木纖維混凝土空心砌塊的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張艷霞，寧廣，徐斌，張賀昕

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；

2.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044；

3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045）

木纖維混凝土空心砌塊的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張艷霞1，2，寧廣1，徐斌3，張賀昕1

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；

2.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044；

3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045）

針對(duì)15%體積摻量的木纖維混凝土分別進(jìn)行了立方體試塊與空心砌塊的試驗(yàn)研究，變摻量的分析木纖維混凝土的材料配合比，測(cè)試不同水灰比、CR乳膠、減水劑含量下多組木纖維混凝土試塊的力學(xué)性能。通過(guò)試驗(yàn)分析不同的水灰比、CR乳膠摻量與砌塊尺寸對(duì)木纖維混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，15%體積摻量的木纖維混凝土經(jīng)堿液預(yù)處理后，在水灰比0.2，CR乳膠摻量5%條件下制備的空心砌塊成型較好，密度較小，符合JG/T 327—2011《植物纖維工業(yè)灰渣混凝土砌塊》中承重砌塊的強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了大摻量植物纖維混凝土作為承重砌塊的目標(biāo)。

木纖維混凝土；水灰比；CR乳膠；強(qiáng)度試驗(yàn)

我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中大國(guó)，又是一個(gè)建筑大國(guó)，每年新建房屋面積高達(dá)20億m2，超過(guò)所有發(fā)達(dá)國(guó)家每年建成建筑面積的總和。如何實(shí)行建筑節(jié)能，降低能源消耗和環(huán)境污染，提高能源利用率,已成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展必須研究解決的重大課題。植物纖維廣泛存在于自然界中，是一種取材方便、可再循環(huán)的資源，植物纖維混凝土既適應(yīng)了國(guó)家建設(shè)節(jié)能型社會(huì)的需求，發(fā)展節(jié)約資源的可循環(huán)經(jīng)濟(jì)，又同時(shí)改善了混凝土的材料性能。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家對(duì)混凝土中摻加秸稈、劍麻、木屑等植物纖維皆有一定的研究[1-7]，但大部分都是為提高混凝土性能進(jìn)行的植物纖維小摻量的研究。對(duì)大體積比的摻加植物纖維的混凝土性能研究較少。大體積地?fù)郊又参锢w維可使混凝土的自重大大減輕，材料保溫性能提高，造價(jià)降低，具有重要的研究意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：北京金隅集團(tuán)生產(chǎn)的P·O42.5水泥；木纖維：干燥松木屑，細(xì)度16目以下，密度為930 kg/m3，飽和吸水率為1.94%；粉煤灰：Ⅰ級(jí)；減水劑：高性能聚羧酸減水劑；CR乳膠：主要用于增加材料的粘性與防水性能。

1.2 試驗(yàn)步驟

（1）變摻量的研究木纖維混凝土的配合比。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，使用臥軸式強(qiáng)制攪拌機(jī)制作100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊。為避免木纖維混凝土出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，在制作過(guò)程中，先將木屑浸水?dāng)嚢柚脸浞诛柡停偌尤胨嗯c粉煤灰一同攪拌至均勻，最后加入剩余的膠水混合物充分?jǐn)嚢?，使木纖維、CR乳膠與水泥粉煤灰攪拌均勻；將混合料裝入模具中，邊裝邊壓實(shí)至模具上沿處，放在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)；試塊制作成型后靜置2～3 d后進(jìn)行編號(hào)脫模，并立即放入溫度為（20±1）℃、濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

（2）參考立方體試塊的試驗(yàn)結(jié)果，并依據(jù)GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》制作并研究木纖維空心砌塊的抗壓性能。試驗(yàn)參考立方體試塊的制作流程配制混合料，采用多功能制磚設(shè)備，如圖1所示，分別制作了390 mm×190 mm×190 mm、壁厚25 mm、肋厚35 mm和390 mm×190 mm× 190 mm、壁厚30 mm、肋厚40 mm的2種尺寸空心砌塊。脫模后送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

圖1 多功能制磚設(shè)備

2 立方體試塊的性能研究

[8]，分別按體積摻量15%、20%摻入木纖維。為取得最佳形態(tài)的混合料,研究了不同水灰比對(duì)木纖維混凝土的影響，配合比如表1所示。此外，為了研究加入CR乳膠對(duì)木纖維混凝土的影響，按如表1相同配比制作了一批不含CR乳膠的15%木纖維混凝土。每組配合比制作至少6塊試塊。15%木纖維含量的混凝土形態(tài)良好，攪拌后的混合料如圖2所示，混合料具有一定的粘結(jié)力，2～3 d之后拆模成型較好。

表1 木纖維混凝土立方體試塊配合比

圖2 木纖維體積摻量15%的木纖維混凝土

參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間7、28 d的立方體試塊分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用30 t恒加載壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。表2為15%木纖維混凝土的抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，其中未摻CR乳膠的試塊7、28 d的抗壓強(qiáng)度均低于1 MPa，在此不予討論。

表2 木纖維體積摻量15%的混凝土抗壓強(qiáng)度

由表2可見(jiàn)，水灰比0.35的試塊密度明顯小于水灰比0.20的試塊，但隨著水灰比的增大，試塊的抗壓強(qiáng)度也大幅降低。水灰比0.25、0.30、0.35的試塊28 d抗壓強(qiáng)度均低于1 MPa。水灰比0.20的試塊含水量適中，試塊成型較好，28 d抗壓強(qiáng)度較高。

圖3為不同水灰比試塊的破壞情況。通過(guò)破壞面的觀測(cè)可知，水灰比為0.20的立方體試塊水泥水化充分，內(nèi)部材料密實(shí)，無(wú)木屑剝落現(xiàn)象，而其它水灰比的試塊由于含水量較高，水泥顆粒間距較大，內(nèi)部潮濕，材料間的粘結(jié)性能較差。

圖3 不同水灰比試塊的破壞情況

3 空心砌塊的性能研究

參考立方體試塊的制作流程與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選取了木纖維體積摻量為15%，水灰比為0.2的配合比制作空心砌塊，并進(jìn)一步考慮了不同CR乳膠摻量及空心砌塊壁厚對(duì)植纖混凝土性能的影響，制作了2種不同壁厚尺寸的混凝土空心砌塊，配合比見(jiàn)表3。

表3 空心砌塊的配合比

為使空心砌塊強(qiáng)度可以得到進(jìn)一步的提高，針對(duì)木纖維與水泥接觸面的材料機(jī)理進(jìn)行了改善。參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，目前纖維與水泥的接觸面存在以下問(wèn)題：

（1）纖維遭受水泥水化物的堿性侵蝕。Gram[9]認(rèn)為水泥基材的孔隙中的高堿性液相對(duì)纖維有侵蝕作用，波特蘭水泥基材孔隙中的高堿液相使纖維細(xì)胞中的半纖維素與木質(zhì)素被溶解出來(lái)，使各個(gè)纖維細(xì)胞間的連接減弱，因而大大降低了基材的增強(qiáng)作用。

（2）纖維的“礦物化”。Gram等[10]認(rèn)為纖維的“礦物化”是由于Ca（OH）2沉積在纖維細(xì)胞的內(nèi)腔與孔隙內(nèi)，使纖維的剛性與脆性增加，并認(rèn)為纖維的“礦物化”是植物纖維增強(qiáng)水泥基材料老化后變脆的主要原因。

針對(duì)以上的問(wèn)題，進(jìn)一步提出一種改進(jìn)方案。2-9號(hào)空心砌塊在木纖維與水泥混合攪拌之前，先將木纖維浸入加有部分水泥的堿性液體中浸泡30 min，主要目的是通過(guò)堿液先對(duì)木纖維進(jìn)行表面處理，去除了天然纖維中的大部分半纖維素木質(zhì)素、果膠等低分子雜質(zhì)，提高了其分子取向，改善了其表面性能。再將浸泡后的木纖維泌水后倒入攪拌桶中與混合料一同攪拌均勻后加入5%的CR乳膠。并與未預(yù)處理的2-8號(hào)試塊進(jìn)行對(duì)比分析。

空心砌塊的制作過(guò)程與立方體試塊的制作過(guò)程有所差異?？招钠鰤K無(wú)法預(yù)先帶模養(yǎng)護(hù)，這就要求攪拌好的混凝土必須是干硬性的，坍落度等于0。在試驗(yàn)初期，我們研究了不同的加水量對(duì)空心砌塊成型的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比大于0.20時(shí)，木纖維混凝土過(guò)濕，初期強(qiáng)度較低脫模后無(wú)法抵抗變形，導(dǎo)致空心砌塊成型困難。當(dāng)水灰比小于0.15時(shí)，木纖維混凝土較干，水泥沒(méi)有水化完全，材料間粘結(jié)性能低，在出模時(shí)發(fā)生分層現(xiàn)象。當(dāng)水灰比在0.15～0.20時(shí)，空心砌塊的成型情況良好，加壓振動(dòng)壓模時(shí)，底部會(huì)有輕微泌水現(xiàn)象。試驗(yàn)制作的空心砌塊如圖4所示。

圖4 空心砌塊

參考GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》對(duì)木纖維混凝土空心砌塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 空心砌塊的密度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1-1號(hào)與1-3號(hào)配比砌塊容重基本相同，隨著砌塊中CR乳膠含量的升高，空心砌塊的抗壓強(qiáng)度顯著上升。由此可見(jiàn)CR乳膠起到了提高木纖維混凝土強(qiáng)度、提高材料粘性的作用。此外CR乳膠還具有防水的功效。但1號(hào)系列空心砌塊壁厚與肋厚都較薄，導(dǎo)致砌塊的強(qiáng)度提升空間有限。1-1號(hào)與1-3號(hào)配比砌塊的破壞情況分別如圖5、圖6所示。

圖5 1-1號(hào)木纖維混凝土空心砌塊抗壓試驗(yàn)破壞情況

圖6 1-3號(hào)木纖維混凝土空心砌塊抗壓試驗(yàn)破壞情況

由表4可以看出，2號(hào)系列空心砌塊壁厚、肋厚加寬之后空心砌塊的容重有所增加，因?yàn)橹拼u機(jī)本身的問(wèn)題，制成的砌塊底部有較厚的沉積。但抗壓強(qiáng)度有了明顯提高，其中未經(jīng)過(guò)過(guò)堿處理的2-8號(hào)砌塊抗壓強(qiáng)度符合JG/T 327—2011《植物纖維工業(yè)灰渣混凝土砌塊》中非承重砌塊強(qiáng)度高于MU3.5低于MU5.0的要求。經(jīng)過(guò)過(guò)堿處理的2-9號(hào)砌塊平均抗壓強(qiáng)度較2-8號(hào)砌塊提高21%，強(qiáng)度上升明顯，并且符合JG/T 327—2011中承重砌塊強(qiáng)度高于MU5.0的要求。2-8號(hào)與2-9號(hào)配比空心砌塊的破壞情況分別如圖7、圖8所示。

圖7 2-8號(hào)木纖維混凝土空心砌塊破壞情況

圖8 2-9號(hào)木纖維混凝土空心砌塊破壞情況

從圖7、圖8可以看出，木纖維經(jīng)過(guò)預(yù)先堿處理的空心砌塊在壓壞后表面并沒(méi)有明顯剝落現(xiàn)象，塊體堅(jiān)硬，在壓塊初期局部出現(xiàn)裂縫后依然不影響砌塊的抗壓能力，直到最后出現(xiàn)貫通裂縫時(shí)空心砌塊才破壞。由此可見(jiàn)，木纖維經(jīng)堿處理可以有效改善木纖維與水泥之間的接觸界面，使木纖維混凝土整體性與強(qiáng)度都有所改善。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）木纖維混凝土強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果表明，水灰比為0.20 時(shí)15%木纖維混凝土的空心砌塊成型良好。

（2）CR乳膠摻入可有效地提高植纖混凝土強(qiáng)度和材料粘性性能，考慮砌塊制作的成本等綜合因素，推薦CR乳膠的最佳摻量為5%。

（3）空心砌塊的壁厚對(duì)砌塊強(qiáng)度有較大的影響，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可見(jiàn)，390 mm×190 mm×190 mm，壁厚30 mm可以滿足15%木纖維混凝土空心砌塊對(duì)強(qiáng)度的要求。

（4）15%木纖維混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要極高的濕度環(huán)境才可使木纖維混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中得到充分水化反應(yīng)，使后期強(qiáng)度得到提高。在制作過(guò)程中，通過(guò)堿液對(duì)木纖維進(jìn)行表面處理，去除天然纖維中的大部分半纖維素、木質(zhì)素、果膠等低分子雜質(zhì)，能夠提高其分子取向，改善表面性能。

（5）JG/T 327—2011中，對(duì)承重砌塊的植物纖維摻量要求不大于質(zhì)量的5%。但15%體積比的木纖維空心砌塊中木纖維的摻量約在6%～8%，已超出規(guī)范的要求，屬于大摻量植物纖維混凝土砌塊，但試驗(yàn)中選取的2-9號(hào)配合比制作的試塊，已能夠滿足JG/T 327—2011中MU5.0承重砌塊的強(qiáng)度要求。

在本文的研究基礎(chǔ)上，作者今后還將進(jìn)一步地深入研究木纖維與水泥接觸面的微觀形態(tài)，并作進(jìn)一步的改善。此外，還將研究大摻量木纖維空心砌塊墻體在保溫、防火與抗震方面的性能。

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Testing research towards the mechanical performance of the plant fiber concrete block

ZHANG Yanxia1，2，NING Guang1，XU Bin3，ZHANG Hexin1
（1.School of Civil and Transportation Engineering，University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；
2.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Structural Engineering and New Materials，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；
3.Beijing Institute of Architecture Design，Beijing 100045，China）

In this thesis，the experimental research towards the concrete combined 15%plant fiber were carried out to the test cube and hollow block separately；analyze the material mixing ratio of the plant fiber concrete through various contents；test the mechanical performance to multiple sets of plant fiber concrete blocks varies different water cement ratio，contents of the CR latex and water reducing agent；analyze the impacts that various contents such as water cement ratio，the CR latex and water reducing agent would exact to the mechanical performance of the plant fiber concrete.The tests indicate that with the use of 15%volume content of plant fiber concrete，pre-treated by the alkali liquor，with 0.2 water cement ratio and 5%contents of CR latex，the formability of the hollow blocks is better，the density is lower，which would satisfy the standards of JG/T 327—2011"Plant fiberindustrial waste slag concrete block"and realized the target of being load-bearing blocks with a large amount of plant fiber.

the plant fiber concrete，water cement ratio，CR latex，strength experiment

TU522.3

A

1001-702X（2016）09-0043-04

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51278027）；科技成果轉(zhuǎn)化-提升計(jì)劃項(xiàng)目（2015年）（PXM2015_014210_000005）

2016-02-18

張艷霞，女，1970年生，吉林琿春人，博士，副教授。