竹纖維水泥基材料的物理力學(xué)性能研究

王 倩，李建成

(1.武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，武夷山 354300；2.閩北山地地質(zhì)災(zāi)害防治福建省高校工程研究中心，武夷山 354300)

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，水泥基材料已成為應(yīng)用最廣的建筑材料[1]。水泥基材料抗壓強(qiáng)度高，但抗拉強(qiáng)度低、延性小、抗裂性差[2，3]。材料屆專家一致認(rèn)為在水泥基材料中摻加纖維是解決其上述缺點(diǎn)的有效方法。目前全球面臨資源短缺和環(huán)境惡化等問題，對人類可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大威脅。因此，尋找可再生的綠色環(huán)保纖維來代替?zhèn)鹘y(tǒng)纖維成為發(fā)展趨勢。竹纖維作為一種環(huán)保友好型且可再生的資源，與傳統(tǒng)的增強(qiáng)纖維相比，具有來源廣、密度小、再生快、力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)[4，5]。目前竹纖維用于水泥基材料的研究很少。為了研究竹纖維加入水泥基材料的工作性能、干表觀密度和力學(xué)性能，論文通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的方法，確定三個不同的因素(竹纖維摻量、竹纖維長度、水灰比)，每個因素設(shè)置三個水平。通過試驗(yàn)，對其結(jié)果進(jìn)行極差分析，找出對其有顯著性影響的因素。探索不同的因素、不同的水平對竹纖維材料的工作性能、干表觀密度和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為竹纖維在水泥基材料中進(jìn)一步使用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料采用江西省玉山萬年青水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的比表面積為358 m2/kg。

竹纖維采用福建省海博斯化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的竹纖維，平均直徑30.5 μm，密度1.57 g/cm3。

砂采用廈門艾斯歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 正交試驗(yàn)方案

通過預(yù)試驗(yàn)，初步設(shè)定竹纖維的摻量為膠凝材料質(zhì)量的1%、3%、5%三個水平，竹纖維長度為2 mm、5 mm、8 mm三個水平。水灰比為0.5、0.55、0.60三個水平。根據(jù)三個因素三水平且不考慮各因素之間的交互作用，該試驗(yàn)采用L9(34)的正交表。正交因素水平表見表1，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表1 正交因素水平表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 物理性能結(jié)果及分析

2.1 工作性能

在預(yù)試驗(yàn)中，首先試拌竹纖維摻量為3%和5%的水泥基材料試件，在材料攪拌過程中，發(fā)現(xiàn)3%和5%摻量的竹纖維水泥基材料擴(kuò)展度均小于180 mm，且流動性較差，屬于偏干性砂漿。故通過添加減水劑來調(diào)整材料的流動性，減水劑的量以擴(kuò)展度達(dá)到設(shè)計(jì)值為準(zhǔn)，且同時觀察砂漿的流動性和有無泌水情況，以保證材料滿足工作性能。正交試驗(yàn)中竹纖維摻量為1%、3%和5%，水灰比均為0.55時，測得的擴(kuò)展度分別為173 mm、171 mm和164 mm，且無泌水現(xiàn)象，流動性符合要求。

2.2 干表觀密度

制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的竹纖維水泥基材料試件，對每組試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28 d后進(jìn)行烘干，測定其干表觀密度，其測試結(jié)果見表3。

表3 干表觀密度試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，竹纖維摻量越大，試件的干表觀密度越小，同等竹纖維摻量下水灰比越大，試件的干表觀密度越小。對干表觀密度結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表4。

表4 干表觀密度極差分析

由表4可以看出，竹纖維摻量極差最大，然后是水灰比，竹纖維長度極差最小。由此說明，各因素對干表觀密度影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量>水灰比>竹纖維長度。這說明對于干表觀密度的影響，A因素竹纖維摻量起主要作用，B因素水灰比起次要作用，竹纖維長度對干表觀密度影響不顯著。干表觀密度越小，材料越輕質(zhì)。對于干表觀密度最小的組合為A3B3C3。

1)竹纖維摻量對水泥基材料干表觀密度的影響

由表4可知，對于A因素竹纖維摻量，干表觀密度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。竹纖維摻量為1%時，干表觀密度為2.112 g/cm3；竹纖維摻量為3%時，干表觀密度為2.032 g/cm3；當(dāng)竹纖維摻量增大至5%時，干表觀密度降到最小值，為1.976 g/cm3。這時干表觀密度最小值與最大值相比，降低了6.4%。這是因?yàn)橹窭w維的密度小于水泥基材料的密度，在配制相同體積的試塊時，竹纖維越多，取代水泥基材料的體積量就越多，試塊的質(zhì)量越小，干表觀密度也越小。

2)竹纖維長度對水泥基材料干表觀密度的影響

對于B因素竹纖維長度，對干表觀密度的影響最不顯著。這主要是因?yàn)橹窭w維影響水泥基材料的密度是以取代水泥基材料的質(zhì)量為影響的，竹纖維長度只能略微地影響其在水泥基里的密實(shí)性。竹纖維長度越短，其在水泥基材料中分布越均勻，密實(shí)性越高，孔隙率越低，干表觀密度越大，但竹纖維長度總體上對干表觀密度的影響不大[6]。

3)水灰比對水泥基材料干表觀密度的影響

對于C因素水灰比，干表觀密度隨著水灰比的變大逐漸變小，水灰比越大時，干表觀密度越小。這是因?yàn)樗嗨盟渴且欢ǖ?，水灰比越大，水泥水化完成后需蒸發(fā)的水分就越多，水分蒸發(fā)后在水泥基體中留下的孔洞和孔隙越多，造成材料孔隙率高，密實(shí)度小，所以干表觀密度就小。

3 力學(xué)性能結(jié)果及分析

對試件進(jìn)行7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試，其測試結(jié)果見表5。由表5可以看出，總體上竹纖維水泥基材料的強(qiáng)度值都比較高。竹纖維摻量越小，強(qiáng)度值越大；同等竹纖維摻量下，水灰比越小，強(qiáng)度值越大。

表5 材料的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度

3.1 抗壓強(qiáng)度影響因素顯著性分析

對正交試驗(yàn)中各組試件7 d和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表6。

表6 抗壓強(qiáng)度極差分析

由表6可以看出，對于7 d抗壓強(qiáng)度，水灰比的極差最大，然后是竹纖維摻量，竹纖維的長度極差最小。由此說明，各因素對7 d抗壓強(qiáng)度影響的顯著性由大到小為C>A>B。對于7 d抗壓強(qiáng)度最優(yōu)組合為A1B2C1。

對于28 d抗壓強(qiáng)度，竹纖維摻量的極差最大，然后是水灰比，竹纖維的長度極差最小。由此說明，各因素對28 d抗壓強(qiáng)度影響的顯著性由大到小為A>C>B。對于28 d抗壓強(qiáng)度最優(yōu)組合為A1B2C1。三因素對于7 d和28 d抗壓強(qiáng)度影響的顯著性雖然不一致，但7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最優(yōu)組合均為A1B2C1。

1)竹纖維摻量對水泥基材料抗壓強(qiáng)度的影響

7 d、28 d抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大均呈現(xiàn)降低的趨勢。7 d抗壓強(qiáng)度最小值與最大值相比，下降了18.9%；28 d抗壓強(qiáng)度最小值與最大值相比，下降了26.7%，下降幅度明顯。這是因?yàn)橹窭w維表面含有蠟質(zhì)，降低了與水泥基材料界面的結(jié)合，使得抗壓強(qiáng)度變低。竹纖維吸水量大，當(dāng)水灰比一定時，使得水泥基材料中用于參與水化的水分少，降低了水泥基材料中水泥的水化速率，使得強(qiáng)度降低。竹纖維材料的抗壓強(qiáng)度低于水泥基材料的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)竹纖維摻量大時，竹纖維取代水泥基材料越多，而竹纖維在水泥基材料中的體積越大，竹纖維水泥基材料承受壓應(yīng)力的能力就越弱，使得抗壓強(qiáng)度變小。隨著竹纖維摻量的增加，竹纖維與水泥基體之間的粘結(jié)處形成界面區(qū)，該區(qū)域與水泥基體相比，孔隙率高，結(jié)構(gòu)疏松，形成了材料的薄弱區(qū)，當(dāng)材料受到外力作用時，薄弱區(qū)首先受到破壞，從而導(dǎo)致材料試件的抗壓強(qiáng)度降低。

2)竹纖維長度對水泥基材料抗壓強(qiáng)度的影響

7 d、28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先微增再微降的趨勢。7 d抗壓強(qiáng)度最小值與最大值相比下降了7.3%；28 d抗壓強(qiáng)度最大值與最小值相差0.9%，強(qiáng)度變化不大。說明竹纖維長度對于抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響不大。

3)水灰比(W/C)對水泥基材料抗壓強(qiáng)度的影響

水灰比對水泥基材料抗壓強(qiáng)度影響很大，7 d、28 d抗壓強(qiáng)度隨水灰比增大強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。7 d抗壓強(qiáng)度最小值與最大值相比下降了20.4%；28 d抗壓強(qiáng)度最小值與最大值相比下降了16.7%，下降幅度較明顯。說明水灰比對于抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響較顯著，對于抗壓強(qiáng)度水灰比在測試范圍內(nèi)越小越好。

3.2 抗折強(qiáng)度影響因素顯著性分析

對正交試驗(yàn)中各組試件7 d和28 d的抗折強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，具體分析結(jié)果見表7。

表7 抗折強(qiáng)度極差分析

由表7可以看出，竹纖維摻量的極差最大，第二是水灰比，極差最小的是竹纖維長度。由此說明，各因素對7 d、28 d抗折強(qiáng)度影響的顯著性由大到小為A>C>B。這說明對于抗折強(qiáng)度的影響，竹纖維摻量起主要作用，水灰比起次要作用，竹纖維的長度影響最小。

三因素對于7 d和28 d抗折強(qiáng)度影響的顯著性是一致的，均是竹纖維摻量>水灰比>竹纖維長度，7 d和28 d抗折強(qiáng)度最優(yōu)組合均是A1B2C1。這與抗壓強(qiáng)度結(jié)果是一致的。

1)竹纖維摻量對材料抗折強(qiáng)度的影響

7 d、28 d抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增大呈現(xiàn)降低的趨勢。7 d抗折強(qiáng)度最小值與最大值相比下降了28.1%，28 d抗折強(qiáng)度最小值與最大值相比下降了23.2%，下降幅度明顯。說明竹纖維摻量對于抗折強(qiáng)度指標(biāo)的影響很大。

水泥基材料是抗壓強(qiáng)度高、抗折強(qiáng)度低的脆性材料，在很小的拉應(yīng)力下就可以產(chǎn)生裂縫并造成破壞，而竹纖維是一種韌性材料，有比較好的抗拉強(qiáng)度。在試件受到抗折破壞時，竹纖維能吸收部分能量和水泥基共同承擔(dān)拉應(yīng)力，抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[7]。但竹纖維與鋼纖維等這些纖維相比，抗拉強(qiáng)度偏低，且加入竹纖維后，竹纖維與水泥基的交界處容易產(chǎn)生孔隙和缺陷，造成結(jié)構(gòu)疏松的薄弱層，使得竹纖維帶來的增強(qiáng)效應(yīng)小于引起的負(fù)面效應(yīng)，故加入竹纖維后抗折強(qiáng)度也不高。當(dāng)竹纖維摻量太大時，水泥漿不足以包裹全部的竹纖維，使得竹纖維與水泥基體之間的粘結(jié)力降低，使抗折強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2)竹纖維長度對水泥基材料抗折強(qiáng)度的影響

7 d、28 d抗折強(qiáng)度隨著竹纖維長度均呈現(xiàn)先微增再降低的趨勢，且抗折強(qiáng)度隨竹纖維長度變化幅度不大。說明竹纖維長度對于抗折強(qiáng)度影響不顯著，抗折指標(biāo)的最優(yōu)選擇是長度為5 mm。

3)水灰比對水泥基材料抗折強(qiáng)度的影響

7 d、28 d抗折強(qiáng)度隨水灰比增大變化不大，強(qiáng)度均呈現(xiàn)略微降低的趨勢。說明水灰比對于抗折強(qiáng)度指標(biāo)的影響不顯著。

4 結(jié) 論

a.各因素對力學(xué)性能的顯著性由大到小為竹纖維摻量、水灰比和竹纖維長度。竹纖維摻量起主要作用，水灰比起次要作用，竹纖維長度影響最小。對于力學(xué)性能最優(yōu)組合為竹纖維摻量為1%、水灰比為0.5、竹纖維長度為2 mm，此時，7 d抗壓強(qiáng)度為26.8 MPa，抗折強(qiáng)度為4.8 MPa；28 d抗壓強(qiáng)度為43.6 MPa，抗折強(qiáng)度為6.7 MPa，總體上試件強(qiáng)度值都比較高。

b.各因素對干表觀密度影響的顯著性由大到小依次為竹纖維摻量、水灰比和竹纖維長度。干表觀密度最優(yōu)組合為竹纖維摻量為5%、水灰比為0.6、竹纖維長度為5 mm，此時干表觀密度為1.951 g/cm3，可滿足降低材料密度，滿足輕質(zhì)的要求。

c.根據(jù)正交試驗(yàn)，可得出力學(xué)性能最優(yōu)組合都是A1B2C1，而干表觀密度的最優(yōu)組合與力學(xué)性能的最優(yōu)組合剛好相反，最優(yōu)組合為A3B3C3。具體的最優(yōu)組合可在應(yīng)用時根據(jù)滿足力學(xué)性能要求的前提下，選取最小的干表觀密度，滿足輕質(zhì)的要求。