剑麻纤维混凝土力学性能试验研究

俞亚楠，卢小雨,2*

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001)

随着混凝土材料的广泛应用，其对环境的影响越来越受到人们的重视，如何研制高性能、环保的绿色混凝土，是现在研究的一个主要课题。而天然植物纤维正好可以满足这一需求[1-3]，其来源丰富，物美价廉，可以循环利用。

因剑麻纤维具有拉伸效果好、抗酸碱腐蚀以及满足循环经济等要求[4]，在分析剑麻纤维混凝土(Sisal Fiber Concrete，SFC)的力学性能中具有可操作性；董健苗等[5]将一定掺量的剑麻纤维和聚丙烯纤维加入到C40自密实轻骨料混凝土中，由抗冻融循环试验及抗压强度线性回归模型,探索纤维质量损失的变化规律；王雪等[6]发现一定掺量剑麻纤维可增强混凝土的抗压强度，其中掺量为2 kg/m3时其抗压强度达到最佳；包惠明等[7]发现剑麻纤维在最佳掺量范围内，混凝土工作性、劈裂抗拉强度、抗折强度、抗干缩和抗冲击等性能处于最优水准；刘存鹏[8]对不同龄期剑麻纤维增强珊瑚混凝土试件的强度进行回归分析,由相对抗压强度和龄期的关联得出其抗压强度的变化趋势；赵洪等[9]发现随着剑麻纤维掺量的递增，活性粉末混凝土的跨中位移、开口位移、断裂能和延性指数均显著提高。

相比以上研究，本文以剑麻纤维体积掺量为变量，进行抗压、劈裂抗拉以及抗折试验，来确定剑麻纤维的最佳掺量范围。在此基础之上进行SFC抗冲击试验，探究剑麻纤维掺量与混凝土抗冲击性能之间的关系，为SFC的大规模应用提供理论支撑和参考准则。

1 试验准备

1.1 原材料

因考虑到水泥用量及其成本，本试验选用淮南市八公山牌普通硅酸盐水泥，水泥等级为P.O42.5；粗骨料为 5～20 mm连续级配碎石，按C30混凝土等级进行配比；细骨料为淮河中砂；选用广西龙州强力麻业有限公司生产的剑麻成品，用剪刀剪成10～15 mm的短剑麻后，用浓度为1%的NaOH溶液浸泡30 min，清洗干净，自然晾干，剑麻纤维特性参数如表1所示。剑麻纤维外观如图1所示。

图1 剑麻纤维外观

表1 剑麻纤维的性能指标

1.2 试验方案

为更好分析SFC的力学特性，本次试验在参考国内外相关文献的研究结果下，将剑麻纤维分别以不同掺量加入C30普通混凝土中进行相关试验。试验主要分成两部分：①将剑麻纤维以0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%的体积掺量加入到混凝土中，进行抗压性能、劈裂抗拉性能以及抗折性能相关试验，共计5组，一共45个试块；②制作同等掺量的抗冲击试块，进行落锤冲击试验，共计5组，有30个试块。

1.3 试验配合比及试验方法

基于一系列室内配比试验，设计配合比如表2所示，其中SFC代表剑麻纤维混凝土。

表2 剑麻纤维混凝土配合比(单位：kg/m3)

根据混凝土类型和其力学试验要求，选择抗拉压试件大小为100 mm×100 mm×100 mm，抗折试件为100 mm×100 mm×400 mm，落锤冲击试件模具直径为152 mm、厚度为63.5 mm，并带有底膜；混凝土试块制作过程为：按比例配置材料→搅拌机搅拌均匀→将均匀的混合料倒入模具中→振动去泡→养护24 h拆模→标准养护28 d；养护后开展性能试验测试。

2 试验结果及分析

2.1 静态力学强度试验结果

各组SFC抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度结果如表3所示。素混凝土(PC)抗压破坏形态以及SFC抗压破坏形态分别如图2、3所示。

表3 各组SFC参数

图2 PC抗压破坏形态 图3 SFC抗压破坏形态

(1)SFC抗压强度试验结果分析。结合图2、3可知，PC在加载过程中，其表面开始会出现剥皮，并出现一些竖向裂缝，随后这些裂缝将逐渐扩展，并在外加荷载达到最大时，试件会毫无征兆地崩裂；而掺入剑麻纤维后受压破坏形态明显改善，试件达到极限抗压强度后出现细小裂缝但没有贯穿，更不会发生突然地破坏，仍具有一定的抗压能力。

SFC抗压强度折线图如图4所示。由表3和图4可知，SFC抗压强度与其掺量整体上保持先增后减的趋势，同时与PC相比，当剑麻纤维掺量为0.45%时，其抗压强度为最大值，增幅达到2.53%，而后随掺量提高，其抗压强度出现小幅降低。

图4 SFC抗压强度折线图 图5 SFC抗压强度应力-应变曲线图

SFC抗压强度应力-应变曲线图如图5所示。由图5可知，当SFC受外荷载作用时，刚开始一小段应力应变曲线接近于直线，此时应为弹性阶段；而后曲线由直线变为上凸的曲线，呈现出了非线性特征，此时试件内部的裂纹开始扩展，纤维开始发挥作用，有效抑制了裂纹的扩展；随着荷载不断增加，当应力临近峰值时，此时混凝土内部的纤维作用效果更加突出，延缓了基体间裂纹的扩展，有效提高了峰值点的应变；而超过峰值应力时，依旧残存部分应力，这是因为经过峰值应力后，纤维的衔接作用使之对混凝土的约束增强，提高了混凝土的延性。

由以上试验结果可知，通过加入一定掺量的纤维，可以抑制混凝土压缩时产生的横向变形，延缓混凝土破坏过程，在一定程度上提高混凝土的压缩性；而当纤维含量超过最佳掺量时，其界面薄弱部分明显增多，则混凝土受到荷载作用后，因纤维与混凝土中的粘接力减弱，从而削弱了其对混凝土基材的强化效果。

(2)SFC劈裂抗拉强度试验结果分析。PC劈裂抗拉破坏形态如图6所示，SFC劈裂抗拉破坏形态如图7所示。结合图6、7可知，当达到极限承载力时，素混凝土试件会立刻劈成两半，并生成一条深裂缝段；而掺有剑麻纤维的混凝土试件中，表面会形成一条弯曲的主裂缝，裂缝宽度较细，周围会有一些很小的裂缝，并且破坏后试件仍较为完整。

图6 PC劈裂抗拉破坏形态 图7 SFC劈裂抗拉破坏形态

SFC劈裂抗拉强度折线图如图8所示。由表3和图8可知，当剑麻纤维掺量不断增加，混凝土劈裂抗拉强度也表现出先升高后下降的变化规律，同时当其掺量为0.45%时，混凝土劈裂抗拉强度增幅最大,达到19.08%，而当剑麻纤维掺量超过0.45%时，混凝土劈裂抗拉强度出现下降趋势。

图8 SFC劈裂抗拉强度折线图

由试验结果可以看出，在纤维到达最佳掺量前，纤维掺量与混凝土劈裂抗拉强度整体上满足正相关规律，这是因为混凝土中分布的纤维可承担一部分拉荷载，可延缓裂缝扩展速度，同时裂缝间隙也存在一部分残余应力；而随着荷载不断增加，逐渐扩展的裂缝使间隙处的残余应力逐渐减少，但由于纤维具有变形的特性，其在折断或被拔出之前，可以继续承受横截面的荷载作用，可增强混凝土的抗拉强度；而当纤维掺量超过最佳掺量时，很难让纤维在混凝土中均匀分布，纤维和混凝土基体的微裂缝数量增加，容易产生应力集中等现象，减弱了纤维的强化效果；但由于纤维增强混凝土的拉伸作用仍大于其弱化作用，其劈裂抗拉强度仍高于素混凝土。

(3)SFC抗折强度试验结果分析。PC抗折破坏形态如图9所示，SFC抗折破坏形态如图10所示。结合图9、10可知，当受到外荷载作用下，素混凝土试件的抗折强度较低，破坏过程较短，试件迅速裂成两半，同时在加载区域边缘底部位置出现一系列纵向小裂纹，然后迅速发展为宽裂纹，破坏特征比较明显；而掺入剑麻纤维的混凝土试件，在加载过程中，边缘底部会生成一条很细的纵向裂缝，然后裂缝沿倾斜方向随机发展，最后上下开裂，直至试件破坏；但与PC相比，其裂缝明显较细，无断裂，并且在加载过程中未听到试件开裂的响声，可见纤维对混凝土抗折强度起到了明显的增韧作用。

图9 PC抗折破坏形态 图10 SFC抗折破坏形态

SFC抗折强度折线图如图11所示。由表3和图11可知，SFC抗折强度整体上与其掺量呈现出先增后减的趋势，同时当剑麻纤维掺量为0.45%时，与PC相比，其抗折强度提升幅度最优，为14.67%。

图11 SFC抗折强度折线图 图12 SFC抗折强度荷载-位移曲线图

SFC抗折强度荷载-位移曲线图如图12所示。由图12可知，SFC荷载-位移曲线整体上满足先上升后下降的变化规律，刚开始荷载增速很快，但随着位移不断增加，增速逐渐减缓，当荷载达到峰值荷载时，曲线斜率接近于零，接着荷载随位移增加反而逐渐减少，但仍有部分荷载；在其掺量达到最佳时，峰值荷载同时达到最大，为12.26 kN。

与混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度类似，在进行混凝土抗折强度试验中，由于混凝土基体内部本身存在着微裂缝，一方面，加入纤维可减少微裂缝的数量，缩减裂缝宽度，并降低端部应力集中的现象；另一方面，试验中纤维阻止了微裂缝的扩展，当混凝土断裂时，截面两侧的纤维起到拉伸作用，可有效缩减断面之间的距离，避免进一步破坏混凝土试件。

2.2 SFC抗冲击试验结果

材料的抗冲击性能为其受到一次或多次迅速冲击荷载下，抵抗损伤破坏的能力；本试验选用简易落锤装置，让质量为4.54 kg的铁锤从高度为457 mm处，经中轴线处自由下落，向下不停地冲击，混凝土表面生成第1条清晰可见的裂纹时，定为初裂抗冲击性能，PC和SFC的初裂形态如图13、14所示。另外,考虑到耐冲击次数和抗冲击能量相差幅度不大，则可用抗冲击能量差来表征纤维掺量与混凝土抗冲击性能的关系，更易直观得出剑麻纤维可提升混凝土的抗冲击性能，相关试验结果如表4所示。由表4可知,混凝土抗冲击能量差与剑麻纤维掺量呈现正相关的变化规律，同时当纤维掺量从0.15%增加到 0.6%时，其抗冲击能量差是素混凝土的2.2～8.5倍；其主要原因是剑麻纤维掺入混凝土中，分担了一部分混凝土自身承受的外加荷载，同时吸收了冲击过程中产生的能量，相应改善了混凝土本身受到的损伤破坏，进一步提升了混凝土的抗冲击性能。

图13 PC初裂形态 图14 SFC初裂形态

3 结论

向混凝土中掺入一定含量的剑麻纤维可大幅度提升其劈裂抗拉强度和抗折强度，同时当剑麻纤维含量为0.45%时，提高效果达到最佳,相应增加了19.08%和 14.67%；在落锤冲击性能试验中，与PC相比，掺入剑麻纤维有利于提升混凝土的抗冲击性能，同时当剑麻纤维处于最佳含量范围内时，其抗冲击能量差最大可达到素混凝土的8.5倍；当适量剑麻纤维掺入混凝土中，可削弱基体内部微裂纹的生成，缓解裂缝尖端的应力集中现象，同时承受横截面的外荷载作用，起到一定增强增韧作用，明显提升混凝土的劈裂抗拉性能、抗折性能及抗冲击性能等。