棉稈纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土力學(xué)性能影響的研究

王康，陳國新，李建華，萬朝陽，陳磊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

棉稈纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土力學(xué)性能影響的研究

王康，陳國新，李建華，萬朝陽，陳磊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

針對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度低、脆性大、易開裂等問題，研究在相同纖維摻量及纖維長度下，棉稈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果；考慮棉稈纖維摻入量和纖維長度2個(gè)因素在不同水平下對(duì)陶粒泡沫混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，確定棉稈纖維的最佳摻量和最優(yōu)長度范圍。結(jié)果表明：聚丙烯纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土的增強(qiáng)效果最好，摻加棉稈纖維能有效提高陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度；棉稈纖維最佳摻量為0.8%，此時(shí)抗壓強(qiáng)度較同配比未摻纖維的試塊提高25.0%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高43.1%；長11～15 mm的棉稈纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土的增強(qiáng)效果最明顯。

陶粒泡沫混凝土；棉花秸稈纖維；纖維摻量；纖維長度；抗壓強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度

0 引言

針對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度低、脆性大、易開裂等問題，本研究比較了在相同纖維摻量及纖維長度下，棉花秸稈纖維（以下簡稱棉稈纖維）、玻璃纖維和聚丙烯纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土基本力學(xué)性能的增強(qiáng)效果，考慮棉稈纖維摻量和長度變化對(duì)陶粒泡沫混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，確定棉稈纖維的最佳摻量和最優(yōu)長度范圍。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥，新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥；植物纖維，新疆吐魯番地區(qū)1年生棉花秸稈纖維；玻璃纖維、聚丙烯纖維，性能指標(biāo)見表1；頁巖陶粒，物理性能見表2；發(fā)泡劑，濃度為20%的工業(yè)雙氧水；催化劑，二氧化錳。

表1 玻璃纖維和聚丙烯纖維的性能指標(biāo)

表2 陶粒的物理性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]對(duì)素陶粒泡沫混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，m（水泥）∶m（水）∶m（二氧化錳）∶m（雙氧水）∶m（陶粒）=1∶0.45∶0.025∶0.105∶0.095，棉花纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維摻量均按水泥的質(zhì)量百分比計(jì)[11]。

進(jìn)行以下3組試驗(yàn)：（1）在素陶粒泡沫混凝土中分別摻加1.2%、長度6～10 mm的棉稈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維，比較3種纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土基本力學(xué)性能的影響程度，評(píng)價(jià)棉花秸稈纖維的增強(qiáng)效果；（2）在素陶粒泡沫混凝土中分別摻入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的棉花秸稈纖維，研究其摻量對(duì)基本力學(xué)性能的影響；（3）保持纖維摻入量0.6%不變的情況下，研究6～10、11～15，16～20、21～25、26～30 mm 5個(gè)長度范圍的棉花秸稈纖維對(duì)泡沫混凝土基本力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)根據(jù)纖維種類、棉稈纖維的摻量和長度的不同，將陶粒泡沫混凝土分成12組，各組的編號(hào)及配合比如表3所示。

表3 泡沫混凝土試驗(yàn)配合比

1.3 試塊制備與測(cè)試方法

從以上結(jié)論可知，圣女果隨貯藏時(shí)間的延長，不同壓縮特性參數(shù)的變化趨勢(shì)不太一致。剛度和屈服極限隨貯藏時(shí)間的延長總體呈逐漸上升的趨勢(shì)，但變化幅度不是很大；變形能隨貯藏時(shí)間延長呈逐漸下降的趨勢(shì)；破裂極限和破壞能隨貯藏時(shí)間變化比較復(fù)雜，在貯藏最后3天達(dá)到最大值。

本研究中使用工業(yè)雙氧水通過化學(xué)發(fā)泡制備泡沫混凝土。制備過程為：（1）將陶粒浸水12 h進(jìn)行預(yù)濕；（2）將水泥、陶粒、棉花秸稈纖維混合干拌1.5 min，然后加水?dāng)嚢? min；（3）將準(zhǔn)備好的雙氧水（稀釋后）倒入拌合均勻的混合物中快速攪拌10～15 s；（4）快速將泡沫混凝土澆注到試模中，用木板刮平表面。最后將試模表面覆膜靜置于試驗(yàn)室中24 h后脫模，然后送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

試塊的制作及力學(xué)性能測(cè)試參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3個(gè)；抗壓強(qiáng)度測(cè)試加載速率為1.5～2.5 kN/s，劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試加載速率為0.15～0.25 kN/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過程與特征

進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，不摻纖維試塊在受壓極限荷載的50%～60%時(shí)表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，摻纖維試塊在60%～70%時(shí)表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫；繼續(xù)加載，細(xì)微裂縫逐漸加寬并出現(xiàn)更多的細(xì)微裂縫，同時(shí)裂縫處出現(xiàn)不同程度的小碎粒剝落現(xiàn)象，不摻纖維試塊的裂縫拓展速度和碎粒剝落量要明顯大于摻纖維的試塊；繼續(xù)加載，隨著碎粒剝落量的不斷增多試塊被破壞，摻纖維試塊的強(qiáng)度和裂縫擴(kuò)展時(shí)間均大于未摻纖維試塊。破壞時(shí)，纖維含量高的試塊邊緣及表面的松散程度要明顯優(yōu)于不摻纖維的試塊，其裂縫處沿垂直斷裂面分布的纖維大部分被拉斷或拔出。

進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)，墊條隨荷載的增加逐漸嵌入試塊，不摻纖維試塊在達(dá)到劈裂極限荷載時(shí)沿墊條部位出現(xiàn)裂縫并很快劈成兩半，破壞聲音清脆，而摻纖維試塊尤其是纖維摻量大的試塊在達(dá)到劈裂極限荷載時(shí)，可以明顯觀察到纖維被拉斷的過程，整個(gè)過程伴隨窸窣的響聲并有小碎粒剝落。試件破壞后，垂直于斷面分布的陶粒全部被劈裂、纖維被拉斷或拔出

2.2 不同種類纖維對(duì)試塊強(qiáng)度的影響（見表4）

表4 不同種類纖維對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

由表4可知，摻加棉稈纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維試塊的抗壓強(qiáng)度較同配比未摻纖維的試塊分別提高12.5%、17.2%、18.7%，劈裂抗拉強(qiáng)度較同配比未摻纖維的試塊分別提高23.8%、36.5%、39.7%。表明聚丙烯纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最大，玻璃纖維次之，棉稈纖維最小。3種纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果相差不大，而對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果差別較大。雖然棉稈纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不如聚丙烯纖維和玻璃纖維，但摻加棉稈纖維的試塊較同配比未摻纖維試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度及拉壓比明顯提高，陶粒泡沫混凝土的脆性得到了有效改善。

2.3 棉稈纖維摻量對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

2.3.1 抗壓強(qiáng)度（見圖1）

圖1 棉稈纖維摻量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可見：（1）摻棉稈纖維試塊的抗壓強(qiáng)度比未摻棉稈纖維試塊的抗壓強(qiáng)度明顯提高，棉稈纖維摻量為0.2%的試塊抗壓強(qiáng)度較同配比未摻纖維的提高11.0%。原因在于：棉稈纖維摻入基體后，亂向分布的棉稈纖維提高了試塊內(nèi)部的整體性，棉稈纖維承擔(dān)了因基體開裂轉(zhuǎn)移給它的應(yīng)力，從而約束了微裂縫的擴(kuò)展并改變了裂縫的發(fā)展方向。（2）隨棉稈纖維摻量增加，陶粒泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，棉稈纖維摻量為0.8%時(shí)，陶粒泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。產(chǎn)生此種現(xiàn)象原因在于：纖維與基體的結(jié)合面是荷載作用下相對(duì)比較薄弱的界面，隨棉稈纖維摻量增加，網(wǎng)狀受力體系的“空間約束”能力得到增強(qiáng)，但同時(shí)也增加了弱界面數(shù)量，弱界面效應(yīng)使得“空間約束”能力相應(yīng)減弱，所以試塊抗壓強(qiáng)度變化幅度變小。棉稈纖維摻量為1.0%時(shí)，弱界面數(shù)量增多，造成的削弱效應(yīng)大于網(wǎng)狀受力體系的“三維約束”能力，所以試塊抗壓強(qiáng)度有所降低。

2.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度（見圖2）

圖2 棉稈纖維摻量對(duì)試塊劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖2可見：（1）陶粒泡沫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨棉稈纖維摻量的增多而提高，纖維摻量為1.0%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。根據(jù)“纖維間隔理論”[12-13]，隨棉稈纖維摻量的增加，纖維間距減小，單位面積上橫跨于劈裂面兩端的纖維數(shù)量增多，眾多棉稈纖維從基體中拔出或被拉斷消耗了大量能量，所以劈裂抗拉強(qiáng)度隨棉稈纖維摻量增多而增大。（2）棉稈纖維摻量超過0.8%以后劈裂抗拉強(qiáng)度增長趨勢(shì)有所減弱。產(chǎn)生此種現(xiàn)象原因在于：當(dāng)纖維摻量過多時(shí)，快速攪拌過程中纖維抱團(tuán)、成束的概率大大增加，纖維抱團(tuán)造成實(shí)際承受拉應(yīng)力作用的纖維數(shù)量減少。此外，制備過程中發(fā)現(xiàn)，摻加棉稈纖維后，料漿流動(dòng)性大幅度下降，且纖維摻量增多以后造成混凝土難以發(fā)泡。

由上述試驗(yàn)分析可得，棉稈纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果要優(yōu)于抗壓強(qiáng)度，摻量為0.8%的試塊較同配比未摻纖維試塊的抗壓強(qiáng)度提高25.0%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高43.1%。當(dāng)棉稈纖維摻量超過0.8%時(shí)，會(huì)對(duì)陶粒泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、工作性能造成不利。故棉稈纖維合理摻量應(yīng)為0.8%，這樣既保證了料漿的流動(dòng)性，又能充分發(fā)揮其增強(qiáng)效果。

2.4 棉稈纖維長度對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

2.4.1 抗壓強(qiáng)度（見圖3）

圖3 棉稈纖維長度對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可見：（1）隨著纖維長度的增加，陶粒泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在纖維長度為11～15 mm時(shí)達(dá)到最大值，纖維長度11～15 mm的試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)纖維長度6～10 mm的試塊提高3.7%，這是因?yàn)?，隨著纖維長度的增加，纖維首尾相連形成的“空間網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)使得纖維之間的搭接、牽連作用更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)整體性更好，試塊受外荷載作用時(shí)受力更加均勻。（2）當(dāng)纖維長度大于15 mm時(shí)，陶粒泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增加而降低，并且纖維越長抗壓強(qiáng)度降低越快。這是因?yàn)槔w維過長在攪拌過程中容易發(fā)生卷曲，纖維卷曲造成試塊內(nèi)部剛度不均勻、局部應(yīng)力集中部位增多，而且卷曲現(xiàn)象使得纖維在基體中無法形成有效的網(wǎng)狀增強(qiáng)受力體系，造成裂縫擴(kuò)展速度加快。

2.4.2 劈裂抗拉強(qiáng)度（見圖4）

圖4 棉稈纖維長度對(duì)試塊劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖4可見：隨著纖維長度的增加，陶粒泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低，在纖維長度為11～15 mm時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，長度超過15 mm時(shí)，試塊劈裂抗拉強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)趨于緩和，且纖維長度11～15 mm的試塊劈裂抗拉強(qiáng)度較纖維長度6～10 mm的提高12.5%。這是因?yàn)?，?dāng)纖維長度超過15 mm時(shí)，在纖維摻量不變的情況下，纖維卷曲現(xiàn)象造成劈裂截面的纖維平均間距變大，使得劈裂面實(shí)際承受拉應(yīng)力的纖維數(shù)量減少而造成劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

由上述試驗(yàn)分析可得，11～15 mm的棉稈纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度提升效果大于抗壓強(qiáng)度。纖維長度超過15 mm時(shí)，陶粒泡沫混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度都呈下降趨勢(shì)，且抗壓強(qiáng)度下降幅度更大、更明顯。棉稈纖維合理長度應(yīng)為11～15 mm，這樣保證了在最佳摻量下棉稈纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度有進(jìn)一步提升。

3 結(jié)論

（1）聚丙烯纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土的增強(qiáng)效果最大，玻璃纖維次之，棉稈纖維最小。摻加棉稈纖維后陶粒泡沫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、拉壓比明顯提升，混凝土脆性得到有效改善。

（2）棉稈纖維最佳摻量為0.8%，此時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度較同配比未摻纖維的試塊提高25.0%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高43.1%。

（3）纖維長度11～15 mm的棉稈纖維對(duì)陶粒泡沫混凝土的增強(qiáng)效果最明顯。其劈裂抗拉強(qiáng)度較纖維長度6～10 mm的提高12.5%，抗壓強(qiáng)度提高3.7%。

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The research on mechanical properties of ceramic foamed concrete mixed with cotton straw fiber

WANG Kang，CHEN Guoxin，LI Jianhua，WAN Chaoyang，CHEN Lei
（College of Hydraulic and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

In view of low strength，large brittleness，easy to crack and other defects of foamed concrete，the experiment was made by comparing the reinforcement effect of mechanical properties by cotton straw fiber，glass fiber and polypropylene fiber.Further research cotton straw fiber content and fiber length impact on the ceramic foamed concrete compressive and splitting tensile strength，and determine the optimal content and length.The results indicate that the reinforcement effect of ceramic foamed concrete strength by polypropylene fiber is the biggest，and adding cotton fiber into ceramic foamed concrete can effectively improve its strength.The optimal content of cotton stalk fiber is 0.8%，compared with the same ratio undoped fiber specimen，its compressive strength of ceramic foamed concrete increased 25.0%，splitting tensile strength increased 43.1%.The cotton stalk fiber of 11～15 mm is the optimal fiber length which reinforcement effect of ceramic foamed concrete strength is the most obvious.

ceramicfoamedconcrete，cottonstrawfiber，fibercontent，fiberlength，compressivestrength，splittingtensile strength

TU528

A

1001-702X（2016）07-0113-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11242007）；新疆維吾爾自治區(qū)優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2014721012）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（RCPY201208）

2015-12-22；

2016-01-25

王康，男，1989年生，新疆烏魯木齊人，碩士研究生。