黄麻纤维对混凝土塑化性能和物理力学性能的影响

孙海龙

(新疆阿勒泰地区青河县水利总站,新疆 青河 836200)

1 概 述

混凝土在强度、耐久性和经济性方面优于其他建筑材料,但由于其抗拉能力弱、抗裂性能差等缺点,严重限制了应用范围。针对混凝土这一脆性特点,使用纤维增强混凝土通常被认为是一种合理方案。将纤维加入到混凝土中,可以有效增强混凝土的抗拉强度。其中,钢纤维在混凝土中应用最为广泛[1],但钢纤维易腐蚀。为解决这一问题,合成纤维通常被作为一种替代品,而合成纤维的制造是相当昂贵和耗能的。在这种情况下,天然纤维则被认为是生产纤维增强混凝土的潜在替代纤维。用天然纤维增强混凝土是利用天然纤维直径小、不连续、离散的随机分散在混凝土基体中的这一特点。天然纤维在环境、经济、能源和资源节约方面具有优势,此外,它还可以减少生产混凝土的骨料和水泥用量。

天然纤维根据来源,可以分为三大类:植物纤维、动物纤维和矿物纤维。在这些纤维中,植物纤维是首选[2]。因为植物纤维比动物纤维具有更高的强度和刚度,而且纤维素基植物纤维由于其低密度、高拉伸性能和特殊的微结构[3],可为混凝土提供增强剂的效果。

在不同种类的纤维中,黄麻是价格低廉、最耐用的天然纤维之一,在我国广泛存在。黄麻作为一种天然纤维,具有高拉伸强度、中等耐火性能、生物降解性、可再生性、可循环利用性和生态友好性等优点[4],使其优于其他纤维。

早期的研究报道,在混凝土中加入未经处理的黄麻纤维,会对混凝土[5]的坍落度产生不利影响。在混凝土中添加低含量的未处理黄麻纤维,可以改善硬化混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度、韧性、延性和断裂机制[6]。到目前为止,还没有对处理过的黄麻纤维拌合的混凝土进行塑化性能和物理力学性能的研究。

2 研究意义

在混凝土混合料中掺入纤维能有效提高混凝土的各项性能指标,混凝土混合料中加入黄麻纤维的概念是最近的趋势。到目前为止,关于黄麻纤维对混凝土塑化性能和物理力学性能的研究较少。因此,研究黄麻纤维对混凝土的影响有着重要意义。

本文使用纤维体积掺量0.00%、0.25%、0.50%和1.00%以及纤维长度10和20mm的黄麻纤维,制备8组不同配比的混凝土,对新拌混凝土坍落度进行测量;制备混凝土柱和混凝土梁,测量7、28和90天混凝土柱的抗压强度、28和90天混凝土柱的抗拉强度以及28天混凝土梁的抗折强度,对数据进行纪录并进行分析,以确定黄麻纤维不同长度和不同体积掺量对混凝土塑化性能和物理力学性能的影响。

3 试验方案

3.1 水 泥

复合硅酸盐水泥是我国使用最广泛的胶凝材料之一。本文使用相对密度2.87、28天抗压强度42.1MPa(即42.5n的强度等级)复合硅酸盐水泥。水泥中,硅酸三钙的质量占比49.7%,硅酸二钙的质量占比25.1%,铁铝酸四钙的质量占比11.2%,氧化镁质量占比小于3.5%,三氧化硫质量占比小于3.5%,烧失量0.8%,游离氧化钙质量占比1.0%。

3.2 骨 料

在本研究中,选用当地的石材和河砂用作粗骨料(CA)和细骨料(FA)。天然粗骨料的最大粒径和公称最大粒径分别为25和19mm,天然河砂最大粒径4.83mm。采用国标测定各集料组的物理特性,结果见表1。根据国标进行筛分分析,得到骨料的粒径分布,结果见图1。

图1 粗骨料和细骨料的粒径分布

表1 粗骨料和细骨料的物理性质

3.3 黄麻纤维

用未经处理的黄麻作纤维来制备黄麻纤维增强混凝土。黄麻纤维长约1.0～2.0m,颜色金黄,黄麻纤维的直径、密度和抗拉强度分别为0.10mm、1.45g/cm3和480 MPa,并将黄麻纤维切割成10和20mm两种不同的长度。

3.4 配合比设计

添加纤维体积掺量0.00%、0.25%、0.50%和1.00%以及纤维长度10和20mm的黄麻纤维,研究不同长度和不同体积掺量对混凝土塑化性能和物理力学性能的影响。对于所有混凝土混合料,保持水灰比(w/c)为0.42、砂率(s/a)为0.34不变,制备8组混凝土。用于坍落度试验、制作混凝土圆柱体和混凝土梁的混凝土拌合物成分见表2。

3.5 试验测试

根据表2中的8组配合比,共制备0.10 m3混凝土进行坍落度试验。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016 ),浇注15个混凝土圆柱(直径10cm×高20cm),用于抗压强度试验和劈裂试验;浇筑4根混凝土梁(长15cm×宽15cm×高55cm),用于抗折试验。24h之后,试件脱模,常温下浸水养护。对混凝土柱分别进行7、28和90天的抗压强度测试以及28和90天的劈裂测试;对混凝土梁分别进行28天的抗折强度测试。

4 结果和讨论

4.1 坍落度

混凝土坍落度试验是衡量混凝土稠度以评估新拌混凝土和易性的试验方法,是混凝土塑化性能的重要参数。为了探讨黄麻纤维的掺入对混凝土塑化性能的影响,在各组混凝土拌和过程中测定混凝土混合料的坍落度,并将黄麻纤维的体积和长度对新拌混凝土坍落度的影响绘制成曲线,见图2。

图2 黄麻纤维的体积和长度对混凝土坍落度的影响

由图2可以看出,混凝土中黄麻纤维的掺入降低了混凝土的流动性,导致坍落度减小。其原因可能是由于黄麻纤维比表面积高、直径较小所致,而且黄麻纤维的亲水吸湿特性有助于降低坍落度。图2还显示,混凝土掺入较高长径比(纤维长度20mm)的黄麻纤维和较低纤维含量(纤维体积为0%和0.25%)时,对坍落度的影响相对较小。此外,对于一定体积的黄麻纤维,较短的长度(纤维长度10mm)拥有更多的纤维,从而对混凝土的坍落度产生较大的影响。

4.2 抗压强度

通过压缩试验,将黄麻纤维体积和长度对混凝土抗压强度的影响绘制成曲线,见图3和图4。由图3和图4可以看出,混凝土的抗压强度随着养护龄期的增加而增大。黄麻纤维掺量对混凝土抗压强度的影响因纤维长度、体积和养护龄期的不同而不同。在第7天,掺入长度为10mm、纤维体积为0.25%和0.50%的黄麻纤维时,混凝土抗压强度大于素混凝土抗压强度;掺入长度为20mm、纤维体积为0.25%的黄麻纤维时,抗压强度大于素混凝土抗压强度。究其原因,纤维桥接作用使混凝土横向变形停止,抗压强度提高。此外,以较低体积添加纤维,可使混凝土拌合料之间牢固结合并形成完整的整体。但当纤维体积达到1%时,掺入长度为10和20mm的黄麻纤维混凝土,其7、28和90天的抗压强度都会降低,并且掺入长度为20mm、0.5%体积参量的黄麻纤维时,混凝土抗压强度也出现了下降。表明较低含量的黄麻纤维使混凝土的性能得到改善,较高含量的黄麻纤维会使混凝土中的孔隙增加,导致抗压强度下降。同时,纤维长度过大,会导致纤维在混凝土中分布不均匀,同样也会导致抗压强度降低。

图3 纤维长度10mm时纤维含量对混凝土抗压强度的影响

图4 纤维长度20mm时纤维含量对混凝土抗压强度的影响

4.3 抗拉强度

通过劈裂试验,将黄麻纤维体积和长度对混凝土柱28和90天抗拉强度的影响绘制成曲线,见图5和图6。由图5和图6可以看出,黄麻纤维掺入对混凝土的抗拉强度没有显著影响。而黄麻纤维长度为10和20mm时,当纤维含量从0%增加至0.50%时,混凝土的抗拉强度均呈上升趋势;超过该比例,则呈下降趋势。纤维含量为0.50%、纤维切割长度为10和20mm时,抗拉强度分别比素混凝土提高15%和24%。在90天,当纤维切割长度为10mm时,混凝土的抗拉强度进一步增加。总体而言,在劈裂试验中,0.50%的纤维体积掺量为最优体积掺量,20mm的切割长度比10mm的切割长度抗拉效果更好。掺入长度10mm的黄麻纤维对抗拉强度影响不显著,可能是由于黄麻纤维长度较短,无法起到有效的桥梁作用,从而无法限制裂缝在混凝土上的扩展。

图5 黄麻纤维的体积和长度对28天养护龄期混凝土抗拉强度的影响

图6 黄麻纤维的体积和长度对90天养护龄期混凝土抗拉强度的影响

4.4 抗折强度

通过抗折试验,将黄麻纤维的体积和长度对混凝土梁抗折强度的影响绘制成曲线,见图7。由图7可以看出,黄麻纤维掺合物对混凝土梁的抗折无明显提高。当掺入长度10mm、纤维含量0.50%的黄麻纤维时,混凝土的抗折强度提高近6.0%;掺入长度为20mm、纤维含量为0.25%、0.50%和1.00%的黄麻纤维时,抗折强度均有所降低。结果还表明,当纤维含量为1.0%时,无论掺入纤维长度为10或20mm的黄麻纤维,对混凝土的抗折强度均有不利影响。

图7 黄麻纤维的体积和长度对混凝土抗折强度的影响

5 结 论

1)混凝土的坍落度随着混凝土中黄麻纤维含量的增加而减小。与长度为20mm的黄麻纤维相比,长度为10mm的黄麻纤维制备的混凝土对坍落度的影响更大。

2)抗压强度的发展随养护龄期的增加而增强。无论黄麻纤维长度如何,添加少量0.25%的黄麻纤维均能增强混凝土的抗压强度。在黄麻纤维掺量为1.00%时,混凝土的抗压强度明显降低。而0.50%黄麻纤维对混凝土抗压强度的影响因黄麻纤维长度的不同而不同;长度为10mm的纤维对抗压强度有积极影响,而长度为20 mm的纤维对抗压强度有负面影响。

3)总体而言,黄麻纤维的添加对混凝土28和90天的抗拉强度影响不显著。当黄麻纤维含量较低(0.25%和0.50%)时,混凝土的抗拉强度略高于不含黄麻纤维或黄麻纤维含量较多(1.00%)的混凝土。

4)无论纤维含量如何,长径比为200(纤维长度20 mm)的黄麻纤维对混凝土抗折强度均有不利影响。当使用长径比为100(纤维长度10 mm)的黄麻纤维时,黄麻纤维对抗折强度的影响主要取决于黄麻纤维的体积。当黄麻纤维用量为0.5%和0.25%时,抗折强度增加的幅度最大;而当黄麻纤维用量为1.00%时,抗弯强度下降。