棉秆纤维对陶粒泡沫混凝土力学性能影响的研究

王康，陈国新，李建华，万朝阳，陈磊

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

棉秆纤维对陶粒泡沫混凝土力学性能影响的研究

王康，陈国新，李建华，万朝阳，陈磊

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

针对陶粒泡沫混凝土强度低、脆性大、易开裂等问题，研究在相同纤维掺量及纤维长度下，棉秆纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维对陶粒泡沫混凝土抗压及劈裂抗拉强度的增强效果；考虑棉秆纤维掺入量和纤维长度2个因素在不同水平下对陶粒泡沫混凝土抗压及劈裂抗拉强度的影响，确定棉秆纤维的最佳掺量和最优长度范围。结果表明：聚丙烯纤维对陶粒泡沫混凝土的增强效果最好，掺加棉秆纤维能有效提高陶粒泡沫混凝土强度；棉秆纤维最佳掺量为0.8%，此时抗压强度较同配比未掺纤维的试块提高25.0%，劈裂抗拉强度提高43.1%；长11～15 mm的棉秆纤维对陶粒泡沫混凝土的增强效果最明显。

陶粒泡沫混凝土；棉花秸秆纤维；纤维掺量；纤维长度；抗压强度；劈裂抗拉强度

0 引言

针对陶粒泡沫混凝土强度低、脆性大、易开裂等问题，本研究比较了在相同纤维掺量及纤维长度下，棉花秸秆纤维（以下简称棉秆纤维）、玻璃纤维和聚丙烯纤维对陶粒泡沫混凝土基本力学性能的增强效果，考虑棉秆纤维掺量和长度变化对陶粒泡沫混凝土抗压及劈裂抗拉强度的影响，确定棉秆纤维的最佳掺量和最优长度范围。

1 试验

1.1 原材料

水泥，新疆天山水泥厂生产的P·O42.5水泥；植物纤维，新疆吐鲁番地区1年生棉花秸秆纤维；玻璃纤维、聚丙烯纤维，性能指标见表1；页岩陶粒，物理性能见表2；发泡剂，浓度为20%的工业双氧水；催化剂，二氧化锰。

表1 玻璃纤维和聚丙烯纤维的性能指标

表2 陶粒的物理性能

1.2 试验设计

根据文献[10]对素陶粒泡沫混凝土进行配合比设计，m（水泥）∶m（水）∶m（二氧化锰）∶m（双氧水）∶m（陶粒）=1∶0.45∶0.025∶0.105∶0.095，棉花纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维掺量均按水泥的质量百分比计[11]。

进行以下3组试验：（1）在素陶粒泡沫混凝土中分别掺加1.2%、长度6～10 mm的棉秆纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维，比较3种纤维对陶粒泡沫混凝土基本力学性能的影响程度，评价棉花秸秆纤维的增强效果；（2）在素陶粒泡沫混凝土中分别掺入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的棉花秸秆纤维，研究其掺量对基本力学性能的影响；（3）保持纤维掺入量0.6%不变的情况下，研究6～10、11～15，16～20、21～25、26～30 mm 5个长度范围的棉花秸秆纤维对泡沫混凝土基本力学性能的影响。试验根据纤维种类、棉秆纤维的掺量和长度的不同，将陶粒泡沫混凝土分成12组，各组的编号及配合比如表3所示。

表3 泡沫混凝土试验配合比

1.3 试块制备与测试方法

从以上结论可知，圣女果随贮藏时间的延长，不同压缩特性参数的变化趋势不太一致。刚度和屈服极限随贮藏时间的延长总体呈逐渐上升的趋势，但变化幅度不是很大；变形能随贮藏时间延长呈逐渐下降的趋势；破裂极限和破坏能随贮藏时间变化比较复杂，在贮藏最后3天达到最大值。

本研究中使用工业双氧水通过化学发泡制备泡沫混凝土。制备过程为：（1）将陶粒浸水12 h进行预湿；（2）将水泥、陶粒、棉花秸秆纤维混合干拌1.5 min，然后加水搅拌2 min；（3）将准备好的双氧水（稀释后）倒入拌合均匀的混合物中快速搅拌10～15 s；（4）快速将泡沫混凝土浇注到试模中，用木板刮平表面。最后将试模表面覆膜静置于试验室中24 h后脱模，然后送入标准养护室养护28 d。

试块的制作及力学性能测试参照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行，抗压强度和劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组3个；抗压强度测试加载速率为1.5～2.5 kN/s，劈裂抗拉强度测试加载速率为0.15～0.25 kN/s。

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程与特征

进行抗压强度试验时，不掺纤维试块在受压极限荷载的50%～60%时表面出现细微裂缝，掺纤维试块在60%～70%时表面出现细微裂缝；继续加载，细微裂缝逐渐加宽并出现更多的细微裂缝，同时裂缝处出现不同程度的小碎粒剥落现象，不掺纤维试块的裂缝拓展速度和碎粒剥落量要明显大于掺纤维的试块；继续加载，随着碎粒剥落量的不断增多试块被破坏，掺纤维试块的强度和裂缝扩展时间均大于未掺纤维试块。破坏时，纤维含量高的试块边缘及表面的松散程度要明显优于不掺纤维的试块，其裂缝处沿垂直断裂面分布的纤维大部分被拉断或拔出。

进行劈裂抗拉试验时，垫条随荷载的增加逐渐嵌入试块，不掺纤维试块在达到劈裂极限荷载时沿垫条部位出现裂缝并很快劈成两半，破坏声音清脆，而掺纤维试块尤其是纤维掺量大的试块在达到劈裂极限荷载时，可以明显观察到纤维被拉断的过程，整个过程伴随窸窣的响声并有小碎粒剥落。试件破坏后，垂直于断面分布的陶粒全部被劈裂、纤维被拉断或拔出

2.2 不同种类纤维对试块强度的影响（见表4）

表4 不同种类纤维对试块强度的影响

由表4可知，掺加棉秆纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维试块的抗压强度较同配比未掺纤维的试块分别提高12.5%、17.2%、18.7%，劈裂抗拉强度较同配比未掺纤维的试块分别提高23.8%、36.5%、39.7%。表明聚丙烯纤维对陶粒泡沫混凝土强度的增强效果最大，玻璃纤维次之，棉秆纤维最小。3种纤维对陶粒泡沫混凝土抗压强度的增强效果相差不大，而对劈裂抗拉强度的增强效果差别较大。虽然棉秆纤维对劈裂抗拉强度的增强效果不如聚丙烯纤维和玻璃纤维，但掺加棉秆纤维的试块较同配比未掺纤维试块的劈裂抗拉强度及拉压比明显提高，陶粒泡沫混凝土的脆性得到了有效改善。

2.3 棉秆纤维掺量对试块强度的影响

2.3.1 抗压强度（见图1）

图1 棉秆纤维掺量对试块抗压强度的影响

由图1可见：（1）掺棉秆纤维试块的抗压强度比未掺棉秆纤维试块的抗压强度明显提高，棉秆纤维掺量为0.2%的试块抗压强度较同配比未掺纤维的提高11.0%。原因在于：棉秆纤维掺入基体后，乱向分布的棉秆纤维提高了试块内部的整体性，棉秆纤维承担了因基体开裂转移给它的应力，从而约束了微裂缝的扩展并改变了裂缝的发展方向。（2）随棉秆纤维掺量增加，陶粒泡沫混凝土的抗压强度先提高后降低，棉秆纤维掺量为0.8%时，陶粒泡沫混凝土的抗压强度最高。产生此种现象原因在于：纤维与基体的结合面是荷载作用下相对比较薄弱的界面，随棉秆纤维掺量增加，网状受力体系的“空间约束”能力得到增强，但同时也增加了弱界面数量，弱界面效应使得“空间约束”能力相应减弱，所以试块抗压强度变化幅度变小。棉秆纤维掺量为1.0%时，弱界面数量增多，造成的削弱效应大于网状受力体系的“三维约束”能力，所以试块抗压强度有所降低。

2.3.2 劈裂抗拉强度（见图2）

图2 棉秆纤维掺量对试块劈裂抗拉强度的影响

由图2可见：（1）陶粒泡沫混凝土劈裂抗拉强度随棉秆纤维掺量的增多而提高，纤维掺量为1.0%时，劈裂抗拉强度达到最大值。根据“纤维间隔理论”[12-13]，随棉秆纤维掺量的增加，纤维间距减小，单位面积上横跨于劈裂面两端的纤维数量增多，众多棉秆纤维从基体中拔出或被拉断消耗了大量能量，所以劈裂抗拉强度随棉秆纤维掺量增多而增大。（2）棉秆纤维掺量超过0.8%以后劈裂抗拉强度增长趋势有所减弱。产生此种现象原因在于：当纤维掺量过多时，快速搅拌过程中纤维抱团、成束的概率大大增加，纤维抱团造成实际承受拉应力作用的纤维数量减少。此外，制备过程中发现，掺加棉秆纤维后，料浆流动性大幅度下降，且纤维掺量增多以后造成混凝土难以发泡。

由上述试验分析可得，棉秆纤维对劈裂抗拉强度的提升效果要优于抗压强度，掺量为0.8%的试块较同配比未掺纤维试块的抗压强度提高25.0%，劈裂抗拉强度提高43.1%。当棉秆纤维掺量超过0.8%时，会对陶粒泡沫混凝土抗压强度、工作性能造成不利。故棉秆纤维合理掺量应为0.8%，这样既保证了料浆的流动性，又能充分发挥其增强效果。

2.4 棉秆纤维长度对试块强度的影响

2.4.1 抗压强度（见图3）

图3 棉秆纤维长度对试块抗压强度的影响

由图3可见：（1）随着纤维长度的增加，陶粒泡沫混凝土的抗压强度先提高后降低，在纤维长度为11～15 mm时达到最大值，纤维长度11～15 mm的试块抗压强度相对纤维长度6～10 mm的试块提高3.7%，这是因为，随着纤维长度的增加，纤维首尾相连形成的“空间网络”结构使得纤维之间的搭接、牵连作用更强、结构整体性更好，试块受外荷载作用时受力更加均匀。（2）当纤维长度大于15 mm时，陶粒泡沫混凝土的抗压强度随纤维长度的增加而降低，并且纤维越长抗压强度降低越快。这是因为纤维过长在搅拌过程中容易发生卷曲，纤维卷曲造成试块内部刚度不均匀、局部应力集中部位增多，而且卷曲现象使得纤维在基体中无法形成有效的网状增强受力体系，造成裂缝扩展速度加快。

2.4.2 劈裂抗拉强度（见图4）

图4 棉秆纤维长度对试块劈裂抗拉强度的影响

由图4可见：随着纤维长度的增加，陶粒泡沫混凝土的劈裂抗拉强度先提高后降低，在纤维长度为11～15 mm时劈裂抗拉强度达到最大值，长度超过15 mm时，试块劈裂抗拉强度总体呈下降趋势趋于缓和，且纤维长度11～15 mm的试块劈裂抗拉强度较纤维长度6～10 mm的提高12.5%。这是因为，当纤维长度超过15 mm时，在纤维掺量不变的情况下，纤维卷曲现象造成劈裂截面的纤维平均间距变大，使得劈裂面实际承受拉应力的纤维数量减少而造成劈裂抗拉强度降低。

由上述试验分析可得，11～15 mm的棉秆纤维对劈裂抗拉强度提升效果大于抗压强度。纤维长度超过15 mm时，陶粒泡沫混凝土抗压及劈裂抗拉强度都呈下降趋势，且抗压强度下降幅度更大、更明显。棉秆纤维合理长度应为11～15 mm，这样保证了在最佳掺量下棉秆纤维对陶粒泡沫混凝土强度有进一步提升。

3 结论

（1）聚丙烯纤维对陶粒泡沫混凝土的增强效果最大，玻璃纤维次之，棉秆纤维最小。掺加棉秆纤维后陶粒泡沫混凝土劈裂抗拉强度、拉压比明显提升，混凝土脆性得到有效改善。

（2）棉秆纤维最佳掺量为0.8%，此时，试块的抗压强度较同配比未掺纤维的试块提高25.0%，劈裂抗拉强度提高43.1%。

（3）纤维长度11～15 mm的棉秆纤维对陶粒泡沫混凝土的增强效果最明显。其劈裂抗拉强度较纤维长度6～10 mm的提高12.5%，抗压强度提高3.7%。

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The research on mechanical properties of ceramic foamed concrete mixed with cotton straw fiber

WANG Kang，CHEN Guoxin，LI Jianhua，WAN Chaoyang，CHEN Lei
（College of Hydraulic and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

In view of low strength，large brittleness，easy to crack and other defects of foamed concrete，the experiment was made by comparing the reinforcement effect of mechanical properties by cotton straw fiber，glass fiber and polypropylene fiber.Further research cotton straw fiber content and fiber length impact on the ceramic foamed concrete compressive and splitting tensile strength，and determine the optimal content and length.The results indicate that the reinforcement effect of ceramic foamed concrete strength by polypropylene fiber is the biggest，and adding cotton fiber into ceramic foamed concrete can effectively improve its strength.The optimal content of cotton stalk fiber is 0.8%，compared with the same ratio undoped fiber specimen，its compressive strength of ceramic foamed concrete increased 25.0%，splitting tensile strength increased 43.1%.The cotton stalk fiber of 11～15 mm is the optimal fiber length which reinforcement effect of ceramic foamed concrete strength is the most obvious.

ceramicfoamedconcrete，cottonstrawfiber，fibercontent，fiberlength，compressivestrength，splittingtensile strength

TU528

A

1001-702X（2016）07-0113-04

国家自然科学基金项目（11242007）；新疆维吾尔自治区优秀青年科技创新人才培养项目（2014721012）；中国科学院“西部之光”人才培养计划项目（RCPY201208）

2015-12-22；

2016-01-25

王康，男，1989年生，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生。