滿足規(guī)范要求.
(3) 石子. 5～ 25 mm 碎石, 連續(xù)級配, 各項性能滿足規(guī)范要求.
(4) 外加劑. 某公司生產(chǎn)的UN F-5H 為主高效減水劑, 減水效率大于13% [ 4 ].
( 5) 劍麻纖維. 試驗采用廣西劍麻集團生產(chǎn)的劍麻纖維, 其性能如表2. 由于劍麻纖維是天然纖維, 其直徑大小不同, 大約在100～ 200 Lm 之間. 同時, 劍麻纖維表面粗糙, 有很多豎向的條紋,有利于增大劍麻纖維與水泥漿體之間的接觸面積, 從而增加劍麻纖維在水泥混凝土里的粘結(jié)性能[ 5 ].
2 試驗配合比
本試驗采用的劍麻纖維長度為(10±2) mm ,為了清除劍麻纖維上的雜質(zhì), 先將劍麻纖維放入含1% N aOH 溶液中浸泡30 m in 后用清水洗凈、晾曬. 劍麻纖維混凝土配合比參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》, 分別摻入0. 0, 1. 5, 3. 0, 4.5,6.0 kg/m 3 劍麻纖維, 混凝土的設(shè)計強度等級為C40, 其設(shè)計配合比如表3.
試件的制作是采用強制式混凝土攪拌機拌和, 在振動臺上振動密實成型. 24 h 后拆模, 立即搬入養(yǎng)護室養(yǎng)護. 養(yǎng)護室的溫度為(20±2) ℃, 相對濕度為95% 以上, 室內(nèi)溫濕度均勻. 試件放在試件放置架上, 加濕方式為霧化加濕.
3 性能試驗
3. 1 工作性試驗
水泥混凝土拌合物工作性是指水泥混凝土混合料在一系列施工工序(拌和、運輸、澆灌、振搗)不發(fā)生離析、泌水的現(xiàn)象[ 6, 7 ]. 劍麻纖維摻入水泥混凝土, 減少了水泥混凝土的表面析水, 纖維的網(wǎng)狀分布也有效地阻止了骨料的沉降, 水泥漿體在纖維的支撐作用下對骨料的包裹性也有所增強.新拌水泥混凝土的泌水率下降, 泌水時間大大推遲, 劍麻纖維摻量大于3. 0 kg/m 3 的劍麻纖維混凝土幾乎不泌水. 新拌劍麻纖維水泥混凝土的坍落度和含氣量如圖1 和圖2 所示. 由圖1 可知, 在水泥混凝土中加入一定摻量的劍麻纖維后, 新拌水泥混凝土的坍落度比未摻劍麻纖維的基準水泥混凝土降低28～ 37 mm , 且坍落度隨著摻量的增大而降低, 這是由于劍麻纖維本身是親水性的物質(zhì), 劍麻纖維的吸水率較高, 在劍麻纖維混凝土
的拌和中劍麻纖維吸收了來自于混凝土中的拌和水, 使得劍麻纖維混凝土的坍落度變小. 同時, 劍麻纖維摻入混凝土后, 減少了混凝土的表面析水,劍麻纖維在混凝土中的網(wǎng)狀分布也有效地阻止了骨料的沉降, 水泥漿體在纖維的支撐作用下對骨料的包裹性也有所增強, 從而有效改善了新拌劍麻纖維混凝土的工作.
由圖2 可知, 隨著劍麻纖維摻量的增大, 劍麻纖維混凝土的含氣量有所增大, 含氣量的增大會影響混凝土的容重, 劍麻纖維混凝土的含氣量大于一般水泥混凝土. 同時, 劍麻纖維混凝土的容重比一般水泥混凝土略有下降, 但影響不顯著.
3. 2 力學(xué)性能試驗
力學(xué)性能是衡量水泥混凝土使用性能和品質(zhì)的重要指標, 本試驗主要對不同劍麻纖維摻量的劍麻纖維混凝土的7 d, 28 d 的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度等力學(xué)性能進行測定, 試驗結(jié)果如圖3 和圖4 所示. 由圖3 知, 不同劍麻纖維摻量的劍麻纖維混凝土其7 d 和28 d 抗強度和摻量的變化曲線相似, 隨著劍麻纖維摻量的增加, 劍麻纖維混凝土抗壓強度略有增加, 當(dāng)劍麻纖維摻量在3～ 4.5 kg/m 3 時, 劍麻纖維混凝土抗壓強度達到最大值; 當(dāng)劍麻纖維摻量大于4.5 kg/m 3 時, 隨著劍麻纖維摻量的增加, 劍麻纖維水泥混凝土抗壓強度略有降低, 造成劍麻纖維水泥混凝土抗壓強度降低的主要原因: 隨著劍麻纖維摻量的增大, 混凝土中含氣量增加引起混凝土抗壓強度降低. 當(dāng)劍麻纖維摻量為1. 5, 3. 0, 4.5 kg/m 3 時, 混凝土28 d 抗壓強度分別比未摻劍麻纖維的基準水泥混凝土提高2. 8% , 3. 8%和3. 4% , 由此可知劍麻纖維的加入對水泥混凝土的抗壓強度影響很小.
由圖4 可知, 劍麻纖維混凝的劈裂抗拉強度、抗折強度隨著劍麻纖維摻量的增加而加大, 當(dāng)劍麻纖維摻量達到3. 0 kg/m 3 左右, 劍麻纖維水泥混凝的劈裂抗拉強度、抗拉強度達到最大值, 隨著劍麻纖維摻量繼續(xù)加大, 劍麻纖維水泥混凝的劈裂抗拉強度、抗拉強度會降低, 造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著劍麻纖維摻量的增大, 劍麻纖維水泥混凝土中含氣量增加引起劍麻纖維混凝土劈裂抗拉強度、抗折強度降低. 當(dāng)劍麻纖維摻量為3. 0 kg/m 3時, 劍麻纖維混凝土28 d 劈裂抗拉強度和抗折強度分別比未摻劍麻纖維的基準水泥混凝土提高23% 和15. 6%.
3. 3 耐久性能試驗
自然氣候條件下的水泥混凝土老化包括有冷熱交替的干濕循環(huán)、凍融和碳化等作用, 在這些作用下導(dǎo)致水泥混凝土的各項性能變化, 降低水泥混凝土的使用品質(zhì)和耐久性. 其中冷熱交替的干濕循環(huán)作用是水泥混凝土在使用過程最常發(fā)生的作用, 是影響水泥混凝土耐久性主要原因之一. 本試驗主要測定不同劍麻纖維摻量的劍麻纖維水泥混凝土在冷熱交替的干濕循環(huán)作用下一些性能指標的變化.
目前國內(nèi)外沒有統(tǒng)一水泥混凝土冷熱交替的干濕循環(huán)作用的試驗方法和規(guī)程, 本試驗參考國外CB I 法進行試驗. 試驗將養(yǎng)護28 d 后的各種不同劍麻纖維摻量的水泥混凝土浸泡于(20±2) ℃的水中20 h, 然后在室內(nèi)自然晾干4 h, 再在100℃的烘箱中烘干20 h, 最后在室內(nèi)自然晾干4 h, 以此為一個循環(huán). 試驗測定水泥混凝土經(jīng)過10, 20,30 次冷熱交替的干濕循環(huán)作用后的抗折強度來衡量抗老化能力, 試驗結(jié)果如圖5.
由圖5 可知, 摻入劍麻纖維的水泥混凝土比未摻劍麻纖維的基準水泥混凝土抗冷熱交替的干濕循環(huán)作用強, 說明摻入劍麻纖維后能提高水泥混凝土的耐久性. 各種不同摻量的劍麻纖維水泥混凝土抗冷熱交替的干濕循環(huán)作用能力不同, 其中劍麻纖維摻量為3. 0 kg/m 3 的劍麻纖維混凝土抗冷熱交替的干濕循環(huán)作用能力最好, 其次是劍麻纖維摻量為4. 5 kg/m 3 的劍麻纖維混凝土、摻量為1. 5 kg/m 3 的劍麻纖維混凝土. 劍麻纖維摻量為3. 0 kg/m 3 的劍麻纖維混凝土在冷熱交替的干濕循環(huán)作用10 次后, 其抗折強度下降1. 5% 左右、作用20 次后, 其抗折強度下降4% 左右、作用30 次后, 其抗折強度下降6. 5% 左右.
3. 4 經(jīng)濟性
劍麻纖維是一種綠色、環(huán)保、可再生資源, 它與人工纖維和礦物纖維相比具有多方面的優(yōu)點,其中經(jīng)濟性最為突出, 圖6 為劍麻纖維與玻璃纖維和聚丙烯纖維相對價格比. 在力學(xué)性能方面, 劍麻纖維混凝土主要體現(xiàn)其抗拉強度和抗折強度優(yōu)良. 由圖6 可知, 劍麻纖維的相對價格是玻璃纖維
25% 左右、是聚丙烯纖維12% 左右. 隨著近期國際原油價格的上漲, 人工合成的聚丙烯纖維價格還會持續(xù)走高, 而劍麻纖維是植物纖維, 它是一種可再生資源, 劍麻纖維價格的波動很小. 玻璃纖維是一種有毒物質(zhì), 對人體會產(chǎn)生危害, 目前國家已經(jīng)禁止其在建筑材料上的應(yīng)用. 其它的礦物纖維如鋼纖維, 其價格昂貴. 此外鋼纖維在混凝土中容易產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象, 鋼纖維銹蝕不光影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性, 還對周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴重的污染.
4 結(jié) 語
(1) 摻入一定量劍麻纖維對水泥混凝土復(fù)合材料的工作性有了一定的提高, 表現(xiàn)在新拌水泥混凝土復(fù)合材料的泌水率和坍落度減少, 含氣量有一定程度的提高. (2) 摻入一定量劍麻纖維對提高水泥混凝土復(fù)合材料抗壓能力作用不大, 但能提高水泥混凝土復(fù)合材料抗劈裂抗拉強度和抗折強度. 在劍麻纖維摻量為3. 0 kg/m 3 時, 劍麻纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料抗劈裂抗拉強度和抗折強度分別比未摻劍麻纖維的基準水泥混凝土提高了23% 和16% 左右. (3) 摻入一定量劍麻纖維能大幅度的提高水泥混凝土復(fù)合材料抗冷熱交替的干濕循環(huán)作用, 有利延長水泥混凝土復(fù)合材料耐久性. (4) 劍麻纖維與其它人工纖維和礦物纖維相比, 劍麻纖維無毒無害, 是一種綠色纖維和可再生纖維, 不會對環(huán)境造成污染, 價格成本低等先天性的優(yōu)勢.
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