竹纤维含量对混凝土强度影响的试验研究

杨 凌，陈 强，谢兴华，李先民，包燕敏

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

0 前 言

竹纤维的原料是竹子，它是一种速生材，一年即可生长成型，2～5年成熟后可砍伐使用。在不同环境下生长的竹子多达1 500种，主要种植在山地、坡地[1]。我国第九次全国森林资源清查结果显示,我国竹林面积为641.16万hm2,占森林面积的2.94%,其中毛竹林467.78万hm2、占竹林面积的72.96%[2]。针对我国丰富的竹资源，国内学者对竹资源的应用做了大量的研究。世界上很早就有人用木料与水泥混合使用[3]，随后有人用竹材来增强水泥[4]，我国1918年就有人用竹材增强水泥建造房顶[5]。虽然竹纤维的抗拉强度不及钢纤维、碳纤维、玻璃纤维与芳纶纤维,但是其断裂延伸率有着显著优势,对混凝土构件韧性的提高有举足轻重的作用[6]。为探寻既能提高混凝土性能又能节约工程成本的纤维混凝土，利用各地丰富竹资源，以竹纤维增强水泥复合材料，既改善混凝土力学性能又能取材方便，应用前景极为广阔。张昌[7]通过建立ANSYS数值分析模型，用数值模拟方法分析纤维混凝土在单轴压、劈拉、弯折作用下的受力性能和破坏过程，与相应试验结果进行比较，进而在试验研究与数值模拟分析的基础上，探讨竹纤维混凝土的受力模型及增强机理,随后又进行了一系列单轴压、劈拉、弯折对比试验,研究了不同掺量和长度的细圆杆型竹纤维对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度的影响,并分析竹纤维混凝土的增强机理,给出了竹纤维混凝土力学性能的建议计算公式[8]。熊灵[9]进行了竹纤维混凝土立方体试块的抗压试验和竹纤维钢筋混凝土梁的正截面受弯试验和斜截面受剪试验,比较了不同竹纤维长度和竹纤维含量情况下,竹纤维的加入使素混凝土试块的抗压强度和钢筋混凝土梁的极限荷载、跨中位移等发生的变化。刘豫等[10]针对竹纤维的机械性能在碱性水泥浆中会逐渐恶化的缺点,对竹纤维表面预涂了乳液并进行了耐久性对比测试，结果表明,加入预处理的竹纤维制备出的水泥基复合材料的力学性能和耐久性得到了显著改善。高山源源[11]设计和制作了竹筋混凝土梁，同时参照钢筋混凝土受弯构件破坏试验，记录试验现象，并测得应变、挠度、承载能力等抗弯性能指标，并运用ANSYS有限元软件对竹筋混凝土梁进行了非线性模拟，与试验结果进行了比较，得出结论：竹筋与混凝土之间的粘结作用的强弱，是试验是否理想以及能否提高抗弯承载力的关键。李昱澄等[12]对比五种不同竹材处理形式的试验,探究出一些有利于提高竹筋混凝土中竹材与混凝土粘结力的方法和措施。徐赫伟等[13]通过对竹筋混凝土配筋率的提高,研究对竹筋混凝土自身抗弯性能的改变。发现在粘结性能较差情况下,提高竹筋混凝土配筋率，并不能有效提高竹筋混凝土的抗折强度,反而强度有所下降。陈翔等[14]对竹纤维混凝土墙板进行了初步研究。研究结果表明:竹纤维大幅度提高了混凝土墙板的抗弯强度，提高了混凝土板的延性,延缓了裂缝的发展。综上所述，在确保竹纤维均匀分散，充分混合和密集振动的条件下，竹纤维将支撑混凝土中的骨料，并减少混凝土表面失水引起的收缩。它还减少了混凝土表面裂缝的发生，这意味着竹纤维混凝土可以承受由表面硬化阶段收缩引起的拉伸应力，从而减小了混凝土的裂缝尺寸和数量。竹纤维对提高混凝土抗弯性能、延缓裂缝发展有着明显的作用，然而如果竹纤维含量和混凝土的比例搭配不当，不仅对抗弯性能的提升不明显，还有可能导致抗压强度降低。另外竹纤维与混凝土的粘结强弱与竹纤维对混凝土抗弯等性能的增强效果有很大影响。以上研究还没有研究竹纤维与混凝土的最佳配合比以及纤维长度对竹纤维混凝土性能的影响规律，本文通过大量竹纤维混凝土和普通混凝土的对比试验，包括试验内容抗压、抗折、抗拉试验，为研究竹纤维与混凝土的合适配比提供了一定的参考作用。

1 竹纤维混凝土及工作原理

1.1 竹纤维混凝土

竹纤维就是采用竹子材料，去除竹节，取中间段，清洗干净后，沿径向破开，切取2～6 cm长的短片，再经过浸泡、干燥等程序，制成的宽控制在3～4 mm的纤维。竹纤维混凝土是用竹纤维增强混凝土的简称，通常是以水泥、砂、石、水为基体，以竹纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料，竹纤维混凝土的组分以水泥为主，竹纤维的掺入量为水泥量的3%～8%。

1.2 竹纤维混凝土工作原理

竹纤维在混凝土中抑制了混凝土早期裂缝的产生及其在外力作用下裂缝的扩展。在竹纤维混凝土受力增大的过程中，刚开始竹纤维与混凝土共同受力，这个时候混凝土是外力的主要承担者，随着外力的不断增加，当混凝土承担的抗拉强度达到极限时，外力的主要承担者由混凝土转变为竹纤维，横跨裂缝的竹纤维将发挥其抗拉优势限制混凝土裂缝的扩展。

2 试验概况

2.1 试验试件材料

1)材料：水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥，素混凝土强度等级C30；粗骨料：河卵石，粒径5～20 mm，表观密度2 720 kg/m3；细骨料：平区河中砂，表观密度2 650 kg/m3；水：自来水；竹筋：由竹签加工厂制成，横截面积约4 mm2，长度规格分别为：2 cm、4 cm、6 cm,见图1。

(a)水泥

2)配合比：混凝土试件基本配合比：水灰比∶0.45，砂率∶0.28，水泥∶石∶砂∶水=1∶3.55∶1.38∶0.45。

2.2 试件制作

首先按所定的基本配合比备料，以全干状态为准。然后将水泥、沙、河卵石、竹筋混合均匀，加水搅拌，搅拌一般符合：拌和物体积为30 L以下时4～5 min；拌合物体积为31～50 L时5～9 min；拌合物体积为31～75 L时9～12 min。再将搅拌均匀的竹纤维混凝土装入模具，并移至振动台振捣。随后将试件在室温(20±2)℃环境中静置24 h，拆模编号。拆模后的试件立即放在标准养护室内养护28d,原材料及标准成型试件见图1。

2.3 竹纤维混凝土性能的测试

抗压强度试验试件尺寸采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，标准养护28 d后，在YES-2000数显式压力试验机上进行抗压强度测试；抗折强度试验试件尺寸采用150 mm×40 mm×40 mm的棱柱试件，标准养护28 d后，在杠杆式抗折试验机上进行抗折强度的测试；劈裂抗拉强度试验试件采用直径150 mm、高300 mm的圆柱体试件，标准养护后试件28 d后，在YES-2000数显式压力试验机上垫上劈裂钢垫条和三合板垫层进行抗压强度测试见图2。

(a)抗压试验

3 试验数据与分析

3.1 试验数据

抗压试验、抗折试验、劈裂抗拉试验均以相同竹筋含量和长度分别为一组，每组试件为3个共10组，30个试件。通过对每组不同竹纤维混凝土以及普通混凝土进行抗压试验、抗折试验、劈裂抗拉试验，对数据进行处理后，得到不同纤维含量以及纤维长度的各项力学强度的平均数值以及每组试件抗压强度最小值，如表1所示。

表1 不同纤维含量以及纤维长度竹纤维混凝土的各项力学性能 单位：MPa

依照表1试验数据可知，竹纤维的掺入会影响其抗压强度，试验所用混凝土PO42.5普通硅酸盐水泥，素混凝土强度等级C30。由试验可知，竹纤维会降低混凝土的抗压强度，依此竹纤维抗压强度的质量检验标准以素混凝土强度标准低一个等级作为强度标准(例如素混凝土强度等级为C30，则竹纤维混凝土强度需达到C25以上)。

根据《混凝土强度检验评定标准》(GB/T 50107—2010)，此次试验每组混凝土试件数小于10，应采用非统计法评定。

mfcu≥λ3·fcu,k

(1)

fcu,min≥λ4·fcu,k

(2)

式(1)中，mfcu为同一检验批混凝土立方体抗压强度的平均值；fcu,min为同一检验批混凝土立方体抗压强度的最小值。

表2为混凝土强度的非统计法合格评定系数。

表2 混凝土强度的非统计法合格评定系数

依据表1的数据，由非统计法合格评定计算公式(1)和(2)计算，若要评定试件强度合格，则应满足mfcu≥28.75 MPa，fcu,min≥23.75 MPa，由试验数据评定最终结果见表3。

如表3所示，所有竹筋混凝土抗压强度的最小值均达到C25的评定标准值，但是含5%的4 cm竹纤维混凝土、含5%的6 cm竹纤维混凝土、含8%的2 cm竹纤维混凝土、含8%的4 cm竹纤维混凝土、含8%的6 cm竹纤维混凝土试件组的同一检验批混凝土立方体抗压强度的平均值无法达到C25的强度评定标准。由此可知当竹纤维含量为5%时，纤维长度不宜过长，一般应将纤维掺合量控制在5%以内。

表3 混凝土强度评定结果

3.2 试验结果分析

3.2.1 抗压强度试验结果

在控制水泥、砂、石、水等无关变量不变的情况下，改变竹纤维的掺合量以及竹纤维长度，通过立方体抗压强度实验得出竹纤维的掺合量以及竹纤维长度对竹纤维混凝土抗压强度的影响规律。

如图3所示，竹纤维混凝土标准养护28天，在相同纤维长度的情况下，竹纤维混凝土抗压强度随着竹纤维掺合量增加而降低。在相同纤维含量的情况下，竹纤维长度越长，其抗压强度降低幅度越大。竹纤维长度为2 cm和4 cm时，抗压强度与竹纤维含量呈线性变化。当竹纤维含量大于5%时，抗压强度下降超过5 MPa，混凝土强度降低一个等级，因此竹纤维含量不宜大于最大5%。

(a)直方图

3.2.2 抗折强度试验结果

在控制水泥、砂、石、水等无关变量不变的情况下，改变竹纤维的掺合量以及竹纤维长度，通过抗折强度实验得出竹纤维的掺合量以及竹纤维长度对竹纤维混凝土抗折强度的影响规律。试验结果见图4。

(a)直方图

如图4所示，竹纤维混凝土标准养护28 d，在相同纤维长度的情况下，竹纤维混凝土抗折强度随竹纤维掺合量的增加而提高。在相同纤维含量的情况下，竹纤维混凝土抗折强度随竹纤维长度增加而提高。在纤维长度为2 cm，竹纤维含量小于3%的情况下，竹纤维混凝土的抗折强度提升不大。因此竹纤维含量宜大于3%。

3.2.3 抗拉强度试验曲线图

在控制水泥、砂、石、水等无关变量不变的情况下，改变竹纤维的掺合量以及竹纤维长度，通过劈裂抗拉强度实验得出竹纤维的掺合量以及竹纤维长度对竹纤维混凝土抗拉强度的影响规律。

如图5所示，竹纤维混凝土标准养护28天，在相同纤维长度的情况下，竹纤维混凝土抗拉强度随竹纤维掺合量增加而提高，在相同纤维含量的情况下，竹纤维混凝土抗拉强度随竹纤维长度增加而提高，2、4、6 mm的28 d竹纤维混凝土最大抗折强度提高率分别可达32.24%、34.11%、39.71%。

(a)直方图

4 结 论

1)竹筋含量影响混凝土抗压强度最大,当竹纤维含量大于3%下降明显,配制某一标号竹纤维混凝土需提高一个等级。

2)各纤维长度的竹纤维混凝土，随着竹筋掺入量的增加，竹纤维混凝土抗压强度逐步降低，相同竹纤维掺合量下，纤维长度越长，竹纤维混凝土抗压强度降低幅度越大。

3)各纤维长度的竹纤维混凝土，随着竹筋掺入量的增加，竹纤维混凝土的抗折和抗拉强度逐步增加，相同竹纤维掺合量下，竹纤维长度越长，竹纤维混凝土抗折和抗拉强度提高幅度越大。

4)一定纤维长度和掺合量的竹纤维混凝土，虽抗压强度有所降低，但在人为控制下仍可得到抗压强度满足工程需要要求的竹纤维混凝土，竹纤维能使混凝土抗折及抗拉性能明显提高，有助于克服混凝土的脆性弊端，提高其抗震抗冲击和韧性性能，并为充分利用地方材料改善混凝土的综合性能探索新的途径，本文只是阶段性成果，有待于进一步深入研究，为竹纤维混凝土结构设计以及在纤维混凝土结构工程中的应用提供了试验和理论依据。

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