基于响应面法的玉米秸秆纤维混凝土性能*

范灵芝

(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100)

水泥混凝土是目前土木工程施工中使用最多的建筑材料之一,具有成本低、耐久性好、抗压强度高、安全性高、稳定性高等优势[1]。但其韧性差、抗拉强度低、易开裂等缺点制约了发展,为了提高混凝土的延展性和韧性,可以添加纤维进行改善,如钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等,但这些纤维在生产和使用过程中增加了碳排放和工程造价[2-4]。因此,需要寻找廉价的可替代纤维材料。研究表明秸秆纤维代替传统纤维掺入混凝土中,具有类似的改性效果,同时为缓解秸秆资源利用不足提供了新途径。Xie等[5]研究了稻草秸秆纤维不同预处理方式对纤维混凝土性能的影响;Ammari等[6]对比分析了小麦秸秆纤维和钢纤维对混凝土力学性能的影响,指出经处理的小麦秸秆纤维混凝土具有与钢纤维混凝土相似的力学性能;苏强等[7]探讨了棉花秸秆纤维在混凝土中应用的可行性,建立了棉花秸秆纤维混凝土强度预测方程;张文俊等[8]分析了油菜秸秆纤维混凝土的微观结构,认为纤维对混凝土性能的改善主要取决于纤维与水泥砂浆之间良好的附着力和加筋效果;王雪等[9]研究了剑麻纤维掺量、长径比对混凝土力学强度的影响,指出剑麻纤维可显著提高混凝土的力学性能,并提出了剑麻纤维在混凝土中应用的最优掺量。

上述研究为天然纤维混凝土的推广应用奠定了坚实的理论基础,但鲜有研究涉及玉米秸秆纤维在混凝土中的应用。鉴于此,作者研究了玉米秸秆纤维在混凝土中应用的可行性及最优工艺参数,采用该参数成型纤维混凝土试件,与普通混凝土进行对比分析,结果证明秸秆纤维可有效增强混凝土延展性和韧性,可为秸秆纤维混凝土的推广应用提供一定指导。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

玉米秸秆：10月份宝鸡市野外采集,干燥,浸水后制作玉米秸秆纤维。

NaOH溶液：天津市康科德科技有限公司。

液压万能试验机：WAW-600D,勤志达(山东)试验仪器有限公司;高速剪切破碎机：GF3855,江阴市广福机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 玉米秸秆纤维的制备

玉米秸秆纤维的制备通常采用机械破碎法,对收集的玉米秸秆去皮去芯后浸水3～4 h备用,使用高速剪切破碎机提取玉米秸秆纤维。将玉米秸秆纤维制备为5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm3种长度,使用不同质量分数NaOH溶液浸泡18h后取出晾干备用。

1.2.2 纤维混凝土的制备

参照《普通混凝土配合比设计规程》[10]进行水泥混凝土配合比设计,按以下3个步骤制备玉米秸秆纤维混凝土。(1)将水泥和集料混合,40 r/min搅拌1 min;(2)将一半的减水剂和水加入水泥和集料中,40 r/min搅拌1 min,将剩余的一半水和减水剂加入到混合物中,60 r/min搅拌1 min;(3)根据实验方案将纤维加入到混合物中,80 r/min搅拌3 min。混合料完成后,立即进行坍落度测试以检查水泥混合料的施工和易性。

1.2.3 实验方案

以秸秆纤维长度(A)、φ(纤维)(B)、w(NaOH)(C)为变量构建三因素三水平响应面实验,水平因素设计见表1。参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[11]成型试件测试混凝土抗弯拉强度,分析玉米秸秆纤维混凝土最佳参数工艺。基于最佳参数测试混凝土的抗压强度、抗折强度,并与未掺纤维的普通水泥混凝土进行对比,所有力学实验选用液压万能试验机进行测试。

表1 水平因素设计表

2 结果与讨论

2.1 响应面实验

桥面和路面混凝土使用时一般要求混凝土材料能够承受足够的弯曲应力,而韧性差、抗拉强度低是混凝土显著的缺点[12-13]。与此同时,纤维的阻裂作用可以抑制混凝土中微小裂缝的发展,吸收裂缝继续扩大所需的能量,从而提高混凝土的弯曲性能,因此以抗弯拉强度为响应指标进行工艺参数优化。通过Design-Expert软件的Box-Behnken设计寻求3种影响因素最优组合方案,实验结果见表2。

表2 玉米秸秆纤维强度Box-Behnken优化实验结果

借助Design-Expert软件对表2中实验结果进行拟合,残差正态概率分布及实际预测值相关性见图1。由图1可知,拟合方程预测R2和调整后R2均大于0.95,且响应值的残差序列点呈正态分布在一条直线附近,模型预测值与实际值线性相关,说明构建的响应模型拟合效果较好,具有良好的可靠性。

a 内部标准化残差

不同工艺参数对玉米秸秆纤维混凝土抗弯拉强度交互影响的响应面曲线见图2。

a 纤维长度与φ(纤维)的交互作用

由图2可知,每2种因素对混凝土抗弯拉强度的交叉影响均较显著,3种响应面均呈凸形且等高线为闭合的椭圆形,说明任意两者之间对混合料抗弯拉强度均有较强的交互作用并存在极值。分析原因可知,适当长度及适量的玉米秸秆纤维均匀分布在混凝土中,在其内部形成的网状结构起到了良好的加筋作用,增大了混凝土集料水泥石界面的内摩阻力和断裂能,并经过适量的NaOH溶液改性后,与水泥具有了更好的黏结性,说明碱溶液处理后的秸秆纤维有助于传递和分散混凝土在受力过程中的应力,阻碍裂缝的发展,有效提高混凝土的抗弯拉强度。而过长或过量的玉米秸秆纤维易在拌合过程中结团,不利于纤维在混凝土中的加筋效果,甚至对混凝土施工和易性造成严重负面影响。

使用NaOH改性后,玉米秸秆纤维可以细化孔隙结构,提高秸秆纤维的纤维素比、长径比和拉伸强度,降低纤维的吸水率,w(NaOH)>2.6%,过量的NaOH存在于反应后的界面过渡区,导致致密性降低、松散性提高,降低纤维混凝土的抗弯拉强度。w(NaOH)恒定时,混凝土的28 d抗弯拉强度随φ(纤维)增加先增大而降低。另一方面,NaOH处理后可以缓解混凝土抗弯拉强度随φ(纤维)增加而降低的现象。

根据响应面实验及三维曲面结果,综合分析3种因素对抗弯拉强度的影响,Design-Expert软件确定的最优参数为φ(纤维)=2.9%、纤维长度10.5 mm、w(NaOH)=2.6%,此时抗弯拉强度为5.1 MPa。以此参数成型试件进行力学实验,研究纤维改性水泥混凝土力学性能。

2.2 力学性能测试

2.2.1 抗压强度

最佳工艺参数下玉米秸秆纤维对混凝土抗压强度的影响见图3。

养生龄期/d图3 玉米秸秆纤维对混凝土抗压强度的影响

由图3可知,与普通混凝土相比,纤维混凝土的抗压强度略有下降,但下降幅度较小。主要原因在于立方体抗压实验过程中,混凝土内部的薄弱面会率先产生应力集中导致试件破碎,而玉米秸秆纤维的掺入在一定程度上扩大了薄弱区域。同时水泥水化过程产生的高碱性环境会破坏秸秆纤维的结构。此外,秸秆纤维具有光滑的蜡质层和很强的吸水性,水泥水化完成后,纤维在水泥水化和硬化过程中的收缩率扩大,导致纤维-水泥界面过渡区的孔隙率较大,水泥基的界面位置出现较大的干燥收缩裂纹,纤维-水泥界面过渡区密度低,会削弱纤维与水泥基体的结合,导致混凝土的抗压强度降低。有研究表明,与传统的人造纤维相比,秸秆纤维由于其固有的多孔结构和抑制水泥水化而降低了纤维增强混凝土的力学性能[14-17]。

2.2.2 抗折强度

最佳工艺参数下玉米秸秆纤维对混凝土抗折强度的影响见图4。

养生龄期/d图4 玉米秸秆纤维对混凝土抗折强度的影响

由图4可知,与普通混凝土相比,各龄期下纤维混凝土的抗折强度均有明显提升,3、7和28 d龄期下纤维混凝土的抗折强度分别提升12.9%、13.9%及14.3%。尽管纤维的掺入会增大混凝土内部薄弱界面,理论上会对抗折强度产生负面影响,但抗折强度仍有提升可归因于纤维形成的网状结构为混凝土提供了更强的延展性,同时水化产物水化硅酸钙(CSH)凝胶紧紧包裹在秸秆纤维表面,有效地弥补了秸秆纤维掺入引起的内部孔隙增加和混凝土密度低的缺陷。秸秆纤维和水泥紧密结合,可以提高复合材料的整体密度。此外,NaOH溶液的改性为纤维提供了强大的表面,可以促进界面过渡区水泥的水化,在界面过渡区生成更致密的CSH凝胶材料。当混凝土承受弯曲荷载时,由均匀分布的秸秆纤维在混凝土中组成的网状结构可以消耗部分能量延缓裂缝尺寸的发展,并从宏观上进一步增强混凝土的抗折性能。

3 结 论

通过响应面实验讨论了玉米秸秆纤维对水泥混凝土抗弯拉强度的影响,并基于优化的工艺参数研究了秸秆纤维对混凝土力学性能的影响,结论如下。

(1)以抗弯拉强度为响应指标,w(NaOH)、秸秆纤维长度和φ(纤维)为变量,构建的三因素三水平响应模型拟合效果较好,具有良好的可靠性,可用于评价不同因素对混凝土延展性的交互影响规律。

(2)根据响应面实验,确定最优参数为φ(纤维)=2.9%、纤维长度10.5 mm、w(NaOH)=2.6%,此时抗弯拉强度为5.1 MPa。

(3)在最优参数下,与普通混凝土相比,纤维混凝土立方体抗压强度有所下降,但平均抗折强度显著提高约13.7%。