不同长度及直径的剑麻纤维对自密实轻骨料混凝土力学性能的影响

董健苗,王亚东,杜亚聪,聂 浩,燕元晶

(广西科技大学 土木建筑工程学院,广西 柳州 545006)

摘 要:为研究不同长度及直径的剑麻纤维对C40自密实轻骨料混凝土工作性能和力学性能的影响,通过对混凝土的坍落扩展度,T500,抗压强度及劈裂抗拉强度进行试验后发现:剑麻纤维长度和直径的变化对自密实轻骨料混凝土的抗压强度提高幅度很小,均在4.6%之内;随着剑麻纤维长度增加,抗拉强度均有较明显的提高,并呈现先升后降的规律;随着剑麻纤维直径增大,抗拉强度均有较大的增长,并呈现逐渐增大的趋势;随着剑麻纤维长度增加或直径减小,表观密度和坍落扩展度均减小,T500均增大,但均满足国家标准要求;当剑麻纤维长度为10 mm,直径为304 μm,掺量为2 kg/m3时,对自密实轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度提高的效果最好,最大可达到44%.

关键词:自密实轻骨料混凝土;剑麻纤维;直径;长度;力学性能

0 引言

自密实轻骨料混凝土(SCLC),是在自密实混凝土的基础上,采用轻骨料作为粗集料配制而成的高性能混凝土.它结合了自密实混凝土和轻骨料混凝土的优点,表观密度一般小于1 950 kg/m3,表现出自重轻、无需振捣、密实效果好、均一性好等特点[1-2].尽管与普通混凝土相比,自密实轻骨料混凝土具有诸多优点,但是它仍然存在着抗拉强度低,韧性差,抗裂性能差等不足,使其的使用受到了一定的限制[3].目前,国内外对钢纤维、碳纤维、以及合成纤维等在混凝土中的应用研究很多,对植物纤维在自密实轻骨料混凝土中应用研究很少,至今尚无足够完整的研究成果.剑麻纤维是一种可大面积种植且价格低廉的可再生植物,具有内部结构复杂、密度小、拉伸强度高、耐腐蚀和耐摩擦等特点,是一种新兴的建筑添加料[4].

本文在强度等级为C40的剑麻纤维自密实轻骨料混凝土中,分别添加两种不同长度和直径的剑麻纤维进行试验,研究剑麻纤维长度、直径与自密实轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度的关系,为剑麻纤维自密实轻骨料混凝土的工程应用提供理论依据.

1 试验

1.1 原材料

水泥:广西鱼峰集团有限公司生产的鱼峰牌P·O 42.5水泥,其物理力学性能见表1.

陶粒:湖北宜昌宝珠陶粒有限公司生产的700级页岩圆球型陶粒,相关指标见表2.

砂:柳江河沙,粒径为 0.35 mm~0.5 mm,细度模数为 2.67 的中砂.

粉煤灰:来宾电厂生产的 I级灰,密度 2.24 g/cm3,比表面积 423 m2/kg,其化学成分见表 3.

减水剂:苏州弗克技术股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂,粉剂,减水率为30%.

剑麻纤维:广西剑麻集团生产的剑麻纤维成品,技术指标见表4.

表1 混凝土的物理力学性能
Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 轻骨料的主要技术指标
Tab.2 The main characteristics of lightweight aggregate

表3 粉煤灰的化学成分指标
Tab.3 The chemical composition of fly ash

表4 剑麻纤维技术指标
Tab.4 Technical indexes of sisal fiber

1.2 试件的制作

剑麻预处理:剑麻纤维自然干燥,将剑麻纤维剪成5 mm,10 mm,15 mm的试验样品,分别取20 g,以备实验使用.

搅拌过程:将陶粒倒入搅拌锅中搅拌,加入1/3的水,搅拌30 s,使陶粒充分湿润;将水泥、粉煤灰、粉状减水剂和砂子倒入搅拌锅中搅拌均匀,并加入1/3的水,搅拌30 s,使其搅拌均匀;慢慢地将剑麻纤维均匀的加入其中,搅拌30 s,使剑麻纤维在混凝土中均匀分布;将剩余的1/3的水加入其中,搅拌180 s.

按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件,并按照规定在标准养护室内进行养护.

1.3 自密实轻骨料混凝土配合比

实验混凝土参考JGJT 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中的绝对体积法进行配合比计算,并通过试验确定了各种材料的用量.其中,水灰比为0.28,陶粒体积掺量为0.42,减水剂掺量为胶凝材料的1.23%,粉煤灰采用等量法取代27%的水泥[5],用来提高自密实轻骨料混凝土的流动性.每立方米混凝土材料的具体用量为:陶粒 546 kg/m3,河砂 601 kg/m3,水泥 400 kg/m3,粉煤灰 150 kg/m3,水 157.6 kg/m3,减水剂 6.7 kg/m3,剑麻掺量为 2 kg/m3.长度分别为 5 mm,10 mm 和 15 mm,直径分别为 186 μm 和 304 μm,考虑到剑麻纤维的吸水率,拌合混凝土的时候增加了剑麻纤维的吸水量(剑麻纤维吸水率:首先将大量剑麻纤维充分风干,再放入盛水容器中充分吸水,浸泡1 h后,将纤维取出,对表面的水分进行处理,使表面处于干燥但略显湿润的状态,然后进行称重,剑麻纤维吸水率是130%).试验共配制了7个配合比,每个配合比制作了3组试件,并对这些试件进行了剑麻纤维自密实轻骨料混凝土的工作性能、力学性能及表观密度试验.试验结果如表5所示.

表5 剑麻纤维自密实轻骨料混凝土的工作性能及力学性能
Tab.5 The working performance and mechanical properties of self-compacting lightweight aggregate concrete of sisal fiber

*T500:进行坍落扩展度试验时,从坍落筒提起开始计时,至拌合物坍落扩展面直径达到500 mm的时间

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

将直径为186 μm和304 μm,长度分别为5 mm,10 mm,15 mm的剑麻纤维掺入自密实轻骨料混凝土中,测其7 d,28 d抗压强度值,具体数据见表4.纤维长度和直径与抗压强度的关系,如图1所示.

从图1可以看出,两种不同直径的剑麻纤维,随着长度从5 mm增加到15 mm,自密实轻骨料混凝土的抗压强度都略有提高 (直径304 μm,长度为5 mm的试件除外),且纤维直径越小,其抗压强度提高越明显.

图1 剑麻纤维长度对自密实轻骨料混凝土28 d抗压强度的影响
Fig.1 Effect of sisal fiber length on the compressive strength 28 d of self-compacting lightweight aggregate concrete

主要原因是:当黏结强度相同时,随着剑麻纤维长度的增加,剑麻纤维与自密实轻骨料混凝土基体的接触面积就越大,使剑麻纤维和自密实轻骨料混凝土之间的黏结性能就越大[6],对混凝土在受压时的横向变形发展的约束作用逐渐增大,从而使混凝土的抗压强度逐渐提高.纤维越细,单位体积的数量越多,比表面积就越大,与自密实轻骨料混凝土的接触面积越大,黏结性能越强,从而使抗压强度提高的程度较大.

2.2 劈裂抗拉强度

纤维长度和直径与劈裂抗拉强度的关系如图2所示.

从图2可以看出,两种不同直径的剑麻纤维,随着长度从5 mm增加到15 mm,自密实轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度呈先升后降的趋势,且纤维直径越大,劈裂抗拉强度提高越明显.

图2 剑麻纤维长度对自密实轻骨料混凝土28 d劈裂抗拉强度的影响
Fig.2 Effect of sisal fiber length of self-compacting lightweight aggregate concrete splitting tensile strength of 28 d

主要原因是:当剑麻纤维过短时,纤维与混凝土的黏结面积过小,很容易从混凝土基体中拉出,不能充分发挥纤维自身的抗拉性能.随着长度增长到10 mm时,在混凝土内部均匀分布的剑麻纤维,在劈裂张拉的断裂面形成相互搭接的状态,从而提高了自密实轻骨料混凝土的摩擦阻力,进一步提高了剑麻纤维对混凝土的黏结性能,因此提高了自密实轻骨料混凝土的劈裂张拉强度[7-8].当剑麻纤维过长时,在混凝土搅拌的过程中很容易打团,不能均匀分散在混凝土砂浆中,使混凝土内部产生缺陷,从而使自密实轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度逐渐降低.剑麻纤维直径的不同对自密实轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响也不同,在长度相同的情况下,纤维直径越大,剑麻纤维单丝抗拉强度越高,在混凝土承受荷载产生裂缝时,能够更好地发挥自身的抗拉性能,提供更大的抗拉能力,阻止裂缝的发展,从而能够以比较小直径的纤维更好地提高自密实轻骨料混凝土的劈裂抗拉能力.

2.3 工作性能

根据表5中的配合比,把不同长度、直径的剑麻纤维添加到自密实轻骨料混凝土中,在直径相同的情况下,长度增大,混凝土的坍落扩展度逐渐减小,T500大于2 s,并逐渐增大.在长度相同的情况下,纤维直径越小,混凝土的坍落扩展度就越小,T500大于2 s,并逐渐增大.当直径为186 μm和304 μm,长度为15 mm时,坍落扩展度最小,为610 mm和640 mm,T500最大,为10.9 s和10 s;但工作性能都满足JGJT 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中填充性性能等级为SF1和VS1的技术要求,纤维的长度和直径与坍落扩展度和T500的关系见图3和图4.

图3 坍落扩展度
Fig.3 Slump spread

图4 混凝土T500
Fig.4 Concrete T500

纤维直径相同时,长度越长,与水泥砂浆之间的连接就越紧密,黏结能力就越强,混凝土流动性就越小,坍落扩展度逐渐减小,最大减小了22.8%,T500逐渐增大,最大增大了4.4 s.与不添加剑麻纤维的自密实轻骨料混凝土相比,纤维长度相同时,直径越小,单位体积的数量就越多,与混凝土之间的连接面积就越大,相互之间的黏结力就越强,混凝土的流动性就越小,坍落扩展度减小,最大减小了22.8%,T500逐渐增大,最大增大了 4.4 s.

2.4 表观密度

由表5所示,在自密实轻骨料混凝土中添加两种不同直径的剑麻纤维,自密实轻骨料混凝土的表观密度均比没有添加剑麻纤维的空白试样小.在直径相同的情况下,长度越长,自密实轻骨料混凝土的表观密度越小.这是由于随着纤维长度的增加,混凝土的流动性越小,混凝土在自重的作用下不能充分的填充到模具的各个部分,密实性逐渐降低,表观密度就越小.

在长度相同的情况下,直径越小,自密实轻骨料混凝土的表观密度降低,这是由于纤维直径减小,单位体积内的数量就越多,混凝土的流动性就越低,剑麻纤维在混凝土内成网状分布的密度越大,对骨料沉降的阻碍作用越强[9],水泥砂浆填充到骨料间隙的能力越低,混凝土的密实性越低,表观密度就越小.

3 结论

1)在自密实轻骨料混凝土中掺入剑麻纤维,与不掺纤维的自密实轻骨料混凝土相比,在纤维直径相同的情况下,随着剑麻纤维长度增加,自密实轻骨料混凝土的抗压强度略有增加,最大增值为4.6%;抗拉强度均有较明显的提高,并呈现先升后降的规律.在纤维长度相同的情况下,随着纤维直径的逐渐增大,自密实轻骨料混凝土的抗压强度几乎没有影响;抗拉强度有很大提高,并呈现逐渐增大的趋势.

2)在自密实轻骨料混凝土中添加剑麻纤维,与不掺纤维的自密实轻骨料混凝土相比,当剑麻纤维长度为10 mm,直径为304 μm时,自密实轻骨料混凝土的抗拉强度提高幅度最大,最大提高了44%.

3)在纤维直径相同的情况下,与不掺纤维的自密实轻骨料混凝土相比,随着长度的逐渐增加,混凝土的表观密度逐渐减小,幅度在4.9%之内;坍落扩展度逐渐减小,幅度在22.8%之内,T500逐渐增大,最大提高4.4 s.

4)在纤维长度相同的情况下,随着直径的逐渐增大,与不添加剑麻纤维的自密实轻骨料混凝土相比,表观密度均降低,并呈现先降后升的规律,降低和升高的幅度均很小.坍落扩展度均降低,并呈现先降后升的规律,最大降低了22.8%,T500均增大,并呈先升后降的趋势,最大提高4.4 s.

5)数据表明,在本试验条件下,掺加长度为10 mm,直径为304 μm,掺量为2 kg/m3的剑麻,对提高自密实轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度效果最佳,最大可达到44%;抗压强度提高不明显,坍落扩展度及T500均满足国家标准要求.

参考文献:

[1]吴熙.自密实轻骨料混凝土的力学性能研究[D].大连:大连理工大学,2014.

[2]吴智敏,张小云,张云国.自密实轻骨料混凝土配合比设计及基本力学性能试验[J].建筑科学与工程学报,2008,25(4):83-87.

[3]王玉梅,刘锡军.自密实轻骨料混凝土配合比设计及基本力学性能试验[J].混凝土,2012(6):111-113.

[4]刘备,季涛,张丽哲.黄麻纤维增强混凝土的抗压和抗折性能研究[J].产业用纺织品,2013,31(4):43-45.

[5]刘鹏,吴辉琴,黄炳珍,等.粉煤灰-矿粉-水泥胶凝体系优化设计的试验研究[J].广西科技大学学报,2014,25(2):35-39.

[6]董健苗,毕洁夫,户相洛.剑麻纤维增强矿粉-粉煤灰水泥基砌块力学性能的研究[J].新型建筑材料,2014,41(2):57-59.

[7]徐祥伟.混杂纤维自密实混凝土力学性能及耐久性能研究[D].深圳:深圳大学,2015.

[8]董健苗,徐翔波,王凯.不同强度等级再生混凝土抗折性能的研究[J].广西科技大学学报,2015,26(2):83-86.

[9]沈荣熹,王璋水,崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京:化学工业出版社,2006.

Effect of sisal fiber with different length and diameter on mechanical properties of self-compacting lightweight aggregate concrete

DONG Jian-miao,WANG Ya-dong,DU Ya-cong,NIE Hao,YAN Yuan-jing
(School of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract:In this paper,the effects of sisal fiber with different length and diameter on the working performance and mechanical properties of C40 self compacting lightweight aggregate concrete are studied.Based on the test of slump expansion,T500,compressive strength and splitting tensile strength of concrete,it is found that the compressive strength of self compacting lightweight aggregate concrete is very small,and the change of length and diameter of sisal fiber is within 4.6%.With the increase of the length of sisal fiber,the tensile strength is obviously improved with the law of first increase and then decrease;as sisal fiber diameter increases,the tensile strength has great growth,and gradually increases.With the increase of sisal fiber length or decrease of diameter,the apparent density and the slump extension decrease and the T500increases,but both of them meet the national standard.When the sisal fiber length is 10 mm,the diameter is 304 μm,and the content is about 2 kg/m3,the splitting tensile strength of self compacting lightweight aggregate concrete has the best effect,which can reach the maximum,that is 44%.

Key words:self-compacting lightweight aggregate concrete;sisal fiber;diameter;length;mechanical properties

中图分类号:TU528.241

文献标志码:A

(学科编辑:黎 娅)

文章编号:2095-7335(2017)03-0026-05

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.03.004

收稿日期:2017-01-12

基金项目:广西教育厅科学基金项目(YB2014199);广西高校中青年骨干教师培养计划项目;柳州市科学研究与技术开发计划项目(2013B030402)资助.

作者简介:董健苗,工学硕士,教授,研究方向:新型建筑材料及工程应用,E-mail:dongjianmiao95@163.com.