摘要: 通過(guò)不同摻量劍麻纖維水泥混凝土物理性能力學(xué)性能試驗(yàn)，得出不同摻量劍麻纖維對(duì)水泥混凝土的工作性、含氣量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、干縮值和抗沖擊等性能影響的試驗(yàn)結(jié)果，從而獲得劍麻纖維的最佳摻量范圍，為進(jìn)一步研究劍麻纖維水泥混凝土其它性能及應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞: 劍麻纖維水泥混凝土；物理性能；干縮性能
中圖分類(lèi)號(hào): TU528.041 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1001- 702X( 2008) 04- 0047- 04
混凝土中摻入纖維是近期混凝土改性的方向之一，目前國(guó)內(nèi)主要摻入的纖維種類(lèi)是合成纖維和礦物纖維，但國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始研究用植物纖維替代合成纖維和礦物纖維來(lái)增強(qiáng)水泥混凝土，形成綠色、環(huán)保、節(jié)能等性能優(yōu)越的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)型纖維水泥混凝土。劍麻纖維與其它植物纖維相比，具有質(zhì)地堅(jiān)硬、富有彈性、拉伸強(qiáng)度高、耐摩擦、耐低溫等特點(diǎn)外，還具有纖維長(zhǎng)、色澤潔白、耐海水腐蝕等諸多特性。
本研究主要對(duì)不同摻量的劍麻纖維水泥混凝土的物理、力學(xué)性能和干縮性能等方面進(jìn)行研究，從而尋找劍麻纖維摻量與混凝土性能的關(guān)系，為劍麻纖維水泥混凝土的應(yīng)用提供依據(jù)。
1 試驗(yàn)原材料
水泥:采用廣西華潤(rùn)紅水河水泥公司生產(chǎn)的紅水河牌P·O42.5R 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成份如表1。
砂:中粗河砂，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.80，表觀密度為2587 kg/m3，各項(xiàng)性能滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。
石子：5～25 mm碎石，連續(xù)粒徑，各項(xiàng)性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。
外加劑：UNF- 5H 高效減水劑，減水率大于13%[1]。
劍麻纖維：采用廣西劍麻集團(tuán)生產(chǎn)的劍麻纖維，密度1.43g/cm3，拉伸強(qiáng)度510 MPa，伸長(zhǎng)率6.0%。將劍麻纖維放入1%NaOH 溶液中浸泡后，其電鏡下形態(tài)見(jiàn)圖1。
劍麻纖維是天然纖維，其直徑為100～200 μm。由于劍麻纖維表面粗糙，有很多豎向條紋，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中的粘結(jié)性能[2]。
2 物理力學(xué)性能試驗(yàn)
本試驗(yàn)采用的劍麻纖維長(zhǎng)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1%NaOH 溶液中浸泡30 min 后用清水洗凈、晾曬?；炷粱鶞?zhǔn)配合比參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》：水泥370 kg/m3：砂712 kg/m3：石1162kg/m3，水157 kg/m3，外加劑2.78 kg/m3，水灰比0.42。劍麻纖維混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，劍麻纖維混凝土設(shè)計(jì)配合比中劍麻纖維摻量見(jiàn)表2。
試件制作采用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)拌和，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)，成型24 h 后拆模，立即搬入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)室的溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為95%以上。試件放在試件放置架上，加濕方式為霧化加濕。
2.1 劍麻纖維水泥混凝土的工作性
在試驗(yàn)過(guò)程中新拌劍麻纖維混凝土的泌水率下降，泌水時(shí)間大大推遲，當(dāng)劍麻纖維摻量大于3.0 kg/m3 時(shí)，劍麻纖維混凝土幾乎不發(fā)生泌水現(xiàn)象。劍麻纖維摻量對(duì)新拌混凝土坍落度的影響見(jiàn)圖2。
由圖2 可知，在混凝土中加入一定量的劍麻纖維后，新拌混凝土的坍落度比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)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物質(zhì)，吸水率較高，混凝土的拌和中，劍麻纖維吸收了來(lái)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(shí)，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(duì)骨料的包裹性也有所增強(qiáng)，從而有效改善了新拌劍麻纖維混凝土的工作性。
2.2 劍麻纖維水泥混凝土的含氣量
劍麻纖維混凝土隨劍麻纖維摻量增加含氣量變大，這是由于亂向分布的微細(xì)纖維相互搭接，混凝土攪拌和成型過(guò)程中內(nèi)部空氣的溢出略有阻礙。劍麻纖維摻量對(duì)混凝土含氣量的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。
由圖3 可知，隨著劍麻纖維摻量增加，劍麻纖維混凝土的含氣量有所增大，所以劍麻纖維混凝土的密度比普通水泥混凝土略有下降，但影響不顯著。
2.3 劍麻纖維摻量對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響
將劍麻纖維水泥混凝土制成150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d 進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。
由圖4 可知，不同摻量劍麻纖維水泥混凝土的7 d 和28d 抗壓強(qiáng)度變化的曲線(xiàn)相似，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高，當(dāng)劍麻纖維摻量在3～
4.5 kg/m3 時(shí)，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；但劍麻纖維摻量大于4.5 kg/m3 時(shí)，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度略有降低，其主要原因是，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(qiáng)度降低。當(dāng)劍麻纖維摻量分別為1.5、3、4.5 kg/m3 時(shí)，混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)混凝土分別提高2.8%、3.8%、3.4%，由此可知，劍麻纖維的摻入對(duì)水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度影響很小。
2.4 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)
混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)采用GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定進(jìn)行劍麻纖維水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。
由圖5 可知，不同摻量的劍麻纖維水泥混凝土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)變化比其7 d 劈裂抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)大，其原因是劍麻纖維水泥混凝土中的劍麻纖維在一定程度上延緩了混凝土中的水化反應(yīng)。摻入劍麻纖維的水泥混凝土7 d 和28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度均比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土高。當(dāng)劍麻纖維摻量為1.5、3.0、4.5、6.0 kg/m3 時(shí)，混凝土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別比基準(zhǔn)水泥混凝土提高18%、23%、19%、15%；劍麻纖維摻量的增加有利于混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的提高，但隨著劍麻纖維摻量增加到一定量時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度反而有所降低。其主要原因是由于劍麻纖維摻量增加，混凝土中含氣量增大，引起混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低。
2.5 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)
混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)是另一種測(cè)試混凝土抗拉性能的間接試驗(yàn)方法。加荷方式有單點(diǎn)集中加荷和三分點(diǎn)加荷2 種，單點(diǎn)集中加荷時(shí)，最大彎矩在梁中央，破壞斷面被固定；三分點(diǎn)加荷時(shí)，最大彎矩在二加荷點(diǎn)之間，破壞將發(fā)生在區(qū)間的最薄弱面上，因此，采用三分點(diǎn)加荷方式測(cè)得的混凝土抗折強(qiáng)度小于采用單點(diǎn)加荷方式測(cè)得的混凝土抗折強(qiáng)度。目前，我國(guó)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)多采用三分點(diǎn)加荷方式，試驗(yàn)試件為150 mm×150mm×550 mm棱柱體，測(cè)試了養(yǎng)護(hù)7 d、28 d 的抗折強(qiáng)度。為便于比較，所有試件均以0.38～0.60 kN/s 的加荷速度均勻加載，試件接近破壞開(kāi)始急劇變形時(shí)，停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門(mén)，直至破壞，并記錄破壞荷載。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。
由圖6 可知，混凝土中摻入1.5 kg/m3 劍麻纖維時(shí)，混凝土的7 d 和28 d 抗折強(qiáng)度比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土分別提高了14%和15%。隨著劍麻纖維摻量的增加劍麻纖維水泥混凝土的抗折強(qiáng)度提高幅度不大，當(dāng)摻入3.0 kg/m3 劍麻纖維時(shí)，劍麻纖維混凝土的7 d 和28 d 抗折強(qiáng)度比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土分別提高16.3%、15.1%，摻入4.5 kg/m3 時(shí)，劍麻纖維混凝土的7 d 和28 d 抗折強(qiáng)度比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土分別提高15.6%、14.5%，這說(shuō)明當(dāng)摻入3 kg/m3 劍麻纖維時(shí)，劍麻纖維混凝土的抗折強(qiáng)度提高到最大值，隨著劍麻纖維摻量進(jìn)一步增加劍麻纖維水泥混凝土的抗折強(qiáng)度提高幅度下降。
2.6 干縮性能試驗(yàn)
纖維混凝土的干縮性試驗(yàn)參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試件成型后即送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，帶模養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模測(cè)初長(zhǎng)，此長(zhǎng)度即為試件的基準(zhǔn)長(zhǎng)度。為防止金屬測(cè)頭的偏移，在拆模后用701 膠將測(cè)頭固定。測(cè)量后立即放入溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%的室內(nèi)干燥，試件的干縮齡期以測(cè)定基準(zhǔn)長(zhǎng)度后算起，試驗(yàn)分別測(cè)試養(yǎng)護(hù)1、3、7、14、28、60 d 后混凝土試件的長(zhǎng)度。每個(gè)齡期測(cè)長(zhǎng)1 次，測(cè)長(zhǎng)的方法和測(cè)長(zhǎng)的方向應(yīng)與測(cè)基準(zhǔn)長(zhǎng)度時(shí)保持相同，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。
由圖7 可知，隨著劍麻纖維摻量的增加，混凝土的干縮值減小，主要原因是未摻入劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土由于干燥失水而產(chǎn)生較大的干縮，但劍麻纖維水泥混凝土有數(shù)目眾多的劍麻纖維均勻地分布在混凝土內(nèi)，在混凝土干燥收縮時(shí)產(chǎn)生與混凝土收縮方向相反的約束拉應(yīng)力，限制了混凝土的進(jìn)一步收縮，有效降低了劍麻纖維混凝土的干縮?；炷林袆β槔w維數(shù)量越多，混凝土干燥收縮時(shí)產(chǎn)生與混凝土收縮方向相反的約束拉應(yīng)力越大，從而更有效地降低了劍麻纖維混凝土的干縮。分別摻入1.5、3.0、4.5、6.0 kg/m3 劍麻纖維混凝土養(yǎng)護(hù)3 d 后的干縮值與未摻入劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土相比分別減少了32.5%、41.6%、56.9%、76.7%，養(yǎng)護(hù)60 d 后，則分別減少了21.4%、28.7%、32.8%、40.3%，這說(shuō)明劍麻纖維對(duì)混凝土早期收縮的抑制作用比后期的強(qiáng)。
2.7 抗沖擊性能試驗(yàn)
關(guān)于劍麻纖維混凝土抗沖擊試驗(yàn)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)參考美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)提出的落重法[3]，采用簡(jiǎn)易落錘法進(jìn)行。試驗(yàn)采用質(zhì)量為3 kg 的沖擊球，落高為50cm，試驗(yàn)時(shí)讓沖擊球沿試件的中軸自由下落，試件尺寸為150mm×150 mm×150 mm?；炷恋目箾_擊性能以試件在落錘的反復(fù)沖擊作用下，混凝土表面出現(xiàn)第一條肉眼可見(jiàn)裂縫時(shí)單位體積所耗的功來(lái)表示，用相對(duì)抗沖擊強(qiáng)度來(lái)定性地表征纖維混凝土的抗沖擊性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
由表3 可知，在混凝土中摻入一定量的劍麻纖維后，混凝土的抗沖擊性能均有所提高，隨著劍麻纖維摻量的增大，混凝土相對(duì)沖擊強(qiáng)度也相應(yīng)提高。劍麻纖維的摻量從1.5 kg/m3 增加到6 kg/m3 時(shí)，混凝土的耐沖擊次數(shù)是未摻入劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土的1.11～1.36 倍。這主要原因是由于劍麻纖維混凝土在受到外加連續(xù)沖擊力時(shí)，劍麻纖維與混凝土一起承受了外力的作用?；炷潦艿降膹?qiáng)大沖擊能量分散到混凝土中廣泛分布的劍麻纖維上，由于劍麻纖維具有吸收沖擊能量的作用，從而有效緩解了混凝土的破壞，提高了混凝土的抗沖擊性能。
3 結(jié)語(yǔ)
在水泥混凝土中摻入劍麻纖維能夠在一定程度上減小新拌混凝土的泌水率和坍落度，同時(shí)還可以提高混凝土的含氣量。在一定程度上說(shuō)明新拌劍麻纖維水泥混凝土的工作性能優(yōu)于普通水泥混凝土。
在3 kg/m3 摻量下，養(yǎng)護(hù)28 d 劍麻纖維水泥混凝土與未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提高3.8%，其變化不大，但劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了23%和16%。這說(shuō)明劍麻纖維對(duì)提高水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不大，但對(duì)提高水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度具有顯著的效果，因此，劍麻纖維的最佳摻量為3 kg/m3 左右。劍麻纖維能夠有效地抑制混凝土的干縮性，特別對(duì)混凝土早期收縮效果更為顯著。
劍麻纖維水泥混凝土抗沖擊性能比未摻劍麻纖維的基準(zhǔn)水泥混凝土顯著提高，在最佳摻量范圍內(nèi)，劍麻纖維水泥混凝土抗沖擊性能可以提高近30%。
劍麻纖維是一種無(wú)毒無(wú)害的綠色纖維和可再生纖維，不會(huì)造成環(huán)境污染。同時(shí)，劍麻纖維與其它合成纖維和礦物纖維相比在價(jià)格方面具有先天的優(yōu)勢(shì)，如劍麻纖維與玻璃纖維、聚丙烯纖維相比，劍麻纖維的價(jià)格只是玻璃纖維20%左右、是丙烯纖維的10%左右。
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