黃麻纖維改性混凝土的制備及性能研究*

王偉芳

（渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

混凝土材料是目前最常用的路面鋪裝材料，因其成本便宜，制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛使用。橋梁是目前較為重要的交通道路，承載著較為重要的交通任務(wù)。但受橋梁特殊性的限制，混凝土用于橋梁路面鋪裝時(shí)，對(duì)混凝土材料的強(qiáng)度和韌性都有一定要求，僅使用普通混凝土無法滿足橋梁路面要求，因此，需要對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。為了解決橋梁混凝土脆性斷裂的問題，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如王輝[1]嘗試從混凝土配比出發(fā)，對(duì)混凝土中粉煤灰摻量進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰對(duì)增強(qiáng)混凝土密實(shí)度有積極的作用；郭寅川[2]則嘗試通過水性環(huán)氧樹脂對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行改性，并對(duì)改性后的混凝土性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水性環(huán)氧樹脂對(duì)改善混凝土的耐久性有積極的作用；楊江朋[3]則通過碳納米纖維優(yōu)化橋梁混凝土的抗凍防腐性能。以上學(xué)者的研究為橋梁混凝土的材料選擇提供了參考，但水性環(huán)氧樹脂、碳納米纖維在混凝土中的相容性問題還未得到解決。為了得到性能更完全的橋梁混凝土材料，本實(shí)驗(yàn)參考鞏亞琦[4]實(shí)驗(yàn)，選擇相容性更高的黃麻纖維，提升混凝土的整體性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與設(shè)備

黃麻纖維（標(biāo)準(zhǔn)品 盈順無紡科技）；碎石（II 級(jí)磊達(dá)石材）；細(xì)砂（I 級(jí) 厚康礦產(chǎn)品）；NaOH（AR 鼎恒達(dá)化工）；水泥（P.O42.5 正德建材科技）；減水劑（AR 特維克建材）。

JS750 型拌合機(jī)（三強(qiáng)機(jī)械）；HS-113 型混凝土振蕩機(jī)（鴻碩試驗(yàn)儀器）；DHG-9023A 型烘箱（德瑞普烘箱）；DYE－300 型壓力試驗(yàn)機(jī)（航凱儀器設(shè)備）；KDR-V3 型凍融試驗(yàn)機(jī)（澤睿試驗(yàn)儀器）；Sigma 300 型掃描電鏡（澤鏡科技）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土試件的制備

（1）將纖維分批次剪切成不同長(zhǎng)度，然后分別放入10g·L-1的NaOH 溶液中浸泡，纖維與NaOH 溶液比例為1∶40，浸泡時(shí)間為2h。浸泡結(jié)束后濾出纖維，用DHG-9023A 型烘箱烘干，烘干溫度為60℃，得到預(yù)處理纖維。

（2）將細(xì)砂和碎石放入拌合機(jī)中攪拌1min。當(dāng)細(xì)砂和碎石拌合均勻后，依次放入水泥、纖維與實(shí)際用水的1/3 繼續(xù)攪拌，攪拌時(shí)間為1min。將減水劑和剩下水同時(shí)倒入拌合機(jī)內(nèi)，繼續(xù)攪拌2min，得到拌合物。

（3）對(duì)模具進(jìn)行清洗后擦干，倒入拌合物，先用振搗棒手振，然后用HS-113 型混凝土振蕩機(jī)進(jìn)行振蕩，抹平試件表面多余的漿料，室溫進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆模編號(hào)，在溫度為25℃和濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)至指定齡期。不加纖維的混凝土為基礎(chǔ)混凝土。具體基準(zhǔn)配合比見表1。

表1 基礎(chǔ)混凝土配比（g）Tab.1 Proportioning of foundation concrete（g）

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn) 通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)影響混凝土性能的因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，正交實(shí)驗(yàn)因素水平表和實(shí)驗(yàn)方案分別見表2、3。

表2 因素水平設(shè)計(jì)Tab.2 Factor level design

表3 正交實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Orthogonal test scheme

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)試 參照J(rèn)TG 3420-2020 對(duì)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試[5，6]。

抗壓強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中 fCN：抗壓強(qiáng)度，MPa；F：試件破壞荷載，N；A：試件承壓面積，mm2。

劈裂抗拉強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中 fts：劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；其余字母代表含義與抗壓強(qiáng)度相同。

1.3.2 抗凍性能測(cè)試結(jié)果 通過快速凍融試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行測(cè)試[7，8]。

質(zhì)量損失率表達(dá)式：

式中 W：質(zhì)量損失率，%；m0、mk：凍融循環(huán)前、后質(zhì)量變化，g。

相對(duì)動(dòng)彈模量表達(dá)式：

式中 P：相對(duì)動(dòng)彈模量，%；f0、fk：凍融循環(huán)前后橫向基頻，Hz。

1.3.3 微觀形貌 通過Sigma 300 型掃描電鏡觀察混凝土微觀形貌，進(jìn)而表征黃麻纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

2.1.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 圖1 為抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖1 抗壓強(qiáng)度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of orthogonal test on compressive strength

由圖1 可見，組號(hào)為ZJ-2 的混凝土抗壓強(qiáng)度最高，即A1B2C2 組別混凝土的增強(qiáng)效果最好，即在水灰比為0.30、纖維長(zhǎng)度為16mm、纖維摻量為3kg·m-3的條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度最高為75.3MPa。對(duì)3 種水平條件下的抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行了極差分析，以極差R 值大小表征因素影響優(yōu)次情況，結(jié)果見表4。

表4 正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results of orthogonal test

由表4 可見，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素為水灰比＞纖維長(zhǎng)度＞纖維摻量。這是因?yàn)樗冶戎苯記Q定了混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度和拌合物黏聚性，進(jìn)而直接影響了混凝土的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，纖維長(zhǎng)度不同，在混凝土內(nèi)部搭接狀態(tài)也有一定差異，對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用也不相同。當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短時(shí)，無法起到很好的填充與拉結(jié)作用，在受外界荷載時(shí)，易被拉出進(jìn)而影響抗壓強(qiáng)度。而纖維長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，易在混凝土內(nèi)部打結(jié)，進(jìn)而影響對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用[10，11]。纖維在混凝土內(nèi)部起到部分替代水泥作用，在纖維摻量過多的情況下，混凝土內(nèi)部的黏聚性有一定的下降，混凝土的整體強(qiáng)度也有一定下降[12]。

2.1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度分析 圖2 為劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of orthogonal test on splitting tensile strength

由圖2 可見，最佳劈裂抗拉強(qiáng)度組為ZJ-2，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度最高。該組號(hào)與最佳抗壓強(qiáng)度混凝土組號(hào)相同。由此也進(jìn)一步驗(yàn)證A1B2C2 的實(shí)驗(yàn)條件下得到的混凝土的抗拉強(qiáng)度最佳。

表5 為劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

表5 極差分析Tab.5 Range analysis

由表5 可見，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響最大的因素仍舊是水灰比，但其次因素為纖維摻量，纖維長(zhǎng)度的影響最次。這是因?yàn)椋炷猎谂押奢d的作用下，內(nèi)部有微裂縫出現(xiàn)，此時(shí)纖維在內(nèi)部架橋鏈接，試件抗拉性能明顯增加。纖維摻量顯得尤為重要，適宜的纖維摻量使得纖維在混凝土內(nèi)部亂象分布，幫助拖拽裂縫，混凝土有一定回縮[13，14]。但纖維摻量過多時(shí)，纖維在混凝土內(nèi)部打結(jié)聚集，限制了纖維的增強(qiáng)作用。在最佳組別條件下，纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度為5.67MPa。

2.1.3 相關(guān)力學(xué)性能驗(yàn)證 在上述實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)確定了纖維混凝土的最佳配比，但正交實(shí)驗(yàn)制備的混凝土是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，可能結(jié)果會(huì)有一定的出入。因此，實(shí)驗(yàn)參照J(rèn)TG 3420-2020 對(duì)最佳配比的混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，觀察養(yǎng)護(hù)齡期為28d 的混凝土性能差異，結(jié)果見表6。

表6 相關(guān)力學(xué)性能驗(yàn)證結(jié)果（MPa）Tab.6 Results of verification of relevant mechanical properties

由表6 可見，基準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土與正交實(shí)驗(yàn)養(yǎng)護(hù)的混凝土性能雖然有一定差異，但差別并不是很大，可忽略不計(jì)。因此，可認(rèn)定本實(shí)驗(yàn)制備的纖維混凝土滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 抗凍融性能

在已經(jīng)優(yōu)化的纖維混凝土的配比條件下，進(jìn)行最優(yōu)配比纖維混凝土抗凍融能力測(cè)試。

2.2.1 質(zhì)量損失率分析 圖3 為經(jīng)過凍融循環(huán)后的混凝土試件質(zhì)量損失率變化。

圖3 質(zhì)量損失率變化Fig.3 Change of mass loss rate

由圖3 可見，混凝土質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加而增加。但基準(zhǔn)混凝土與纖維混凝土的變化趨勢(shì)有一定差異。隨凍融次數(shù)的增加，纖維混凝土的質(zhì)量損失率明顯低于基準(zhǔn)混凝土。經(jīng)過凍融循環(huán)處理后，纖維混凝土質(zhì)量損失率雖有一定上升，但始終維持一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。多次循環(huán)后，混凝土質(zhì)量損失率低于0.5%。而普通混凝土在凍融循環(huán)過程中質(zhì)量損失變化較大，多次循環(huán)后，質(zhì)量損失為纖維混凝土的3 倍。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，混凝土內(nèi)部本身就具備一些微裂縫，在凍融循環(huán)的過程中，裂縫會(huì)吸收一些水分，因此，混凝土的質(zhì)量有一定上升[15]。同時(shí)，由圖3 還可觀察到，黃麻纖維在凍融循環(huán)早期的作用并不明顯，在凍融后期能明顯增強(qiáng)混凝土的穩(wěn)定性，降低質(zhì)量損失率。以上研究說明摻入黃麻纖維的混凝土其耐凍融能力明顯優(yōu)于普通混凝土。

2.2.2 動(dòng)彈模量變化 圖4 為普通混凝土和本實(shí)驗(yàn)最佳的ZJ-2 的混凝土的凍融循環(huán)動(dòng)彈性模量變化。

圖4 相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.4 Relative dynamic modulus of elasticity

由圖4 可見，凍融初期，兩種混凝土的動(dòng)彈性模量變化趨勢(shì)基本一致，直至循環(huán)次數(shù)超過100 次后，才開始出現(xiàn)明顯的差異化。纖維混凝土輕微下降，凍融結(jié)束后，纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量仍舊維持在88%左右。而普通混凝土凍融循環(huán)后，動(dòng)彈性模量下降至70%。以上變化再次說明了黃麻纖維對(duì)混凝土后期穩(wěn)定性有較好的增強(qiáng)作用。這是因?yàn)?，凍融循環(huán)會(huì)破壞混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔，且凍融循環(huán)次數(shù)增加，體積膨脹，微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展連接，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，動(dòng)彈性模量急速下降。在混凝土內(nèi)部摻入黃麻纖維后，纖維在混凝土內(nèi)部均勻分布，對(duì)骨料起到很好的支撐作用，裂縫的擴(kuò)大及毛細(xì)管的形成被抑制，同時(shí)，纖維還對(duì)砂漿內(nèi)的毛細(xì)管有擠壓作用，這就降低了水分遷移的能力，減少了混凝土內(nèi)部可凍水?dāng)?shù)量，進(jìn)而增加了混凝土的抗?jié)B性。黃麻纖維可以填充混凝土內(nèi)部，降低了混凝土內(nèi)部孔隙率，增加混凝土內(nèi)部密實(shí)度。因此，纖維混凝土內(nèi)部含有的水分子量明顯低于普通混凝土，即混凝土內(nèi)部的可凍水較少，抗凍能力增強(qiáng)。

2.3 微觀形貌分析

圖5 為普通混凝土與纖維混凝土的微觀分析結(jié)果。

圖5 兩種混凝土的微觀形貌結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of two concrete

由圖5 可見，普通混凝土內(nèi)部存在一定的孔洞結(jié)構(gòu)，在未受外界荷載時(shí)，就已經(jīng)有細(xì)微裂縫出現(xiàn)。這個(gè)現(xiàn)象說明普通混凝土自身存在一定的結(jié)構(gòu)問題，在受外力作用時(shí)，會(huì)放大混凝土缺陷，加快混凝土內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生一些影響。在混凝土中摻入纖維后，混凝土內(nèi)部的氣孔數(shù)量明顯減少，氣孔與氣孔間存在一定的距離，使得混凝土內(nèi)部的密實(shí)性明顯增加。這是因?yàn)樵谝肜w維的過程中，同時(shí)引入了部分微氣泡，這阻礙了氣孔的連通，增強(qiáng)了混凝土密實(shí)性。同時(shí)還能在圖5 中觀察到，纖維在混凝土內(nèi)部雜亂分布，與混凝土材料結(jié)合的較為緊密，在邊緣部位并不產(chǎn)生裂縫，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所用的黃麻纖維為植物纖維，本身具備較好的相容性，當(dāng)纖維均勻分布在混凝土內(nèi)部時(shí)，會(huì)對(duì)裂縫起到一定連接架橋作用。在受外力作用時(shí)，裂縫開始擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中受黃麻纖維抵抗應(yīng)力場(chǎng)的影響，降低混凝土受到的集中應(yīng)力，進(jìn)而增加混凝土的強(qiáng)度。同時(shí)，纖維還有“次增強(qiáng)筋”的作用，與混凝土內(nèi)部配筋成“筋級(jí)配”，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔被堵塞，內(nèi)部材料的密實(shí)性增加，裂縫的擴(kuò)大被阻止，裂縫的擴(kuò)展被延緩，提升了混凝土整體性和強(qiáng)度。

3 結(jié)論

綜上，本實(shí)驗(yàn)制備的纖維混凝土表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和抗凍性能，可以在橋梁鋪裝中發(fā)揮作用?，F(xiàn)將具體結(jié)論總結(jié)如下：

（1）纖維混凝土配比優(yōu)化結(jié)果：水灰比為0.30，纖維長(zhǎng)度為16mm，纖維摻量為3%，此時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為75.3MPa 和5.67MPa。

（2）黃麻纖維主要對(duì)混凝土后期抗凍穩(wěn)定性產(chǎn)生作用。最佳配比條件下，凍融循環(huán)結(jié)束后，混凝土質(zhì)量損失率低于0.5%，相對(duì)動(dòng)彈性模量約為88%，抗凍性能良好。

（3）通過微觀結(jié)構(gòu)對(duì)纖維增強(qiáng)原理進(jìn)行分析，纖維均勻分布在混凝土內(nèi)部，與混凝土內(nèi)部配筋共同作用，形成“筋級(jí)配”，混凝土內(nèi)部的密實(shí)性和整體強(qiáng)度增加。同時(shí)，因植物纖維具有相容性較強(qiáng)的特點(diǎn)，與混凝土材料結(jié)合的較為緊密，在邊緣部位并不產(chǎn)生裂縫，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。