摘要: 通过不同掺量剑麻纤维水泥混凝土物理性能力学性能试验，得出不同掺量剑麻纤维对水泥混凝土的工作性、含气量、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、干缩值和抗冲击等性能影响的试验结果，从而获得剑麻纤维的最佳掺量范围，为进一步研究剑麻纤维水泥混凝土其它性能及应用提供参考。
关键词: 剑麻纤维水泥混凝土；物理性能；干缩性能
中图分类号: TU528.041 文献标识码: A 文章编号: 1001- 702X( 2008) 04- 0047- 04
混凝土中掺入纤维是近期混凝土改性的方向之一，目前国内主要掺入的纤维种类是合成纤维和矿物纤维，但国外已经开始研究用植物纤维替代合成纤维和矿物纤维来增强水泥混凝土，形成绿色、环保、节能等性能优越的环保、经济型纤维水泥混凝土。剑麻纤维与其它植物纤维相比，具有质地坚硬、富有弹性、拉伸强度高、耐摩擦、耐低温等特点外，还具有纤维长、色泽洁白、耐海水腐蚀等诸多特性。
本研究主要对不同掺量的剑麻纤维水泥混凝土的物理、力学性能和干缩性能等方面进行研究，从而寻找剑麻纤维掺量与混凝土性能的关系，为剑麻纤维水泥混凝土的应用提供依据。
1 试验原材料
水泥:采用广西华润红水河水泥公司生产的红水河牌P·O42.5R 级普通硅酸盐水泥，其化学成份如表1。
砂:中粗河砂，连续级配，细度模数2.80，表观密度为2587 kg/m3，各项性能满足现行规范要求。
石子：5～25 mm碎石，连续粒径，各项性能满足规范要求。
外加剂：UNF- 5H 高效减水剂，减水率大于13%[1]。
剑麻纤维：采用广西剑麻集团生产的剑麻纤维，密度1.43g/cm3，拉伸强度510 MPa，伸长率6.0%。将剑麻纤维放入1%NaOH 溶液中浸泡后，其电镜下形态见图1。
剑麻纤维是天然纤维，其直径为100～200 μm。由于剑麻纤维表面粗糙，有很多竖向条纹，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中的粘结性能[2]。
2 物理力学性能试验
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1%NaOH 溶液中浸泡30 min 后用清水洗净、晾晒。混凝土基准配合比参照《普通混凝土配合比设计规程》：水泥370 kg/m3：砂712 kg/m3：石1162kg/m3，水157 kg/m3，外加剂2.78 kg/m3，水灰比0.42。剑麻纤维混凝土的设计强度为C40，剑麻纤维混凝土设计配合比中剑麻纤维掺量见表2。
试件制作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。试件放在试件放置架上，加湿方式为雾化加湿。
2.1 剑麻纤维水泥混凝土的工作性
在试验过程中新拌剑麻纤维混凝土的泌水率下降，泌水时间大大推迟，当剑麻纤维掺量大于3.0 kg/m3 时，剑麻纤维混凝土几乎不发生泌水现象。剑麻纤维掺量对新拌混凝土坍落度的影响见图2。
由图2 可知，在混凝土中加入一定量的剑麻纤维后，新拌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物质，吸水率较高，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性。
2.2 剑麻纤维水泥混凝土的含气量
剑麻纤维混凝土随剑麻纤维掺量增加含气量变大，这是由于乱向分布的微细纤维相互搭接，混凝土搅拌和成型过程中内部空气的溢出略有阻碍。剑麻纤维掺量对混凝土含气量的影响试验结果见图3。
由图3 可知，随着剑麻纤维掺量增加，剑麻纤维混凝土的含气量有所增大，所以剑麻纤维混凝土的密度比普通水泥混凝土略有下降，但影响不显著。
2.3 剑麻纤维掺量对水泥混凝土抗压强度的影响
将剑麻纤维水泥混凝土制成150 mm×150 mm×150 mm立方体试件，分别养护7 d、28 d 进行抗压强度试验，试验结果见图4。
由图4 可知，不同掺量剑麻纤维水泥混凝土的7 d 和28d 抗压强度变化的曲线相似，随着剑麻纤维掺量的增加，剑麻纤维水泥混凝土的抗压强度略有提高，当剑麻纤维掺量在3～
4.5 kg/m3 时，剑麻纤维水泥混凝土抗压强度达到最大值；但剑麻纤维掺量大于4.5 kg/m3 时，随着剑麻纤维掺量的增加，剑麻纤维水泥混凝土的抗压强度略有降低，其主要原因是，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。当剑麻纤维掺量分别为1.5、3、4.5 kg/m3 时，混凝土28 d 抗压强度分别比未掺剑麻纤维的基准混凝土分别提高2.8%、3.8%、3.4%，由此可知，剑麻纤维的掺入对水泥混凝土的抗压强度影响很小。
2.4 劈裂抗拉强度试验
混凝土的轴心抗拉强度远低于其抗压强度。本试验采用GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》中规定进行剑麻纤维水泥混凝土劈裂抗拉强度试验，结果见图5。
由图5 可知，不同掺量的剑麻纤维水泥混凝土28 d 劈裂抗拉强度曲线变化比其7 d 劈裂抗拉强度曲线大，其原因是剑麻纤维水泥混凝土中的剑麻纤维在一定程度上延缓了混凝土中的水化反应。掺入剑麻纤维的水泥混凝土7 d 和28 d 劈裂抗拉强度均比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土高。当剑麻纤维掺量为1.5、3.0、4.5、6.0 kg/m3 时，混凝土28 d 劈裂抗拉强度分别比基准水泥混凝土提高18%、23%、19%、15%；剑麻纤维掺量的增加有利于混凝土劈裂抗拉强度的提高，但随着剑麻纤维掺量增加到一定量时，劈裂抗拉强度提高幅度反而有所降低。其主要原因是由于剑麻纤维掺量增加，混凝土中含气量增大，引起混凝土劈裂抗拉强度降低。
2.5 抗折强度试验
混凝土抗折强度试验是另一种测试混凝土抗拉性能的间接试验方法。加荷方式有单点集中加荷和三分点加荷2 种，单点集中加荷时，最大弯矩在梁中央，破坏断面被固定；三分点加荷时，最大弯矩在二加荷点之间，破坏将发生在区间的最薄弱面上，因此，采用三分点加荷方式测得的混凝土抗折强度小于采用单点加荷方式测得的混凝土抗折强度。目前，我国抗折强度试验多采用三分点加荷方式，试验试件为150 mm×150mm×550 mm棱柱体，测试了养护7 d、28 d 的抗折强度。为便于比较，所有试件均以0.38～0.60 kN/s 的加荷速度均匀加载，试件接近破坏开始急剧变形时，停止调整试验机油门，直至破坏，并记录破坏荷载。试验结果见图6。
由图6 可知，混凝土中掺入1.5 kg/m3 剑麻纤维时，混凝土的7 d 和28 d 抗折强度比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土分别提高了14%和15%。随着剑麻纤维掺量的增加剑麻纤维水泥混凝土的抗折强度提高幅度不大，当掺入3.0 kg/m3 剑麻纤维时，剑麻纤维混凝土的7 d 和28 d 抗折强度比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土分别提高16.3%、15.1%，掺入4.5 kg/m3 时，剑麻纤维混凝土的7 d 和28 d 抗折强度比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土分别提高15.6%、14.5%，这说明当掺入3 kg/m3 剑麻纤维时，剑麻纤维混凝土的抗折强度提高到最大值，随着剑麻纤维掺量进一步增加剑麻纤维水泥混凝土的抗折强度提高幅度下降。
2.6 干缩性能试验
纤维混凝土的干缩性试验参照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》进行，试件成型后即送入标准养护室，带模养护24 h 后拆模测初长，此长度即为试件的基准长度。为防止金属测头的偏移，在拆模后用701 胶将测头固定。测量后立即放入温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的室内干燥，试件的干缩龄期以测定基准长度后算起，试验分别测试养护1、3、7、14、28、60 d 后混凝土试件的长度。每个龄期测长1 次，测长的方法和测长的方向应与测基准长度时保持相同，试验结果见图7。
由图7 可知，随着剑麻纤维掺量的增加，混凝土的干缩值减小，主要原因是未掺入剑麻纤维的基准水泥混凝土由于干燥失水而产生较大的干缩，但剑麻纤维水泥混凝土有数目众多的剑麻纤维均匀地分布在混凝土内，在混凝土干燥收缩时产生与混凝土收缩方向相反的约束拉应力，限制了混凝土的进一步收缩，有效降低了剑麻纤维混凝土的干缩。混凝土中剑麻纤维数量越多，混凝土干燥收缩时产生与混凝土收缩方向相反的约束拉应力越大，从而更有效地降低了剑麻纤维混凝土的干缩。分别掺入1.5、3.0、4.5、6.0 kg/m3 剑麻纤维混凝土养护3 d 后的干缩值与未掺入剑麻纤维的基准水泥混凝土相比分别减少了32.5%、41.6%、56.9%、76.7%，养护60 d 后，则分别减少了21.4%、28.7%、32.8%、40.3%，这说明剑麻纤维对混凝土早期收缩的抑制作用比后期的强。
2.7 抗冲击性能试验
关于剑麻纤维混凝土抗冲击试验，目前还没有统一的试验方法。本试验参考美国混凝土学会提出的落重法[3]，采用简易落锤法进行。试验采用质量为3 kg 的冲击球，落高为50cm，试验时让冲击球沿试件的中轴自由下落，试件尺寸为150mm×150 mm×150 mm。混凝土的抗冲击性能以试件在落锤的反复冲击作用下，混凝土表面出现第一条肉眼可见裂缝时单位体积所耗的功来表示，用相对抗冲击强度来定性地表征纤维混凝土的抗冲击性能。试验结果见表3。
由表3 可知，在混凝土中掺入一定量的剑麻纤维后，混凝土的抗冲击性能均有所提高，随着剑麻纤维掺量的增大，混凝土相对冲击强度也相应提高。剑麻纤维的掺量从1.5 kg/m3 增加到6 kg/m3 时，混凝土的耐冲击次数是未掺入剑麻纤维的基准水泥混凝土的1.11～1.36 倍。这主要原因是由于剑麻纤维混凝土在受到外加连续冲击力时，剑麻纤维与混凝土一起承受了外力的作用。混凝土受到的强大冲击能量分散到混凝土中广泛分布的剑麻纤维上，由于剑麻纤维具有吸收冲击能量的作用，从而有效缓解了混凝土的破坏，提高了混凝土的抗冲击性能。
3 结语
在水泥混凝土中掺入剑麻纤维能够在一定程度上减小新拌混凝土的泌水率和坍落度，同时还可以提高混凝土的含气量。在一定程度上说明新拌剑麻纤维水泥混凝土的工作性能优于普通水泥混凝土。
在3 kg/m3 掺量下，养护28 d 剑麻纤维水泥混凝土与未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土相比，抗压强度提高3.8%，其变化不大，但劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高了23%和16%。这说明剑麻纤维对提高水泥混凝土的抗压强度作用不大，但对提高水泥混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度具有显著的效果，因此，剑麻纤维的最佳掺量为3 kg/m3 左右。剑麻纤维能够有效地抑制混凝土的干缩性，特别对混凝土早期收缩效果更为显著。
剑麻纤维水泥混凝土抗冲击性能比未掺剑麻纤维的基准水泥混凝土显著提高，在最佳掺量范围内，剑麻纤维水泥混凝土抗冲击性能可以提高近30%。
剑麻纤维是一种无毒无害的绿色纤维和可再生纤维，不会造成环境污染。同时，剑麻纤维与其它合成纤维和矿物纤维相比在价格方面具有先天的优势，如剑麻纤维与玻璃纤维、聚丙烯纤维相比，剑麻纤维的价格只是玻璃纤维20%左右、是丙烯纤维的10%左右。
参考文献:
[1] 覃峰，包惠明.赤砂糖缓凝剂在路面水泥混凝土中的应用研究[J].混凝土，2007（10）：56- 59.
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[3] Standard Method of Test for Flexural Toughness of Fiber ReinforceConcrete[S].Annual Book of ASTM Standards.Vol.04.02. Concreteand Aggregates，1991：507- 513
