基于響應(yīng)面法的玉米秸稈纖維混凝土性能*

范靈芝

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

水泥混凝土是目前土木工程施工中使用最多的建筑材料之一,具有成本低、耐久性好、抗壓強(qiáng)度高、安全性高、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)[1]。但其韌性差、抗拉強(qiáng)度低、易開裂等缺點(diǎn)制約了發(fā)展,為了提高混凝土的延展性和韌性,可以添加纖維進(jìn)行改善,如鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維等,但這些纖維在生產(chǎn)和使用過程中增加了碳排放和工程造價(jià)[2-4]。因此,需要尋找廉價(jià)的可替代纖維材料。研究表明秸稈纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)纖維摻入混凝土中,具有類似的改性效果,同時(shí)為緩解秸稈資源利用不足提供了新途徑。Xie等[5]研究了稻草秸稈纖維不同預(yù)處理方式對(duì)纖維混凝土性能的影響;Ammari等[6]對(duì)比分析了小麥秸稈纖維和鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,指出經(jīng)處理的小麥秸稈纖維混凝土具有與鋼纖維混凝土相似的力學(xué)性能;蘇強(qiáng)等[7]探討了棉花秸稈纖維在混凝土中應(yīng)用的可行性,建立了棉花秸稈纖維混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程;張文俊等[8]分析了油菜秸稈纖維混凝土的微觀結(jié)構(gòu),認(rèn)為纖維對(duì)混凝土性能的改善主要取決于纖維與水泥砂漿之間良好的附著力和加筋效果;王雪等[9]研究了劍麻纖維摻量、長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響,指出劍麻纖維可顯著提高混凝土的力學(xué)性能,并提出了劍麻纖維在混凝土中應(yīng)用的最優(yōu)摻量。

上述研究為天然纖維混凝土的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),但鮮有研究涉及玉米秸稈纖維在混凝土中的應(yīng)用。鑒于此,作者研究了玉米秸稈纖維在混凝土中應(yīng)用的可行性及最優(yōu)工藝參數(shù),采用該參數(shù)成型纖維混凝土試件,與普通混凝土進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果證明秸稈纖維可有效增強(qiáng)混凝土延展性和韌性,可為秸稈纖維混凝土的推廣應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑與儀器

玉米秸稈：10月份寶雞市野外采集,干燥,浸水后制作玉米秸稈纖維。

NaOH溶液：天津市康科德科技有限公司。

液壓萬能試驗(yàn)機(jī)：WAW-600D,勤志達(dá)(山東)試驗(yàn)儀器有限公司;高速剪切破碎機(jī)：GF3855,江陰市廣福機(jī)械有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米秸稈纖維的制備

玉米秸稈纖維的制備通常采用機(jī)械破碎法,對(duì)收集的玉米秸稈去皮去芯后浸水3～4 h備用,使用高速剪切破碎機(jī)提取玉米秸稈纖維。將玉米秸稈纖維制備為5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm3種長(zhǎng)度,使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaOH溶液浸泡18h后取出晾干備用。

1.2.2 纖維混凝土的制備

參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]進(jìn)行水泥混凝土配合比設(shè)計(jì),按以下3個(gè)步驟制備玉米秸稈纖維混凝土。(1)將水泥和集料混合,40 r/min攪拌1 min;(2)將一半的減水劑和水加入水泥和集料中,40 r/min攪拌1 min,將剩余的一半水和減水劑加入到混合物中,60 r/min攪拌1 min;(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案將纖維加入到混合物中,80 r/min攪拌3 min?；旌狭贤瓿珊?立即進(jìn)行坍落度測(cè)試以檢查水泥混合料的施工和易性。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方案

以秸稈纖維長(zhǎng)度(A)、φ(纖維)(B)、w(NaOH)(C)為變量構(gòu)建三因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),水平因素設(shè)計(jì)見表1。參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[11]成型試件測(cè)試混凝土抗彎拉強(qiáng)度,分析玉米秸稈纖維混凝土最佳參數(shù)工藝?；谧罴褏?shù)測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度,并與未摻纖維的普通水泥混凝土進(jìn)行對(duì)比,所有力學(xué)實(shí)驗(yàn)選用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

表1 水平因素設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

橋面和路面混凝土使用時(shí)一般要求混凝土材料能夠承受足夠的彎曲應(yīng)力,而韌性差、抗拉強(qiáng)度低是混凝土顯著的缺點(diǎn)[12-13]。與此同時(shí),纖維的阻裂作用可以抑制混凝土中微小裂縫的發(fā)展,吸收裂縫繼續(xù)擴(kuò)大所需的能量,從而提高混凝土的彎曲性能,因此以抗彎拉強(qiáng)度為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。通過Design-Expert軟件的Box-Behnken設(shè)計(jì)尋求3種影響因素最優(yōu)組合方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 玉米秸稈纖維強(qiáng)度Box-Behnken優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

借助Design-Expert軟件對(duì)表2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,殘差正態(tài)概率分布及實(shí)際預(yù)測(cè)值相關(guān)性見圖1。由圖1可知,擬合方程預(yù)測(cè)R2和調(diào)整后R2均大于0.95,且響應(yīng)值的殘差序列點(diǎn)呈正態(tài)分布在一條直線附近,模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值線性相關(guān),說明構(gòu)建的響應(yīng)模型擬合效果較好,具有良好的可靠性。

a 內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化殘差

不同工藝參數(shù)對(duì)玉米秸稈纖維混凝土抗彎拉強(qiáng)度交互影響的響應(yīng)面曲線見圖2。

a 纖維長(zhǎng)度與φ(纖維)的交互作用

由圖2可知,每2種因素對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的交叉影響均較顯著,3種響應(yīng)面均呈凸形且等高線為閉合的橢圓形,說明任意兩者之間對(duì)混合料抗彎拉強(qiáng)度均有較強(qiáng)的交互作用并存在極值。分析原因可知,適當(dāng)長(zhǎng)度及適量的玉米秸稈纖維均勻分布在混凝土中,在其內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起到了良好的加筋作用,增大了混凝土集料水泥石界面的內(nèi)摩阻力和斷裂能,并經(jīng)過適量的NaOH溶液改性后,與水泥具有了更好的黏結(jié)性,說明堿溶液處理后的秸稈纖維有助于傳遞和分散混凝土在受力過程中的應(yīng)力,阻礙裂縫的發(fā)展,有效提高混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。而過長(zhǎng)或過量的玉米秸稈纖維易在拌合過程中結(jié)團(tuán),不利于纖維在混凝土中的加筋效果,甚至對(duì)混凝土施工和易性造成嚴(yán)重負(fù)面影響。

使用NaOH改性后,玉米秸稈纖維可以細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu),提高秸稈纖維的纖維素比、長(zhǎng)徑比和拉伸強(qiáng)度,降低纖維的吸水率,w(NaOH)>2.6%,過量的NaOH存在于反應(yīng)后的界面過渡區(qū),導(dǎo)致致密性降低、松散性提高,降低纖維混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。w(NaOH)恒定時(shí),混凝土的28 d抗彎拉強(qiáng)度隨φ(纖維)增加先增大而降低。另一方面,NaOH處理后可以緩解混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨φ(纖維)增加而降低的現(xiàn)象。

根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)及三維曲面結(jié)果,綜合分析3種因素對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響,Design-Expert軟件確定的最優(yōu)參數(shù)為φ(纖維)=2.9%、纖維長(zhǎng)度10.5 mm、w(NaOH)=2.6%,此時(shí)抗彎拉強(qiáng)度為5.1 MPa。以此參數(shù)成型試件進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn),研究纖維改性水泥混凝土力學(xué)性能。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

最佳工藝參數(shù)下玉米秸稈纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖3。

養(yǎng)生齡期/d圖3 玉米秸稈纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知,與普通混凝土相比,纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度略有下降,但下降幅度較小。主要原因在于立方體抗壓實(shí)驗(yàn)過程中,混凝土內(nèi)部的薄弱面會(huì)率先產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致試件破碎,而玉米秸稈纖維的摻入在一定程度上擴(kuò)大了薄弱區(qū)域。同時(shí)水泥水化過程產(chǎn)生的高堿性環(huán)境會(huì)破壞秸稈纖維的結(jié)構(gòu)。此外,秸稈纖維具有光滑的蠟質(zhì)層和很強(qiáng)的吸水性,水泥水化完成后,纖維在水泥水化和硬化過程中的收縮率擴(kuò)大,導(dǎo)致纖維-水泥界面過渡區(qū)的孔隙率較大,水泥基的界面位置出現(xiàn)較大的干燥收縮裂紋,纖維-水泥界面過渡區(qū)密度低,會(huì)削弱纖維與水泥基體的結(jié)合,導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。有研究表明,與傳統(tǒng)的人造纖維相比,秸稈纖維由于其固有的多孔結(jié)構(gòu)和抑制水泥水化而降低了纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能[14-17]。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

最佳工藝參數(shù)下玉米秸稈纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響見圖4。

養(yǎng)生齡期/d圖4 玉米秸稈纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由圖4可知,與普通混凝土相比,各齡期下纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均有明顯提升,3、7和28 d齡期下纖維混凝土的抗折強(qiáng)度分別提升12.9%、13.9%及14.3%。盡管纖維的摻入會(huì)增大混凝土內(nèi)部薄弱界面,理論上會(huì)對(duì)抗折強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響,但抗折強(qiáng)度仍有提升可歸因于纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為混凝土提供了更強(qiáng)的延展性,同時(shí)水化產(chǎn)物水化硅酸鈣(CSH)凝膠緊緊包裹在秸稈纖維表面,有效地彌補(bǔ)了秸稈纖維摻入引起的內(nèi)部孔隙增加和混凝土密度低的缺陷。秸稈纖維和水泥緊密結(jié)合,可以提高復(fù)合材料的整體密度。此外,NaOH溶液的改性為纖維提供了強(qiáng)大的表面,可以促進(jìn)界面過渡區(qū)水泥的水化,在界面過渡區(qū)生成更致密的CSH凝膠材料。當(dāng)混凝土承受彎曲荷載時(shí),由均勻分布的秸稈纖維在混凝土中組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以消耗部分能量延緩裂縫尺寸的發(fā)展,并從宏觀上進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土的抗折性能。

3 結(jié) 論

通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)討論了玉米秸稈纖維對(duì)水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響,并基于優(yōu)化的工藝參數(shù)研究了秸稈纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,結(jié)論如下。

(1)以抗彎拉強(qiáng)度為響應(yīng)指標(biāo),w(NaOH)、秸稈纖維長(zhǎng)度和φ(纖維)為變量,構(gòu)建的三因素三水平響應(yīng)模型擬合效果較好,具有良好的可靠性,可用于評(píng)價(jià)不同因素對(duì)混凝土延展性的交互影響規(guī)律。

(2)根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),確定最優(yōu)參數(shù)為φ(纖維)=2.9%、纖維長(zhǎng)度10.5 mm、w(NaOH)=2.6%,此時(shí)抗彎拉強(qiáng)度為5.1 MPa。

(3)在最優(yōu)參數(shù)下,與普通混凝土相比,纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度有所下降,但平均抗折強(qiáng)度顯著提高約13.7%。