劍麻纖維混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

郭俊杰?姜景山?張超?徐凡?杜遠(yuǎn)航?徐立城?戈澤淼?周海玥?黃鑫

摘要：劍麻纖維混凝土作為一種新型的纖維混凝土可以有效阻止混凝土裂縫的發(fā)展，它綜合了混凝土的抗壓性能和劍麻纖維的抗拉性能，可有效改善混凝土的力學(xué)性能。文章簡(jiǎn)要闡述了劍麻纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的作用機(jī)理，并從抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和坍落度3個(gè)方面總結(jié)了劍麻纖維混凝土力學(xué)性能研究的進(jìn)展。最后結(jié)合劍麻纖維混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用，提出對(duì)劍麻纖維混凝土的進(jìn)一步研究方向。

關(guān)鍵詞：劍麻纖維混凝土;力學(xué)性能;作用機(jī)理;強(qiáng)度;裂縫;工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S969.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

混凝土是一種常用的建筑材料，具有抗壓性能強(qiáng)、取材方便、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑工程中。然而混凝土同時(shí)也存在抗拉性能差、韌性低的劣勢(shì)。劍麻纖維作為天然植物纖維的一種，具有韌性高、抗拉抗腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)。將劍麻纖維經(jīng)適當(dāng)處理后摻入混凝土中，可以有效改善混凝土的力學(xué)性能，特別是對(duì)混凝土抗拉性能的提升效果顯著，并且采用劍麻纖維替代傳統(tǒng)的混凝土摻和料，可以解決劍麻纖維因用途范圍小而經(jīng)常被丟棄的問題，符合當(dāng)今時(shí)代綠色環(huán)保、節(jié)約發(fā)展的理念。摻入劍麻纖維也成為目前提升混凝土力學(xué)性能的一種有效、經(jīng)濟(jì)的新型混凝土加固方法。

1 劍麻纖維混凝土改善性能的作用機(jī)理

混凝土由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水和外加劑等組成，在水泥硬化后，水泥漿將石子等粗骨料膠結(jié)在一起，形成混凝土抵抗壓力的主要強(qiáng)度支撐。而石子等粗骨料因顆粒粒徑和體積較大，顆粒之間會(huì)產(chǎn)生很多空隙，因此采用砂等細(xì)骨料作為填充材料，提升混凝土的整體密度。即便如此，混凝土內(nèi)部仍然會(huì)存在許多大小不一的空隙與裂縫，在實(shí)際工作環(huán)境下，混凝土?xí)蚴芰Σ痪?yīng)力集中等影響而使孔隙間所受壓力增大，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，最終致使整體結(jié)構(gòu)的破壞。劍麻纖維具有抗拉強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。一方面，劍麻纖維的摻入可以填補(bǔ)部分空隙使混凝土結(jié)構(gòu)更加緊密;另一方面，在混凝土裂縫產(chǎn)生時(shí)，劍麻纖維通過與混凝土內(nèi)部基體的牢固粘結(jié)，對(duì)細(xì)微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展起到很好的限制和約束作用[2]63。董健苗等[3]通過劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁裂縫寬度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同的纖維長(zhǎng)度與纖維摻量會(huì)使混凝土的力學(xué)性能有不同的改變。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為10 mm、摻量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高較大，劍麻纖維的摻入有效提高了試驗(yàn)梁的開裂荷載，改善了裂縫形態(tài)，證明劍麻纖維摻入混凝土中可明顯提升混凝土的力學(xué)性能。此外，劍麻纖維的長(zhǎng)度選擇，纖維摻量等因素會(huì)直接影響到劍麻纖維與混凝土砂漿的粘結(jié)度，使混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不同的變化。長(zhǎng)度過短、摻量過少的劍麻纖維并不會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生緊密的效果;長(zhǎng)度過長(zhǎng)、摻量過多的劍麻纖維會(huì)讓纖維失去彈性伸張和吸收能量的作用，反而使混凝土更容易發(fā)生脆性破壞[4]。所以對(duì)劍麻纖維的長(zhǎng)度及摻量做出合適的選擇也是一個(gè)值得思考的問題。

2 劍麻纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究

2.1 抗壓性能

混凝土的抗壓強(qiáng)度是其力學(xué)性能中最基本，也是最重要的一項(xiàng)，所以劍麻纖維混凝土的抗壓性能是研究其力學(xué)性能的重要內(nèi)容。包惠明和孟漢卿[2]在劍麻纖維混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中開展了劍麻纖維混凝土力學(xué)性能的研究，結(jié)果表明，劍麻纖維可以有效提高混凝土的早期強(qiáng)度，隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度增加幅度減緩，但總體上仍呈上升趨勢(shì)。董健苗[5]在單摻與混摻纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，纖維摻量在0～1 kg/m3范圍內(nèi)，纖維的摻入會(huì)使得自密實(shí)輕骨料混凝土機(jī)體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度;纖維摻量在1～1.5 kg/m3范圍內(nèi)，纖維的摻入使纖維與混凝土內(nèi)部的粘結(jié)性能增強(qiáng)，對(duì)混凝土受壓時(shí)產(chǎn)生的橫向變形有較好的約束效果，從而使混凝土抗壓強(qiáng)度得到提高;纖維摻量繼續(xù)增大，纖維間會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，而使混凝土強(qiáng)度降低。包惠明[6]等通過劍麻纖維混凝土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強(qiáng)度略有增加，當(dāng)劍麻纖維摻量為3～4.5 kg/m3時(shí)，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大;當(dāng)劍麻纖維摻量大于4.5 kg/m3時(shí)，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強(qiáng)度還略有降低，造成劍麻纖維水泥混凝土抗壓強(qiáng)度降低的主要原因是隨著劍麻纖維摻量的增大，混凝土中含氣量增加引起混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

綜合以上分析，劍麻纖維對(duì)混凝土的抗壓性能有所提高，但是性能提高有限，由于影響因素眾多，且對(duì)于在不同水膠比的條件下，其抗壓性能的試驗(yàn)研究較少涉及，需要對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。

2.2 抗拉性能

混凝土抗拉性能弱是工程師們長(zhǎng)久以來致力于解決的難題，劍麻纖維具有質(zhì)地堅(jiān)韌、富有彈力、拉力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，劍麻纖維的摻入對(duì)于改善混凝土抗拉性能的具體效果還需要深入進(jìn)行研究。包惠明和孟漢卿[2]通過對(duì)比含有不同量的劍麻纖維的混凝土試塊抗拉能力的試驗(yàn)中，研究發(fā)現(xiàn)劍麻纖維對(duì)混凝土的影響主要在于劍麻纖維可以有效抑制細(xì)微裂縫的發(fā)展。戴文亭[7]等的劍麻纖維水泥加固土的路用性能實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)比相等劍麻纖維摻量的制件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至7 d、18 d、90 d，對(duì)其劈裂抗拉性能進(jìn)行對(duì)比，由此得出：加入劍麻纖維后，路面的早期強(qiáng)度升高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，間接抗拉強(qiáng)度較高。由此可見，劍麻纖維的摻入對(duì)于增強(qiáng)混凝土的抗拉性有著較為理想的效果。黃瓊念[8]等開展了劍麻纖維水泥混凝土復(fù)合材料性能試驗(yàn)，記錄不同的劍麻纖維摻量的混凝土試塊在7 d、28 d養(yǎng)護(hù)下的抗拉能力，并進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維的劈裂抗拉強(qiáng)度不斷增加，而當(dāng)劍麻纖維的摻量達(dá)到3.0 kg/m3左右時(shí)，劍麻纖維水泥混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。譚曦、蘇有文[9]在對(duì)劍麻纖維混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究中，通過在混凝土試塊制作過程中摻入不同量的劍麻纖維對(duì)其劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小，但總體來說劍麻纖維混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度有所增強(qiáng)。在陳晚香所撰寫的《鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理及抗裂性能分析》[10]一文中提及普通混凝土結(jié)構(gòu)具有非勻質(zhì)性，當(dāng)它受拉時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生不規(guī)則應(yīng)力集中，極易產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象，而因?yàn)殇摾w維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土，在混凝土中摻入鋼纖維能夠有效地抑制和延緩開裂等現(xiàn)象，從而提升纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，同樣的道理可以沿用于劍麻纖維混凝土上，我們可以認(rèn)為，劍麻纖維混凝土的摻入，會(huì)提升普通混凝土的劈裂抗拉能力。

綜上所述，劍麻纖維的摻入對(duì)于混凝土的抗拉性能有著顯著的改善效果，而劍麻纖維的摻量是增強(qiáng)混凝土抗拉性能的重要影響因素。

2.3 坍落度

坍落度是針對(duì)混凝土在經(jīng)過一段時(shí)間后逐漸變稠、黏聚性升高但是流動(dòng)性卻不斷下降的現(xiàn)象所采取的一種流動(dòng)性表征指標(biāo)。坍落度由水泥中礦物質(zhì)組成成分、攪拌過程的水膠比、衡器的稱量誤差、外加劑的種類和用量、外界環(huán)境的溫度和濕度等因素綜合決定。混凝土攪拌過程中具有難檢測(cè)性，難觀察性，易受外界環(huán)境的影響。而坍落度則可以提前反映混凝土的質(zhì)量的高低。若坍落度指標(biāo)低，可預(yù)知混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不符合工程要求，須采取有效措施保證工程質(zhì)量。

2.3.1 水膠比對(duì)坍落度的影響

混凝土是水硬性材料，在其硬化過程中需要進(jìn)行水化作用，坍落度也受其水膠比的影響。董桃桃[11]在測(cè)試自密實(shí)混凝土坍落度影響因素中發(fā)現(xiàn)水膠比不當(dāng)易造成坍落度降低，一旦坍落度降低可能導(dǎo)致無法通過加減水量來規(guī)避坍落度的損失，以至于混凝土內(nèi)部分布不均，降低工程質(zhì)量，影響建筑物的安全。吳利子[12]在測(cè)試不同水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在水泥用量不變的情況下，水膠比愈小，混凝土拌合物的流動(dòng)性愈小，坍落度愈小，會(huì)使施工困難，同時(shí)不能保證混凝土的密實(shí)性;如果水膠比過大，又會(huì)導(dǎo)致混凝土拌合物的黏聚性和保水性不良，嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度。

2.3.2 劍麻纖維體積率對(duì)坍落度的影響

在混凝土中加入劍麻纖維會(huì)吸收其中一部分的水分，合適的纖維體積率可以改善混凝土凝固的三維結(jié)構(gòu)，但纖維體積率過大也會(huì)造成坍落度的損失增大。

3 劍麻纖維混凝土在工程中的應(yīng)用

目前劍麻纖維混凝土已廣泛應(yīng)用于高速公路、橋梁路面、隧道、碼頭鋪面、機(jī)場(chǎng)道面、國(guó)防工程、水利工程（如大壩）、工業(yè)建筑地面、剛性防水、修復(fù)工程（如水池類結(jié)構(gòu)裂縫滲水修復(fù)、壩體及擋墻修復(fù)）、建筑墻面（如墻體保溫板）等工程中[13]，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力區(qū)、抗沖磨結(jié)構(gòu)、抗爆結(jié)構(gòu)、抗震結(jié)構(gòu)（如連梁，利用纖維混凝土的變形吸收地震能量）中也有應(yīng)用[14]。相關(guān)研究結(jié)果表明，劍麻纖維的摻入對(duì)混凝土抗裂性能有明顯的改善，劍麻纖維的摻入能使混凝土的裂隙消除率達(dá)到90%以上，足以見得纖維摻入對(duì)混凝土抗裂性能提高的效果之明顯[15]。

此外，劍麻纖維混凝土作為植物纖維復(fù)合建筑材料，具有低碳環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。在制作保溫板方面，劍麻纖維混凝土構(gòu)件不僅能提升平均熱阻值，而且材料上也更加節(jié)能減排[16]。鋪設(shè)路面用劍麻纖維混凝土耐久性高，造價(jià)低廉，可以滿足大型工程中施工運(yùn)輸?shù)囊?。水電站主廠房水下結(jié)構(gòu)中的普通混凝土，常因混凝土中存在較多微裂紋及普通混凝土的開裂而降低了其防滲能力，潮濕的環(huán)境對(duì)機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行造成不同程度的影響，劍麻纖維混凝土有較高的抗裂防滲性能，被廣泛運(yùn)用于水下工程中。不僅如此，纖維混凝土在施工中可為諸多工程建造提供有效而便捷的幫助，如隧道工程，在爆破開挖形成隧道后，隧道表面的巖體凹凸不平，以往做法是掛鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土保護(hù)，施工難度大?，F(xiàn)在可以直接噴射鋼纖維混凝土，施工方便質(zhì)量好，然后再進(jìn)行下一道工序 （如做防水層，永久支護(hù)結(jié)構(gòu)等）。由此可見，不僅是對(duì)于劍麻纖維混凝土，大多數(shù)纖維混凝土均已投入實(shí)際工程應(yīng)用中并且用途廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

大量的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用證明劍麻纖維的摻入對(duì)混凝土力學(xué)性能有著顯著的提高，劍麻纖維混凝土將劍麻纖維的抗拉性和混凝土的抗壓性兩種優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，不僅有效提升了混凝土的力學(xué)性能，而且對(duì)于較多廢棄的劍麻纖維，可以回收利用于混凝土的摻和料，對(duì)于踐行綠色環(huán)保的發(fā)展理念有著重要意義。然而不同的纖維摻量與混凝土水膠比對(duì)纖維混凝土的力學(xué)性能改善也不盡相同，如何確定最佳的纖維摻量與混凝土水膠比，以此發(fā)揮劍麻纖維混凝土的最佳性能用于服務(wù)工程實(shí)際仍是一個(gè)亟待解決的重要課題，值得進(jìn)一步深入研究與探討。

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