竹纖維對(duì)砂漿性能影響的試驗(yàn)研究

劉玉瑩，尹健，任海波，何凌俠，桑正輝

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

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竹纖維對(duì)砂漿性能影響的試驗(yàn)研究

劉玉瑩，尹健，任海波，何凌俠，桑正輝

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

基于竹纖維砂漿的最佳攪拌工藝，探討竹纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)砂漿工作性、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和干縮率的影響。研究結(jié)果表明：纖維摻量介于0.5～2.0 kg/m3時(shí)，砂漿的沉入度、表觀密度和干縮率隨纖維摻量的增加而減少，強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)，在摻量為1.5 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值；纖維長(zhǎng)度介于5～20 mm時(shí)，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，砂漿的沉入度增大，表觀密度減小，強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在纖維長(zhǎng)度為10 mm時(shí)達(dá)到最大值，干縮率呈先減少后增大的趨勢(shì)，在纖維長(zhǎng)度為15 mm達(dá)到最低值。

竹纖維；砂漿；沉入度；表觀密度；強(qiáng)度；干縮率

隨著世界建筑業(yè)的高速發(fā)展，水泥基材料已成為應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料。眾所周知，水泥基材料具有很高的抗壓強(qiáng)度，但存在抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、抗裂性差等缺點(diǎn)，且隨著抗壓強(qiáng)度的提高，其干縮與脆性問(wèn)題更加突出。為了改善水泥基材料的上述缺陷，通常采用在其中摻加纖維的方法。常用的纖維材料有鋼纖維，聚丙烯纖維，玻璃纖維，碳纖維和天然植物纖維等。其中，植物纖維作為一種天然纖維，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種廉價(jià)且綠色環(huán)保的纖維增強(qiáng)材料。Ozerkan等[1-4]分別對(duì)棕櫚纖維、黃麻纖維、椰纖維、秸稈纖維增強(qiáng)水泥(或砂漿)的性能進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。竹纖維是近年才投入工業(yè)生產(chǎn)的一種天然纖維，其化學(xué)成分主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，具有物理力學(xué)性能好、單位能耗低、抗拉強(qiáng)度較高等特點(diǎn)。研究開(kāi)發(fā)竹纖維增強(qiáng)水泥基材料不僅可以拓寬我國(guó)竹材的應(yīng)用領(lǐng)域，還可以緩解目前全球建筑材料緊缺的危機(jī)，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的要求。此外，竹纖維增強(qiáng)水泥基材料性能的研究對(duì)于完善纖維增強(qiáng)水泥基材料制備技術(shù)體系及其基礎(chǔ)理論體系還具有重要的理論意義。本文以砂漿工作性和力學(xué)性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化竹纖維砂漿的最佳攪拌工藝，并在此基礎(chǔ)上探討竹纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)砂漿工作性、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和干縮率的影響規(guī)律，以期為竹纖維在工程中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供參考。

1　原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥：湖南長(zhǎng)沙坪塘水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為354 m2/kg，初凝時(shí)間為155 min，終凝時(shí)間為200 min，其化學(xué)組成及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1～2。粉煤灰(FA)：Ⅱ級(jí)，湖南湘潭電廠提供，45μm方孔篩篩余量為18%，需水量比103%，燒失量為3.8%，含水量為0.1%。砂：湘江產(chǎn)、中砂，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB/T14684—2001《建筑用砂》規(guī)范的要求。減水劑：聚羧酸高性能減水劑，武漢格瑞林建材科技股份有限公司提供，減水率為30%，固含量為20%。水：自來(lái)水。竹纖維：四川班搏竹業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)，其性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表1　水泥的化學(xué)組成

表2　水泥的力學(xué)性能

表3　竹纖維性能參數(shù)

1.2配合比設(shè)計(jì)

對(duì)于纖維增強(qiáng)水泥砂漿，纖維在砂漿基體中的均勻分散是保證砂漿工作性、力學(xué)性能和耐久性的關(guān)鍵。為確定竹纖維砂漿的最佳攪拌工藝，采用3種攪拌工藝分別記為PS1，PS2和PS3。其中PS1為砂、竹纖維預(yù)拌2 min，再加水泥攪拌1 min，最后加水?dāng)嚢? min；PS2為砂、水泥預(yù)拌1 min，然后加入試驗(yàn)前25 min配制的由竹纖維、減水劑和水組成的懸濁液攪拌3 min；PS3為砂、水泥、竹纖維預(yù)拌2 min，再加水?dāng)嚢? min。研究表明，砂漿中所摻纖維的長(zhǎng)度一般為3～19 mm，摻量一般為0.9～1.2 kg/m3，故對(duì)買來(lái)的竹纖維進(jìn)行了人工梳理和修剪，制成長(zhǎng)度分別為5，10，15，20 mm，摻量分別為0.5，1.0，1.5，2.0 kg/m3的竹纖維備用，砂漿的具體配合比見(jiàn)表4。試件編號(hào)中PSi(i=1,2,3)前的數(shù)字為纖維摻量，其后的數(shù)字為纖維長(zhǎng)度，如1.0PS1-10即表示纖維摻量為1.0 kg/m3，纖維長(zhǎng)度為10 mm，采用PS1攪拌工藝制得的砂漿試件。

表4　砂漿配合比

1.3沉入度和表觀密度試驗(yàn)

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009)中的稠度試驗(yàn)和表觀密度試驗(yàn)方法。

1.4抗折抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法(ISO法)》(GB/T17671—1999 idt ISO679：1989)，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用無(wú)錫錫東建材設(shè)備廠生產(chǎn)的KZJ-5000型水泥電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)，加載速率為50 N/S，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)采用無(wú)錫新路達(dá)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)YA-300A型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為2 400 N/s。

1.5砂漿干縮試驗(yàn)

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009)中的收縮試驗(yàn)方法。首先將收縮頭固定在試模(40 mm×40 mm×160 mm)兩端面的孔洞中(收縮頭露出試件端面8±1 mm)；然后將拌好的砂漿裝入試模中，用水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)，置于20±5 ℃室內(nèi)，4 h后抹平，砂漿帶模標(biāo)養(yǎng)(20±2 ℃，RH≥90%)7d后拆模，并編號(hào)，標(biāo)明測(cè)試方向。將試件移入溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度(60±5)%的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期，分別測(cè)其第1，3，7，14，21，28和56 d時(shí)的長(zhǎng)度。為方便計(jì)算，本試驗(yàn)中的收縮率均為試件相對(duì)于第1 d齡期長(zhǎng)度的收縮率，較規(guī)范規(guī)定方法得到的收縮率值偏小。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1攪拌工藝對(duì)砂漿性能的影響

不同的攪拌工藝，導(dǎo)致纖維在砂漿基體中的均勻分散程度不同，從而使砂漿表現(xiàn)出的基本性能也不同，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5不同攪拌工藝下砂漿的性能變化

Table 5 Property variation of mortar under different mix technology

編號(hào)沉入度/mm表觀密度/(kg·m-3)抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPaNM9221005.524.11.0PS1-106020394.516.61.0PS2-106520464.619.01.0PS3-107320595.222.3

由表5可見(jiàn)，無(wú)論何種攪拌工藝，竹纖維的摻入均使得砂漿的沉入度降低。這是由于竹纖維的吸水性，使得砂漿基體中的自由水減少所致。但當(dāng)竹纖維長(zhǎng)度和摻量相同時(shí)，PS3攪拌工藝下砂漿(1.0PS3-10)的沉入度較PS1(1.0PS1-10)和PS2(1.0PS2-10)攪拌工藝制得的砂漿分別提高21.7%和12.3%。這說(shuō)明，PS3攪拌工藝下竹纖維在砂漿基體中的分散比較均勻，對(duì)砂漿沉入度的影響較小。同樣的道理，由于PS1和PS2攪拌工藝下，竹纖維分散不均，纖維之間纏結(jié)成團(tuán)，引入了較多的孔隙，使得1.0PS1-10和1.0PS2-10的表觀密度較1.0PS3-10小。

此外，纖維的不均勻分布也是導(dǎo)致砂漿抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低的主要原因之一，由表5可見(jiàn)，PS1攪拌工藝制得的砂漿，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較PS3攪拌工藝制得的砂漿分別降低15%和3%。這與上述砂漿工作性的分析結(jié)果是一致的，因此，PS3攪拌工藝更有利于纖維的均勻分散，從而改善竹纖維砂漿的工作性和力學(xué)性能。

2.2纖維摻量對(duì)砂漿性能的影響

纖維摻量對(duì)砂漿沉入度、表觀密度、強(qiáng)度以及干縮率的影響結(jié)果分別見(jiàn)圖1～3所示。

圖1　砂漿沉入度及表觀密度隨纖維摻量的變化Fig.1 Variation of sinking degree and apparent density of mortar with fiber content

圖2　砂漿強(qiáng)度隨纖維摻量的變化Fig.2 Variation of strength of mortar with fiber content

2.2.1纖維摻量對(duì)砂漿工作性的影響

由圖1可見(jiàn)，砂漿的沉入度和表觀密度均隨著纖維摻量的增加而降低，當(dāng)纖維摻量為2.0 kg/m3時(shí)，砂漿的沉入度和表觀密度較基準(zhǔn)砂漿(未摻纖維)分別降低37%和4%。這說(shuō)明纖維摻量是影響砂漿工作性的主要因素之一，當(dāng)纖維摻量為0～2.0 kg/m3時(shí)，砂漿的沉入度和表觀密度與纖維摻量成反比。纖維摻量增加，由于其具有很高的吸水性(吸水率42%)，當(dāng)它摻入砂漿中會(huì)吸收一部分拌合水，使得基體中用于增加流動(dòng)度的自由水減少，從而導(dǎo)致纖維砂漿的沉入度降低，且摻入的纖維越多，基體中減少的自由水越多，砂漿的沉入度降低就越多。而由于竹纖維的密度(1.49 g/cm3)比砂漿小，隨著纖維摻量的增加，必然引起纖維砂漿表觀密度的降低。

2.2.2纖維摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

由圖2可見(jiàn)，砂漿中摻入竹纖維，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均降低，但降低的幅度隨纖維摻量的不同而異。如纖維摻量為0.5 kg/m3時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)砂漿分別降低8%和11%，根據(jù)纖維間距理論，單位面積內(nèi)纖維的根數(shù)越多，纖維的阻裂增強(qiáng)效果就越明顯。所以當(dāng)纖維摻量由0.5 kg/m3增加到1.5 kg/m3時(shí)，砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著纖維摻量的增加而增大，但當(dāng)纖維摻量超過(guò)1.5 kg/m3時(shí)，砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度又隨著纖維摻量的增加而降低。這一方面是由于單位面積內(nèi)纖維數(shù)過(guò)多，纖維的結(jié)團(tuán)成球現(xiàn)象顯著，引入了較多的孔隙和缺陷所致；另一方面是由于纖維摻量的不斷增加，導(dǎo)致體系中沒(méi)有足夠的膠凝材料包裹它，從而影響了纖維與基體的粘結(jié)強(qiáng)度所致。

因此，纖維的摻量不是越多越好，而是存在一個(gè)最佳纖維摻量，當(dāng)纖維摻量小于最佳摻量時(shí)，纖維增強(qiáng)的正效應(yīng)大于纖維與基體界面脫粘的負(fù)效應(yīng)，力學(xué)性能隨著纖維摻量的增加而增大；而當(dāng)纖維摻量大于最佳纖維摻量時(shí)，纖維增強(qiáng)的正效應(yīng)就小于纖維與基體界面脫粘的負(fù)效應(yīng)，力學(xué)性能也因此而隨纖維摻量的增加而降低[5]。

圖3　纖維摻量與砂漿干縮率的關(guān)系Fig.3 Relationship between fiber content and dry-shrinkage of mortar

2.2.3纖維摻量對(duì)砂漿干縮率的影響

由圖3可見(jiàn)，摻加竹纖維后，砂漿的干縮率較基準(zhǔn)砂漿均有顯著降低；這是因?yàn)椋?)竹纖維的吸水性減少了砂漿中水分的蒸發(fā)速率；2)交錯(cuò)的纖維在砂漿基體中起到撐托骨料的作用，抑制了砂粒的下沉，降低了砂漿表面的析水，提高了砂漿的保水能力。兩者綜合作用的結(jié)果是，同等條件下，水泥水化更充分，砂漿本身的強(qiáng)度提高，抵制因失水干燥而產(chǎn)生收縮的能力更強(qiáng)，因此，摻加竹纖維后砂漿的干縮率減小[6]。

纖維摻量對(duì)砂漿的干縮率也有影響。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為10 mm，摻量為0.5～2.0 kg/m3時(shí)，隨著竹纖維摻量的增加，砂漿的干縮率逐漸降低，如在56 d時(shí)，當(dāng)纖維摻量分別為0.5和2.0 kg/m3時(shí)，相應(yīng)砂漿的干縮率較基準(zhǔn)砂漿分別減少了83%和88%。根據(jù)纖維間距理論，當(dāng)纖維摻量增加時(shí)，纖維之間的間距減小，纖維對(duì)砂漿的增強(qiáng)作用越顯著，砂漿的干縮率就相應(yīng)減小，但當(dāng)纖維摻量增加到一定數(shù)值時(shí)，纖維之間纏結(jié)引起的負(fù)效應(yīng)就會(huì)抵消其增強(qiáng)的正效應(yīng)，使得砂漿的干縮率變化較小。

2.3纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿性能的影響

纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿沉入度、表觀密度、強(qiáng)度以及干縮率的影響結(jié)果分別見(jiàn)圖4～6所示。

2.3.1纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿工作性的影響

由圖4可見(jiàn)，砂漿的沉入度隨纖維長(zhǎng)度的增加逐漸增加，而表觀密度卻隨著纖維長(zhǎng)度的增加逐漸較低，即纖維長(zhǎng)度為5～20 mm時(shí)，砂漿的沉入度與纖維長(zhǎng)度成正比，表觀密度與纖維長(zhǎng)度成反比。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，砂漿的沉入度為72 mm，表觀密度為2 003 kg/m3，較纖維長(zhǎng)度為5 mm時(shí)砂漿的沉入度提高9%，表觀密度降低3%。這是因?yàn)槔w維摻量相同時(shí)，纖維長(zhǎng)度越短，纖維與砂漿基體堆積的越密實(shí)，空隙率越低，因此沉入度越小，表觀密度越大[7]。

圖4　砂漿沉入度及表觀密度隨纖維長(zhǎng)度的變化Fig.4 Variation of sinking degree and apparent density of mortar with fiber length

圖5　砂漿強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的變化Fig.5 Variation of strength of mortar with fiber length

2.3.2纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)纖維摻量相同時(shí)，纖維長(zhǎng)度為5～10 mm時(shí)，砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著纖維長(zhǎng)度的增加而增大；當(dāng)纖維長(zhǎng)度為10 mm時(shí)，砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大，分別為5.4和22.6 MPa；纖維長(zhǎng)度為10～20 mm時(shí)，砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著纖維長(zhǎng)度的增加而減少。纖維在砂漿中起“橋接”的作用，當(dāng)砂漿受到荷載，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋時(shí)，基體將應(yīng)力傳給纖維，纖維通過(guò)與基體脫黏從基體中拔出或拉斷,消耗較大的能量，從而提高砂漿的抗折強(qiáng)度[8]。當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短時(shí)，纖維傳遞荷載的作用不明顯，對(duì)纖維砂漿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也不大，但當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)臨界纖維長(zhǎng)度時(shí)，纖維結(jié)團(tuán)的概率就大大增加，纖維在基體中成球，導(dǎo)致空隙率增加，強(qiáng)度降低[2,9]。

圖6　纖維長(zhǎng)度與砂漿干縮率的關(guān)系Fig.6 Relationship between fiber length and dry-shrinkage of mortar

2.3.3纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿干縮率的影響

由圖6可見(jiàn)，纖維摻量同為1.5 kg/m3，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為5～15 mm時(shí)，砂漿的干縮率隨纖維長(zhǎng)度的增加逐漸降低，如在56 d時(shí)，摻長(zhǎng)度為15 mm竹纖維的砂漿，其干縮率較摻長(zhǎng)度為5 mm同種纖維的砂漿減少了72%；但當(dāng)纖維長(zhǎng)度增加至20 mm時(shí)，相應(yīng)砂漿的干縮率雖然比基準(zhǔn)砂漿小，但卻比摻長(zhǎng)度為5 mm竹纖維的砂漿大。說(shuō)明纖維長(zhǎng)度是影響砂漿干縮率的重要因素之一，在纖維摻量一定的情況下，雖然纖維長(zhǎng)度增大會(huì)使單位體積內(nèi)纖維的根數(shù)降低，但由于纖維在砂漿中是呈三維網(wǎng)狀分布的，其間距是不變的，加之較長(zhǎng)纖維與砂漿基體間的界面結(jié)合力較高[10]，因此，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，砂漿的干縮率會(huì)相應(yīng)地減小。但當(dāng)纖維長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，纖維易纏結(jié)成團(tuán)，難以實(shí)現(xiàn)其在砂漿基體中的均勻分散，因此反而降低了其對(duì)砂漿的增強(qiáng)效果。

3　結(jié)論

1)采用將砂、水泥、竹纖維先預(yù)拌2 min，再加水?dāng)嚢? min的攪拌工藝，有利于纖維在基體中的均勻分散，改善竹纖維砂漿的工作性能和力學(xué)性能。

2)隨著纖維摻量(0.5～2.0 kg/m3)的增加，砂漿的沉入度和表觀密度均降低，而強(qiáng)度卻呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在竹纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值。

3)隨著纖維長(zhǎng)度的增加，砂漿的沉入度增大，表觀密度減小，其強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在纖維長(zhǎng)度為10 mm時(shí)達(dá)到最大值。

4)砂漿中摻入竹纖維能顯著降低其干縮率，且隨著纖維摻量的增加，砂漿的干縮率逐漸減小。同時(shí)，竹纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿的干縮率也有顯著影響，在56 d時(shí)，摻長(zhǎng)度為15 mm竹纖維的砂漿，其干縮率較摻長(zhǎng)度為5 mm的同種纖維砂漿減少了72%。

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Experimental research on the impact of bamboo fiber on mortar performances

LIU Yuying，YIN Jian，REN Haibo，HE Lingxia，SANG Zhenghui

(School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)

Based on the optimal mixing process of mortar reinforced with bamboo fiber, the effects of bamboo fiber content and length on workability，flexural strength，compressive strength and dry-shrinkage ratio of mortar were discussed. The test results show that the sinking degree，apparent density and dry-shrinkage ratio of mortar decrease with the increase of fiber content when the amount of fiber is between 0.5 to 2.0 kg/m3. The strength of mortar firstly increased and then decreases, it reaches the maximum value when the fiber content is 1.5 kg/m3. The sinking degree increases while the apparent density decreases with the increase of fiber length when fiber length is between 5 to 20 mm. However, the strength firstly increases and then decreases, and it reaches the maximum value when the fiber length is 10 mm. The dry-shrinkage of mortar firstly decreases and then increases, it reaches the lowest value when the fiber length is 15 mm.

bamboo fiber；mortar；sinking degree；apparent density；strength；dry-shrinkage ratio

2015-10-30

湖南省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013FJ2002)

尹健(1970-)，男，湖南洞口人，教授，博士，從事新型建筑材料研究；E-mail：csuyj700930@163.com

TU528.58

A

1672-7029(2016)08-1522-06