剑麻纤维对再生骨料混凝土性能的影响

顾娟，王楷焘，姜景山，李袁晟，张瑞程

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

随着现代化工业和城市化建设的快速发展，工程建设对材料的需求量越来越大， 随之而来的建筑垃圾的产量也越来越大， 将废弃建筑材料经过加工成为再生骨料， 与混凝土材料混合配置成再生骨料混凝土， 可以有效减少天然砂石资源和混凝土材料的消耗， 同时可以缓解建筑垃圾造成的污染。 剑麻纤维不仅具有来源广、低成本、无污染等天然植物纤维共有的优点，更具有韧性高、抗腐蚀性优、抗拉性好的优点。 将处理后的剑麻纤维适当掺入材料中，可有效提高混凝土的力学性能，如改善抗压强度，提高弹性模量等。

1 再生骨料混凝土的性能研究

1.1 再生骨料混凝土的力学性能研究

研究发现表明，原生混凝土的性质、骨料取代率、骨料破碎工艺方式以及混凝土配合比与再生混凝土的力学性能息息相关。

骨料取代率、骨料形状、水分含量会影响再生骨料混凝土的坍落度，骨料取代率越高，混凝土粘聚力越低，从而使新拌混凝土浇筑时的均质性受到较大影响[1]。

无论是再生粗骨料混凝土还是再生细骨料混凝土，当骨料取代率在30%之前，混凝土抗压强度以及弹性模量几乎没有变化，骨料取代率达到30%之后， 抗压强度及弹性模量将产生明显的下降趋势，且减小速率持续加快。

1.2 再生骨料混凝土的耐久性能研究

与普通混凝土相比，再生骨料混凝土的微观结构有很大的差异。由于骨料表面有很多棱角且多覆盖着已然硬化的砂浆包层，并且由于骨料再利用的处理过程中产生许多微小的裂缝，导致再生骨料有高吸水率、复杂的界面结构等特征，更容易达到临界水饱和度，使混凝土产生冻融破坏。

由于再生骨料混凝土有较大的孔隙率，相较于普通混凝土吸水率更高， 因此更容易被硫酸盐侵蚀，抗侵蚀能力更弱。

综上所述，相较于普通混凝土，再生粗骨料混凝土在力学特质和耐久性能都有明显的缺点。

2 剑麻纤维对再生骨料混凝土性能的影响

2.1 剑麻纤维对再生骨料混凝土力学性能的影响

2.1.1 剑麻纤维对再生骨料混凝土抗压强度的影响

在同等粘结强度条件下，剑麻纤维越长，与再生骨料混凝土试件基体的接触总面积越大，两者之间的存在更优良的粘结性能，在试件受压时，由于横向变形产生约束膨胀的作用更大，因此，再生骨料混凝土具备更高的抗压强度。

剑麻纤维横截面积越小，则试件单位体积内掺入的剑麻纤维数目越多，比表面积越大，与再生骨料混凝土试件接触面更广，具备更高强度的粘结性能，因此抗压强度越大。

但当试件掺入了过多的剑麻纤维，会影响混凝土的密实度，导致纤维与试件基体接触粘结处产生过多的薄弱界面，降低再生骨料混凝土抗拉强度[2]。

2.1.2 剑麻纤维对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

由董建苗[3]等人的试验分析可知，随着剑麻纤维长度的增大，试件劈裂抗拉强度呈现先增大后减小。剑麻纤维长度过短，与试件接触面积减小，粘结强度不足，剑麻纤维自身的抗拉能力难以被充分运用，纤维易于从试件基体中拔出。 剑麻纤维长度过长， 则在混凝土试件配制搅拌时纤维易于成团，不利于剑麻纤维在砂浆中均匀分布，造成试件内存在局部缺陷，同时混凝土流动性降低，再生骨料混凝土工作性能受到影响，劈裂抗拉强度大幅减小。 剑麻纤维长度在10 mm 左右时， 能够均匀分布在试件内部，再生骨料混凝土受拉过程中，在易于发生劈裂张拉的断裂面，剑麻纤维互相搭接，再生骨料混凝土摩擦阻力增大，从而纤维对试件的粘结性能增强，试件的劈裂张拉强度变大。

在同等纤维长度的条件下，剑麻纤维横截面积增大，单丝抗拉强度增大，在试件受拉时，剑麻纤维的抗拉强度能抑制微裂缝的产生和发展。

2.1.3 剑麻纤维对再生骨料混凝土抗弯抗折性能的影响

由董建苗[4]等人的试验研究表明，在试件中掺入剑麻纤维，再生骨料混凝土试件中的裂缝条数明显增多，剑麻纤维横亘在裂纹上，并在再生骨料混凝土试件内形成网状空间的构造，阻碍试件内部生成并发展微裂缝，使其裂缝的间距、宽度显然降低，并且裂缝在试件中分布更均匀。 因此，可以得出掺入剑麻纤维可以有效改善骨料混凝土的破坏形态。

掺入剑麻纤维的骨料混凝土相较于未掺纤维的骨料混凝土， 试件吸收能量的能力得到提高，试件部分拉应力得到有效传递，因此试件的应变增长速率降低。

邵云南[5]等通过室内试验，得到了混凝土试件的良好配合比，同时确定了最优剑麻纤维在混凝土试件中的掺量，将剑麻纤维混凝土与其他纤维混凝土通过试验比对， 当试件在相同的强度条件时，掺入剑麻纤维的试件在配合比中用水量最少，与此同时试件的抗折强度得到有效增强，改善了混凝土试件的稳定性，并且成本较低。

2.2 剑麻纤维对再生骨料混凝土耐久性能的影响

2.2.1 剑麻纤维对再生骨料混凝土抗渗性能的影响

在混凝土中掺入纤维后，剑麻纤维在试件中无序支撑分布，在骨料混凝土内部阻断各种孔隙通道的分布，减弱了混凝土中水分的迁移，同时减小了骨料下沉导致的混凝土离析的可能性，因此，掺入剑麻纤维能够降低再生骨料混凝土的孔隙率，改善试件内部孔结构的分布。 不仅如此，剑麻纤维弹性模量高，提高了基体的抗拉强度，混凝土内部微小裂缝难以进一步发展， 试件的抗渗性能得以增强。

2.2.2 剑麻纤维对再生骨料混凝土抗碳化性能的影响

王亚东[6]等人通过试验发现，在试件中掺入纤维能够提高试件抗CO2侵入的能力，在同等试验环境中， 掺入剑麻纤维的试件CO2含量更少，CO2难以同试件内碱性物质产生化学反应，试件的内部环境不发生改变。

在再生骨料混凝土中掺入剑麻纤维能够有效提高试件的抗碳化性能，但是由于剑麻纤维相对于其他植物纤维，直径比较大、质地比较硬，在试件中形成三维无序分布， 并且纤维与纤维构成网状结构，承担骨架承支的作用。在浇筑试件过程中，难以依靠自身重力使混凝土材料均匀密实填充于模具中，孔隙率在试件中增大，CO2更易于扩散，再生骨料混凝土抗碳化能力要次于掺入其他植物纤维的混凝土。

综上所述，剑麻纤维虽然能够增强再生骨料混凝土的耐久性能，但是由于其自身的特质，效果要次于掺入其他植物纤维的混凝土。

2.2.3 剑麻纤维对再生骨料混凝土抗冻性能的影响

内外部因素同时影响混凝土试件的抗冻性能。主要表现在试件长时间处于潮湿环境中或处于温度变化周期较短且温差较大等条件下，以及试件本身的配合比、密实度、孔隙比和孔隙大小等不同试件质量条件下，骨料混凝土试件的抗冻性能均会受到影响。因此，通过改善混凝土配合比、使用优质合适的原材料和掺料等方法， 同时改善外界环境，能够完善试件的结构，提高试件的抗冻性能。

王亚东等人通过试验得出， 经过多次冻融循环，混凝土试件从表面开始逐渐剥落，在混凝土中掺入纤维能够抑制质量的损失，提高试件的抗冻性能。 通过分析可以得出，由于试件内掺入纤维形成三维乱向的分布形式， 在试件内承担支承作用，在对试件进行冻融循环试验的过程中，可以有效抑制混凝土试件内生成并发展微裂缝，试件内孔隙构造被改善。与此同时，少量气泡被引入至试件内部，在试件内形成较大数量的闭口孔隙，阻断试件内微小通道，使其成为独立的孔洞，同时阻止外液渗入，在试件内凝固膨胀使混凝土结构被破坏。掺入剑麻纤维后，能够在试件受冰水压力时，产生拉应力连接试件，阻碍试件受拉破坏，减少试件受损程度，保持其整体性能，提高其抗冻性能。 但由于剑麻纤维自身缺陷，在浇筑试件时，对试件掺入的骨料和其他材料的沉降影响较大，可能导致孔隙比变大，试件内砂浆和骨料连接松散、分布不均，试件内部结构的完整性受到影响，外液的渗入不能够得到很好地抑制，导致试件抗冻性能相较于掺入聚丙烯纤维较差。

3 结语

与传统再生骨料混凝土相比，纤维再生骨料混凝土构件中含有更少的微裂缝、 更窄的裂缝宽度、更小的孔隙率以及更高的密实度，内部结构更加优化。 由于剑麻纤维自身的物理性质，单掺剑麻纤维的混凝土的性能要次于掺入其他植物纤维的混凝土，由于不同纤维都有其自身的特点和性能，多种纤维同时掺入混凝土即混杂纤维混凝土比掺加单一纤维的混凝土效果更好。 此外，适量的剑麻纤维会对混凝土的性能产生正向影响，过多剑麻纤维则会导致混凝土性能下降。