竹纤维对砂浆性能影响的试验研究

刘玉莹，尹健，任海波，何凌侠，桑正辉

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)



竹纤维对砂浆性能影响的试验研究

刘玉莹，尹健，任海波，何凌侠，桑正辉

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

基于竹纤维砂浆的最佳搅拌工艺，探讨竹纤维掺量和长度对砂浆工作性、抗折强度、抗压强度和干缩率的影响。研究结果表明：纤维掺量介于0.5～2.0 kg/m3时，砂浆的沉入度、表观密度和干缩率随纤维掺量的增加而减少，强度呈先增加后降低的趋势，在掺量为1.5 kg/m3时达到最大值；纤维长度介于5～20 mm时，随着纤维长度的增加，砂浆的沉入度增大，表观密度减小，强度呈先增大后减小的趋势，在纤维长度为10 mm时达到最大值，干缩率呈先减少后增大的趋势，在纤维长度为15 mm达到最低值。

竹纤维；砂浆；沉入度；表观密度；强度；干缩率

随着世界建筑业的高速发展，水泥基材料已成为应用最广泛、用量最大的建筑材料。众所周知，水泥基材料具有很高的抗压强度，但存在抗拉强度低、极限延伸率小、抗裂性差等缺点，且随着抗压强度的提高，其干缩与脆性问题更加突出。为了改善水泥基材料的上述缺陷，通常采用在其中掺加纤维的方法。常用的纤维材料有钢纤维，聚丙烯纤维，玻璃纤维，碳纤维和天然植物纤维等。其中，植物纤维作为一种天然纤维，具有质量轻、比强度高、来源广等优点，是一种廉价且绿色环保的纤维增强材料。Ozerkan等[1-4]分别对棕榈纤维、黄麻纤维、椰纤维、秸秆纤维增强水泥(或砂浆)的性能进行了研究，并取得了一定的成果。竹纤维是近年才投入工业生产的一种天然纤维，其化学成分主要为纤维素、半纤维素和木质素，具有物理力学性能好、单位能耗低、抗拉强度较高等特点。研究开发竹纤维增强水泥基材料不仅可以拓宽我国竹材的应用领域，还可以缓解目前全球建筑材料紧缺的危机，符合我国可持续发展的要求。此外，竹纤维增强水泥基材料性能的研究对于完善纤维增强水泥基材料制备技术体系及其基础理论体系还具有重要的理论意义。本文以砂浆工作性和力学性能为评价指标，优化竹纤维砂浆的最佳搅拌工艺，并在此基础上探讨竹纤维长度和掺量对砂浆工作性、抗折强度、抗压强度和干缩率的影响规律，以期为竹纤维在工程中的开发应用提供参考。

1　原材料与试验方法

1.1原材料

水泥：湖南长沙坪塘水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为354 m2/kg，初凝时间为155 min，终凝时间为200 min，其化学组成及力学性能分别见表1～2。粉煤灰(FA)：Ⅱ级，湖南湘潭电厂提供，45μm方孔筛筛余量为18%，需水量比103%，烧失量为3.8%，含水量为0.1%。砂：湘江产、中砂，各项指标均满足GB/T14684—2001《建筑用砂》规范的要求。减水剂：聚羧酸高性能减水剂，武汉格瑞林建材科技股份有限公司提供，减水率为30%，固含量为20%。水：自来水。竹纤维：四川班搏竹业发展有限公司生产，其性能参数见表3。

表1　水泥的化学组成

表2　水泥的力学性能

表3　竹纤维性能参数

1.2配合比设计

对于纤维增强水泥砂浆，纤维在砂浆基体中的均匀分散是保证砂浆工作性、力学性能和耐久性的关键。为确定竹纤维砂浆的最佳搅拌工艺，采用3种搅拌工艺分别记为PS1，PS2和PS3。其中PS1为砂、竹纤维预拌2 min，再加水泥搅拌1 min，最后加水搅拌1 min；PS2为砂、水泥预拌1 min，然后加入试验前25 min配制的由竹纤维、减水剂和水组成的悬浊液搅拌3 min；PS3为砂、水泥、竹纤维预拌2 min，再加水搅拌2 min。研究表明，砂浆中所掺纤维的长度一般为3～19 mm，掺量一般为0.9～1.2 kg/m3，故对买来的竹纤维进行了人工梳理和修剪，制成长度分别为5，10，15，20 mm，掺量分别为0.5，1.0，1.5，2.0 kg/m3的竹纤维备用，砂浆的具体配合比见表4。试件编号中PSi(i=1,2,3)前的数字为纤维掺量，其后的数字为纤维长度，如1.0PS1-10即表示纤维掺量为1.0 kg/m3，纤维长度为10 mm，采用PS1搅拌工艺制得的砂浆试件。

表4　砂浆配合比

1.3沉入度和表观密度试验

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)中的稠度试验和表观密度试验方法。

1.4抗折抗压强度试验

参照《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》(GB/T17671—1999 idt ISO679：1989)，抗折强度试验采用无锡锡东建材设备厂生产的KZJ-5000型水泥电动抗折试验机，加载速率为50 N/S，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。抗压强度试验采用无锡新路达仪器设备有限公司生产YA-300A型微机控制全自动压力试验机，加载速率为2 400 N/s。

1.5砂浆干缩试验

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)中的收缩试验方法。首先将收缩头固定在试模(40 mm×40 mm×160 mm)两端面的孔洞中(收缩头露出试件端面8±1 mm)；然后将拌好的砂浆装入试模中，用水泥胶砂振动台振动密实，置于20±5 ℃室内，4 h后抹平，砂浆带模标养(20±2 ℃，RH≥90%)7d后拆模，并编号，标明测试方向。将试件移入温度20±2 ℃，相对湿度(60±5)%的室内养护至预定龄期，分别测其第1，3，7，14，21，28和56 d时的长度。为方便计算，本试验中的收缩率均为试件相对于第1 d龄期长度的收缩率，较规范规定方法得到的收缩率值偏小。

2　试验结果与分析

2.1搅拌工艺对砂浆性能的影响

不同的搅拌工艺，导致纤维在砂浆基体中的均匀分散程度不同，从而使砂浆表现出的基本性能也不同，其试验结果见表5。

表5不同搅拌工艺下砂浆的性能变化

Table 5 Property variation of mortar under different mix technology

编号沉入度/mm表观密度/(kg·m-3)抗折强度/MPa抗压强度/MPaNM9221005.524.11.0PS1-106020394.516.61.0PS2-106520464.619.01.0PS3-107320595.222.3

由表5可见，无论何种搅拌工艺，竹纤维的掺入均使得砂浆的沉入度降低。这是由于竹纤维的吸水性，使得砂浆基体中的自由水减少所致。但当竹纤维长度和掺量相同时，PS3搅拌工艺下砂浆(1.0PS3-10)的沉入度较PS1(1.0PS1-10)和PS2(1.0PS2-10)搅拌工艺制得的砂浆分别提高21.7%和12.3%。这说明，PS3搅拌工艺下竹纤维在砂浆基体中的分散比较均匀，对砂浆沉入度的影响较小。同样的道理，由于PS1和PS2搅拌工艺下，竹纤维分散不均，纤维之间缠结成团，引入了较多的孔隙，使得1.0PS1-10和1.0PS2-10的表观密度较1.0PS3-10小。

此外，纤维的不均匀分布也是导致砂浆抗折强度和抗压强度降低的主要原因之一，由表5可见，PS1搅拌工艺制得的砂浆，其抗折强度和抗压强度较PS3搅拌工艺制得的砂浆分别降低15%和3%。这与上述砂浆工作性的分析结果是一致的，因此，PS3搅拌工艺更有利于纤维的均匀分散，从而改善竹纤维砂浆的工作性和力学性能。

2.2纤维掺量对砂浆性能的影响

纤维掺量对砂浆沉入度、表观密度、强度以及干缩率的影响结果分别见图1～3所示。

图1　砂浆沉入度及表观密度随纤维掺量的变化Fig.1 Variation of sinking degree and apparent density of mortar with fiber content

图2　砂浆强度随纤维掺量的变化Fig.2 Variation of strength of mortar with fiber content

2.2.1纤维掺量对砂浆工作性的影响

由图1可见，砂浆的沉入度和表观密度均随着纤维掺量的增加而降低，当纤维掺量为2.0 kg/m3时，砂浆的沉入度和表观密度较基准砂浆(未掺纤维)分别降低37%和4%。这说明纤维掺量是影响砂浆工作性的主要因素之一，当纤维掺量为0～2.0 kg/m3时，砂浆的沉入度和表观密度与纤维掺量成反比。纤维掺量增加，由于其具有很高的吸水性(吸水率42%)，当它掺入砂浆中会吸收一部分拌合水，使得基体中用于增加流动度的自由水减少，从而导致纤维砂浆的沉入度降低，且掺入的纤维越多，基体中减少的自由水越多，砂浆的沉入度降低就越多。而由于竹纤维的密度(1.49 g/cm3)比砂浆小，随着纤维掺量的增加，必然引起纤维砂浆表观密度的降低。

2.2.2纤维掺量对砂浆强度的影响

由图2可见，砂浆中掺入竹纤维，其抗折强度和抗压强度均降低，但降低的幅度随纤维掺量的不同而异。如纤维掺量为0.5 kg/m3时，其抗折强度和抗压强度较基准砂浆分别降低8%和11%，根据纤维间距理论，单位面积内纤维的根数越多，纤维的阻裂增强效果就越明显。所以当纤维掺量由0.5 kg/m3增加到1.5 kg/m3时，砂浆的抗折和抗压强度均随着纤维掺量的增加而增大，但当纤维掺量超过1.5 kg/m3时，砂浆的抗折和抗压强度又随着纤维掺量的增加而降低。这一方面是由于单位面积内纤维数过多，纤维的结团成球现象显著，引入了较多的孔隙和缺陷所致；另一方面是由于纤维掺量的不断增加，导致体系中没有足够的胶凝材料包裹它，从而影响了纤维与基体的粘结强度所致。

因此，纤维的掺量不是越多越好，而是存在一个最佳纤维掺量，当纤维掺量小于最佳掺量时，纤维增强的正效应大于纤维与基体界面脱粘的负效应，力学性能随着纤维掺量的增加而增大；而当纤维掺量大于最佳纤维掺量时，纤维增强的正效应就小于纤维与基体界面脱粘的负效应，力学性能也因此而随纤维掺量的增加而降低[5]。

图3　纤维掺量与砂浆干缩率的关系Fig.3 Relationship between fiber content and dry-shrinkage of mortar

2.2.3纤维掺量对砂浆干缩率的影响

由图3可见，掺加竹纤维后，砂浆的干缩率较基准砂浆均有显著降低；这是因为：1)竹纤维的吸水性减少了砂浆中水分的蒸发速率；2)交错的纤维在砂浆基体中起到撑托骨料的作用，抑制了砂粒的下沉，降低了砂浆表面的析水，提高了砂浆的保水能力。两者综合作用的结果是，同等条件下，水泥水化更充分，砂浆本身的强度提高，抵制因失水干燥而产生收缩的能力更强，因此，掺加竹纤维后砂浆的干缩率减小[6]。

纤维掺量对砂浆的干缩率也有影响。当纤维长度为10 mm，掺量为0.5～2.0 kg/m3时，随着竹纤维掺量的增加，砂浆的干缩率逐渐降低，如在56 d时，当纤维掺量分别为0.5和2.0 kg/m3时，相应砂浆的干缩率较基准砂浆分别减少了83%和88%。根据纤维间距理论，当纤维掺量增加时，纤维之间的间距减小，纤维对砂浆的增强作用越显著，砂浆的干缩率就相应减小，但当纤维掺量增加到一定数值时，纤维之间缠结引起的负效应就会抵消其增强的正效应，使得砂浆的干缩率变化较小。

2.3纤维长度对砂浆性能的影响

纤维长度对砂浆沉入度、表观密度、强度以及干缩率的影响结果分别见图4～6所示。

2.3.1纤维长度对砂浆工作性的影响

由图4可见，砂浆的沉入度随纤维长度的增加逐渐增加，而表观密度却随着纤维长度的增加逐渐较低，即纤维长度为5～20 mm时，砂浆的沉入度与纤维长度成正比，表观密度与纤维长度成反比。当纤维长度为20 mm时，砂浆的沉入度为72 mm，表观密度为2 003 kg/m3，较纤维长度为5 mm时砂浆的沉入度提高9%，表观密度降低3%。这是因为纤维掺量相同时，纤维长度越短，纤维与砂浆基体堆积的越密实，空隙率越低，因此沉入度越小，表观密度越大[7]。

图4　砂浆沉入度及表观密度随纤维长度的变化Fig.4 Variation of sinking degree and apparent density of mortar with fiber length

图5　砂浆强度随纤维长度的变化Fig.5 Variation of strength of mortar with fiber length

2.3.2纤维长度对砂浆强度的影响

由图5可见，当纤维掺量相同时，纤维长度为5～10 mm时，砂浆的抗折和抗压强度均随着纤维长度的增加而增大；当纤维长度为10 mm时，砂浆的抗折和抗压强度均达到最大，分别为5.4和22.6 MPa；纤维长度为10～20 mm时，砂浆的抗折和抗压强度均随着纤维长度的增加而减少。纤维在砂浆中起“桥接”的作用，当砂浆受到荷载，内部产生微裂纹时，基体将应力传给纤维，纤维通过与基体脱黏从基体中拔出或拉断,消耗较大的能量，从而提高砂浆的抗折强度[8]。当纤维长度较短时，纤维传递荷载的作用不明显，对纤维砂浆强度的贡献也不大，但当纤维长度超过临界纤维长度时，纤维结团的概率就大大增加，纤维在基体中成球，导致空隙率增加，强度降低[2,9]。

图6　纤维长度与砂浆干缩率的关系Fig.6 Relationship between fiber length and dry-shrinkage of mortar

2.3.3纤维长度对砂浆干缩率的影响

由图6可见，纤维掺量同为1.5 kg/m3，当纤维长度为5～15 mm时，砂浆的干缩率随纤维长度的增加逐渐降低，如在56 d时，掺长度为15 mm竹纤维的砂浆，其干缩率较掺长度为5 mm同种纤维的砂浆减少了72%；但当纤维长度增加至20 mm时，相应砂浆的干缩率虽然比基准砂浆小，但却比掺长度为5 mm竹纤维的砂浆大。说明纤维长度是影响砂浆干缩率的重要因素之一，在纤维掺量一定的情况下，虽然纤维长度增大会使单位体积内纤维的根数降低，但由于纤维在砂浆中是呈三维网状分布的，其间距是不变的，加之较长纤维与砂浆基体间的界面结合力较高[10]，因此，随着纤维长度的增加，砂浆的干缩率会相应地减小。但当纤维长度继续增加时，纤维易缠结成团，难以实现其在砂浆基体中的均匀分散，因此反而降低了其对砂浆的增强效果。

3　结论

1)采用将砂、水泥、竹纤维先预拌2 min，再加水搅拌2 min的搅拌工艺，有利于纤维在基体中的均匀分散，改善竹纤维砂浆的工作性能和力学性能。

2)随着纤维掺量(0.5～2.0 kg/m3)的增加，砂浆的沉入度和表观密度均降低，而强度却呈现先增加后降低的趋势，在竹纤维掺量为1.5 kg/m3时达到最大值。

3)随着纤维长度的增加，砂浆的沉入度增大，表观密度减小，其强度呈现先增大后减小的趋势，在纤维长度为10 mm时达到最大值。

4)砂浆中掺入竹纤维能显著降低其干缩率，且随着纤维掺量的增加，砂浆的干缩率逐渐减小。同时，竹纤维长度对砂浆的干缩率也有显著影响，在56 d时，掺长度为15 mm竹纤维的砂浆，其干缩率较掺长度为5 mm的同种纤维砂浆减少了72%。

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Experimental research on the impact of bamboo fiber on mortar performances

LIU Yuying，YIN Jian，REN Haibo，HE Lingxia，SANG Zhenghui

(School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)

Based on the optimal mixing process of mortar reinforced with bamboo fiber, the effects of bamboo fiber content and length on workability，flexural strength，compressive strength and dry-shrinkage ratio of mortar were discussed. The test results show that the sinking degree，apparent density and dry-shrinkage ratio of mortar decrease with the increase of fiber content when the amount of fiber is between 0.5 to 2.0 kg/m3. The strength of mortar firstly increased and then decreases, it reaches the maximum value when the fiber content is 1.5 kg/m3. The sinking degree increases while the apparent density decreases with the increase of fiber length when fiber length is between 5 to 20 mm. However, the strength firstly increases and then decreases, and it reaches the maximum value when the fiber length is 10 mm. The dry-shrinkage of mortar firstly decreases and then increases, it reaches the lowest value when the fiber length is 15 mm.

bamboo fiber；mortar；sinking degree；apparent density；strength；dry-shrinkage ratio

2015-10-30

湖南省科技厅重点资助项目(2013FJ2002)

尹健(1970-)，男，湖南洞口人，教授，博士，从事新型建筑材料研究；E-mail：csuyj700930@163.com

TU528.58

A

1672-7029(2016)08-1522-06