摘要: 为了了解剑麻纤维掺入混凝土后, 其物理和力学性能的变化规律, 通过对不同掺量剑麻纤维水泥混凝土复合材料的工作性、力学性能、耐久性等进行试验, 发现不同掺量剑麻纤维对剑麻纤维增强水泥基复合材料的坍落度、含气量、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、耐久性等性能的变化情况, 从而确定出最佳剑麻纤维的掺量范围, 为进一步研究剑麻纤维增强水泥基复合材料其它性能及应用提供参考. 通过试验得出在水泥混凝土中掺入剑麻纤维后能提高其抗劈裂抗拉强度和抗折强度.
关键词: 剑麻纤维水泥混凝土复合材料; 物理性能; 力学性能; 干缩性能; 试验研究
中图分类号: TU 528. 041 文献标识码:A
20 世纪60 年代中期, 人们在水泥混凝土中掺入钢纤维形成钢纤维水泥混凝土复合材料[ 1 ] (也称为钢纤维水泥混凝土). 随着钢纤维水泥混凝土复合材料的广泛应用, 在研究钢纤维水泥混凝土复合材料增强机理时, 人们发现纤维与混凝土之间的密切关系, 引发了各种不同类型的纤维增强水泥混凝土复合材料的发展. 特别是近些年来人工合成纤维的问世, 纤维增强水泥混凝土复合材料呈现出品种多样、各具特色、用途广泛的特点.但是, 各种人工合成纤维的生产需要耗费大量的石化能源, 随着国际原油价格的上涨, 人工合成纤维的成本大幅度上扬. 为了降低纤维增强水泥混凝土复合材料的生产成本, 人们开始研究利用各种天然植物纤维替代人工合成纤维. 植物纤维增强水泥混凝土复合材料的研究和应用愈来愈受到世界各国的重视[ 2 ] , 植物纤维增强水泥混凝土复合材料不仅成本较低, 而且有利于环境保护和可持续发展[ 3 ].
剑麻纤维是各种植物纤维中的一种, 与其它植物纤维相比, 剑麻纤维具有质地坚硬、富有弹性、拉伸强度高、耐摩擦、耐低温等特点之外, 还具有纤维长、色泽洁白、耐海水腐蚀等诸多特性. 本试验研究主要对掺入不同掺量的剑麻纤维后水泥混凝土的工作性、力学性能和耐久性等方面进行研究, 从而寻找和发现剑麻纤维掺量与混凝土各种性能变化的关系, 为剑麻纤维增强水泥混凝土复合材料(简称剑麻纤维混凝土) 的应用提供依据和参考.
1 试验原材料
( 1) 水泥. 试验采用广西华润红水河水泥公司生产的红水河牌P. O 42. 5R 级普通硅酸盐水泥, 其化学成分如表1, 各项性能指标满足规范要求.
(2) 砂. 中粗河砂, 连续级配, 细度模数2. 80,表观密度为2 587 kg/m 3, 各项性能满足规范要求.
(3) 石子. 5～ 25 mm 碎石, 连续级配, 各项性能满足规范要求.
(4) 外加剂. 某公司生产的UN F-5H 为主高效减水剂, 减水效率大于13% [ 4 ].
( 5) 剑麻纤维. 试验采用广西剑麻集团生产的剑麻纤维, 其性能如表2. 由于剑麻纤维是天然纤维, 其直径大小不同, 大约在100～ 200 Lm 之间. 同时, 剑麻纤维表面粗糙, 有很多竖向的条纹,有利于增大剑麻纤维与水泥浆体之间的接触面积, 从而增加剑麻纤维在水泥混凝土里的粘结性能[ 5 ].
2 试验配合比
本试验采用的剑麻纤维长度为(10±2) mm ,为了清除剑麻纤维上的杂质, 先将剑麻纤维放入含1% N aOH 溶液中浸泡30 m in 后用清水洗净、晾晒. 剑麻纤维混凝土配合比参照《普通混凝土配合比设计规程》, 分别掺入0. 0, 1. 5, 3. 0, 4.5,6.0 kg/m 3 剑麻纤维, 混凝土的设计强度等级为C40, 其设计配合比如表3.
试件的制作是采用强制式混凝土搅拌机拌和, 在振动台上振动密实成型. 24 h 后拆模, 立即搬入养护室养护. 养护室的温度为(20±2) ℃, 相对湿度为95% 以上, 室内温湿度均匀. 试件放在试件放置架上, 加湿方式为雾化加湿.
3 性能试验
3. 1 工作性试验
水泥混凝土拌合物工作性是指水泥混凝土混合料在一系列施工工序(拌和、运输、浇灌、振捣)不发生离析、泌水的现象[ 6, 7 ]. 剑麻纤维掺入水泥混凝土, 减少了水泥混凝土的表面析水, 纤维的网状分布也有效地阻止了骨料的沉降, 水泥浆体在纤维的支撑作用下对骨料的包裹性也有所增强.新拌水泥混凝土的泌水率下降, 泌水时间大大推迟, 剑麻纤维掺量大于3. 0 kg/m 3 的剑麻纤维混凝土几乎不泌水. 新拌剑麻纤维水泥混凝土的坍落度和含气量如图1 和图2 所示. 由图1 可知, 在水泥混凝土中加入一定掺量的剑麻纤维后, 新拌水泥混凝土的坍落度比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土降低28～ 37 mm , 且坍落度随着掺量的增大而降低, 这是由于剑麻纤维本身是亲水性的物质, 剑麻纤维的吸水率较高, 在剑麻纤维混凝土
的拌和中剑麻纤维吸收了来自于混凝土中的拌和水, 使得剑麻纤维混凝土的坍落度变小. 同时, 剑麻纤维掺入混凝土后, 减少了混凝土的表面析水,剑麻纤维在混凝土中的网状分布也有效地阻止了骨料的沉降, 水泥浆体在纤维的支撑作用下对骨料的包裹性也有所增强, 从而有效改善了新拌剑麻纤维混凝土的工作.
由图2 可知, 随着剑麻纤维掺量的增大, 剑麻纤维混凝土的含气量有所增大, 含气量的增大会影响混凝土的容重, 剑麻纤维混凝土的含气量大于一般水泥混凝土. 同时, 剑麻纤维混凝土的容重比一般水泥混凝土略有下降, 但影响不显著.
3. 2 力学性能试验
力学性能是衡量水泥混凝土使用性能和品质的重要指标, 本试验主要对不同剑麻纤维掺量的剑麻纤维混凝土的7 d, 28 d 的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度等力学性能进行测定, 试验结果如图3 和图4 所示. 由图3 知, 不同剑麻纤维掺量的剑麻纤维混凝土其7 d 和28 d 抗强度和掺量的变化曲线相似, 随着剑麻纤维掺量的增加, 剑麻纤维混凝土抗压强度略有增加, 当剑麻纤维掺量在3～ 4.5 kg/m 3 时, 剑麻纤维混凝土抗压强度达到最大值; 当剑麻纤维掺量大于4.5 kg/m 3 时, 随着剑麻纤维掺量的增加, 剑麻纤维水泥混凝土抗压强度略有降低, 造成剑麻纤维水泥混凝土抗压强度降低的主要原因: 随着剑麻纤维掺量的增大, 混凝土中含气量增加引起混凝土抗压强度降低. 当剑麻纤维掺量为1. 5, 3. 0, 4.5 kg/m 3 时, 混凝土28 d 抗压强度分别比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土提高2. 8% , 3. 8%和3. 4% , 由此可知剑麻纤维的加入对水泥混凝土的抗压强度影响很小.
由图4 可知, 剑麻纤维混凝的劈裂抗拉强度、抗折强度随着剑麻纤维掺量的增加而加大, 当剑麻纤维掺量达到3. 0 kg/m 3 左右, 剑麻纤维水泥混凝的劈裂抗拉强度、抗拉强度达到最大值, 随着剑麻纤维掺量继续加大, 剑麻纤维水泥混凝的劈裂抗拉强度、抗拉强度会降低, 造成这种现象的主要原因是随着剑麻纤维掺量的增大, 剑麻纤维水泥混凝土中含气量增加引起剑麻纤维混凝土劈裂抗拉强度、抗折强度降低. 当剑麻纤维掺量为3. 0 kg/m 3时, 剑麻纤维混凝土28 d 劈裂抗拉强度和抗折强度分别比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土提高23% 和15. 6%.
3. 3 耐久性能试验
自然气候条件下的水泥混凝土老化包括有冷热交替的干湿循环、冻融和碳化等作用, 在这些作用下导致水泥混凝土的各项性能变化, 降低水泥混凝土的使用品质和耐久性. 其中冷热交替的干湿循环作用是水泥混凝土在使用过程最常发生的作用, 是影响水泥混凝土耐久性主要原因之一. 本试验主要测定不同剑麻纤维掺量的剑麻纤维水泥混凝土在冷热交替的干湿循环作用下一些性能指标的变化.
目前国内外没有统一水泥混凝土冷热交替的干湿循环作用的试验方法和规程, 本试验参考国外CB I 法进行试验. 试验将养护28 d 后的各种不同剑麻纤维掺量的水泥混凝土浸泡于(20±2) ℃的水中20 h, 然后在室内自然晾干4 h, 再在100℃的烘箱中烘干20 h, 最后在室内自然晾干4 h, 以此为一个循环. 试验测定水泥混凝土经过10, 20,30 次冷热交替的干湿循环作用后的抗折强度来衡量抗老化能力, 试验结果如图5.
由图5 可知, 掺入剑麻纤维的水泥混凝土比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土抗冷热交替的干湿循环作用强, 说明掺入剑麻纤维后能提高水泥混凝土的耐久性. 各种不同掺量的剑麻纤维水泥混凝土抗冷热交替的干湿循环作用能力不同, 其中剑麻纤维掺量为3. 0 kg/m 3 的剑麻纤维混凝土抗冷热交替的干湿循环作用能力最好, 其次是剑麻纤维掺量为4. 5 kg/m 3 的剑麻纤维混凝土、掺量为1. 5 kg/m 3 的剑麻纤维混凝土. 剑麻纤维掺量为3. 0 kg/m 3 的剑麻纤维混凝土在冷热交替的干湿循环作用10 次后, 其抗折强度下降1. 5% 左右、作用20 次后, 其抗折强度下降4% 左右、作用30 次后, 其抗折强度下降6. 5% 左右.
3. 4 经济性
剑麻纤维是一种绿色、环保、可再生资源, 它与人工纤维和矿物纤维相比具有多方面的优点,其中经济性最为突出, 图6 为剑麻纤维与玻璃纤维和聚丙烯纤维相对价格比. 在力学性能方面, 剑麻纤维混凝土主要体现其抗拉强度和抗折强度优良. 由图6 可知, 剑麻纤维的相对价格是玻璃纤维
25% 左右、是聚丙烯纤维12% 左右. 随着近期国际原油价格的上涨, 人工合成的聚丙烯纤维价格还会持续走高, 而剑麻纤维是植物纤维, 它是一种可再生资源, 剑麻纤维价格的波动很小. 玻璃纤维是一种有毒物质, 对人体会产生危害, 目前国家已经禁止其在建筑材料上的应用. 其它的矿物纤维如钢纤维, 其价格昂贵. 此外钢纤维在混凝土中容易产生锈蚀现象, 钢纤维锈蚀不光影响混凝土结构的耐久性, 还对周边环境产生严重的污染.
4 结 语
(1) 掺入一定量剑麻纤维对水泥混凝土复合材料的工作性有了一定的提高, 表现在新拌水泥混凝土复合材料的泌水率和坍落度减少, 含气量有一定程度的提高. (2) 掺入一定量剑麻纤维对提高水泥混凝土复合材料抗压能力作用不大, 但能提高水泥混凝土复合材料抗劈裂抗拉强度和抗折强度. 在剑麻纤维掺量为3. 0 kg/m 3 时, 剑麻纤维增强水泥混凝土复合材料抗劈裂抗拉强度和抗折强度分别比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土提高了23% 和16% 左右. (3) 掺入一定量剑麻纤维能大幅度的提高水泥混凝土复合材料抗冷热交替的干湿循环作用, 有利延长水泥混凝土复合材料耐久性. (4) 剑麻纤维与其它人工纤维和矿物纤维相比, 剑麻纤维无毒无害, 是一种绿色纤维和可再生纤维, 不会对环境造成污染, 价格成本低等先天性的优势.
参考文献:
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