劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土性能的影響

顧娟，王楷燾，姜景山，李袁晟，張瑞程

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)和城市化建設(shè)的快速發(fā)展，工程建設(shè)對(duì)材料的需求量越來(lái)越大， 隨之而來(lái)的建筑垃圾的產(chǎn)量也越來(lái)越大， 將廢棄建筑材料經(jīng)過(guò)加工成為再生骨料， 與混凝土材料混合配置成再生骨料混凝土， 可以有效減少天然砂石資源和混凝土材料的消耗， 同時(shí)可以緩解建筑垃圾造成的污染。 劍麻纖維不僅具有來(lái)源廣、低成本、無(wú)污染等天然植物纖維共有的優(yōu)點(diǎn)，更具有韌性高、抗腐蝕性優(yōu)、抗拉性好的優(yōu)點(diǎn)。 將處理后的劍麻纖維適當(dāng)摻入材料中，可有效提高混凝土的力學(xué)性能，如改善抗壓強(qiáng)度，提高彈性模量等。

1 再生骨料混凝土的性能研究

1.1 再生骨料混凝土的力學(xué)性能研究

研究發(fā)現(xiàn)表明，原生混凝土的性質(zhì)、骨料取代率、骨料破碎工藝方式以及混凝土配合比與再生混凝土的力學(xué)性能息息相關(guān)。

骨料取代率、骨料形狀、水分含量會(huì)影響再生骨料混凝土的坍落度，骨料取代率越高，混凝土粘聚力越低，從而使新拌混凝土澆筑時(shí)的均質(zhì)性受到較大影響[1]。

無(wú)論是再生粗骨料混凝土還是再生細(xì)骨料混凝土，當(dāng)骨料取代率在30%之前，混凝土抗壓強(qiáng)度以及彈性模量幾乎沒有變化，骨料取代率達(dá)到30%之后， 抗壓強(qiáng)度及彈性模量將產(chǎn)生明顯的下降趨勢(shì)，且減小速率持續(xù)加快。

1.2 再生骨料混凝土的耐久性能研究

與普通混凝土相比，再生骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有很大的差異。由于骨料表面有很多棱角且多覆蓋著已然硬化的砂漿包層，并且由于骨料再利用的處理過(guò)程中產(chǎn)生許多微小的裂縫，導(dǎo)致再生骨料有高吸水率、復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)等特征，更容易達(dá)到臨界水飽和度，使混凝土產(chǎn)生凍融破壞。

由于再生骨料混凝土有較大的孔隙率，相較于普通混凝土吸水率更高， 因此更容易被硫酸鹽侵蝕，抗侵蝕能力更弱。

綜上所述，相較于普通混凝土，再生粗骨料混凝土在力學(xué)特質(zhì)和耐久性能都有明顯的缺點(diǎn)。

2 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土性能的影響

2.1 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土力學(xué)性能的影響

2.1.1 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

在同等粘結(jié)強(qiáng)度條件下，劍麻纖維越長(zhǎng)，與再生骨料混凝土試件基體的接觸總面積越大，兩者之間的存在更優(yōu)良的粘結(jié)性能，在試件受壓時(shí)，由于橫向變形產(chǎn)生約束膨脹的作用更大，因此，再生骨料混凝土具備更高的抗壓強(qiáng)度。

劍麻纖維橫截面積越小，則試件單位體積內(nèi)摻入的劍麻纖維數(shù)目越多，比表面積越大，與再生骨料混凝土試件接觸面更廣，具備更高強(qiáng)度的粘結(jié)性能，因此抗壓強(qiáng)度越大。

但當(dāng)試件摻入了過(guò)多的劍麻纖維，會(huì)影響混凝土的密實(shí)度，導(dǎo)致纖維與試件基體接觸粘結(jié)處產(chǎn)生過(guò)多的薄弱界面，降低再生骨料混凝土抗拉強(qiáng)度[2]。

2.1.2 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由董建苗[3]等人的試驗(yàn)分析可知，隨著劍麻纖維長(zhǎng)度的增大，試件劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小。劍麻纖維長(zhǎng)度過(guò)短，與試件接觸面積減小，粘結(jié)強(qiáng)度不足，劍麻纖維自身的抗拉能力難以被充分運(yùn)用，纖維易于從試件基體中拔出。 劍麻纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)， 則在混凝土試件配制攪拌時(shí)纖維易于成團(tuán)，不利于劍麻纖維在砂漿中均勻分布，造成試件內(nèi)存在局部缺陷，同時(shí)混凝土流動(dòng)性降低，再生骨料混凝土工作性能受到影響，劈裂抗拉強(qiáng)度大幅減小。 劍麻纖維長(zhǎng)度在10 mm 左右時(shí)， 能夠均勻分布在試件內(nèi)部，再生骨料混凝土受拉過(guò)程中，在易于發(fā)生劈裂張拉的斷裂面，劍麻纖維互相搭接，再生骨料混凝土摩擦阻力增大，從而纖維對(duì)試件的粘結(jié)性能增強(qiáng)，試件的劈裂張拉強(qiáng)度變大。

在同等纖維長(zhǎng)度的條件下，劍麻纖維橫截面積增大，單絲抗拉強(qiáng)度增大，在試件受拉時(shí)，劍麻纖維的抗拉強(qiáng)度能抑制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.1.3 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土抗彎抗折性能的影響

由董建苗[4]等人的試驗(yàn)研究表明，在試件中摻入劍麻纖維，再生骨料混凝土試件中的裂縫條數(shù)明顯增多，劍麻纖維橫亙?cè)诹鸭y上，并在再生骨料混凝土試件內(nèi)形成網(wǎng)狀空間的構(gòu)造，阻礙試件內(nèi)部生成并發(fā)展微裂縫，使其裂縫的間距、寬度顯然降低，并且裂縫在試件中分布更均勻。 因此，可以得出摻入劍麻纖維可以有效改善骨料混凝土的破壞形態(tài)。

摻入劍麻纖維的骨料混凝土相較于未摻纖維的骨料混凝土， 試件吸收能量的能力得到提高，試件部分拉應(yīng)力得到有效傳遞，因此試件的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率降低。

邵云南[5]等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，得到了混凝土試件的良好配合比，同時(shí)確定了最優(yōu)劍麻纖維在混凝土試件中的摻量，將劍麻纖維混凝土與其他纖維混凝土通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)， 當(dāng)試件在相同的強(qiáng)度條件時(shí)，摻入劍麻纖維的試件在配合比中用水量最少，與此同時(shí)試件的抗折強(qiáng)度得到有效增強(qiáng)，改善了混凝土試件的穩(wěn)定性，并且成本較低。

2.2 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土耐久性能的影響

2.2.1 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土抗?jié)B性能的影響

在混凝土中摻入纖維后，劍麻纖維在試件中無(wú)序支撐分布，在骨料混凝土內(nèi)部阻斷各種孔隙通道的分布，減弱了混凝土中水分的遷移，同時(shí)減小了骨料下沉導(dǎo)致的混凝土離析的可能性，因此，摻入劍麻纖維能夠降低再生骨料混凝土的孔隙率，改善試件內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的分布。 不僅如此，劍麻纖維彈性模量高，提高了基體的抗拉強(qiáng)度，混凝土內(nèi)部微小裂縫難以進(jìn)一步發(fā)展， 試件的抗?jié)B性能得以增強(qiáng)。

2.2.2 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土抗碳化性能的影響

王亞?wèn)|[6]等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在試件中摻入纖維能夠提高試件抗CO2侵入的能力，在同等試驗(yàn)環(huán)境中， 摻入劍麻纖維的試件CO2含量更少，CO2難以同試件內(nèi)堿性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，試件的內(nèi)部環(huán)境不發(fā)生改變。

在再生骨料混凝土中摻入劍麻纖維能夠有效提高試件的抗碳化性能，但是由于劍麻纖維相對(duì)于其他植物纖維，直徑比較大、質(zhì)地比較硬，在試件中形成三維無(wú)序分布， 并且纖維與纖維構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，承擔(dān)骨架承支的作用。在澆筑試件過(guò)程中，難以依靠自身重力使混凝土材料均勻密實(shí)填充于模具中，孔隙率在試件中增大，CO2更易于擴(kuò)散，再生骨料混凝土抗碳化能力要次于摻入其他植物纖維的混凝土。

綜上所述，劍麻纖維雖然能夠增強(qiáng)再生骨料混凝土的耐久性能，但是由于其自身的特質(zhì)，效果要次于摻入其他植物纖維的混凝土。

2.2.3 劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土抗凍性能的影響

內(nèi)外部因素同時(shí)影響混凝土試件的抗凍性能。主要表現(xiàn)在試件長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕環(huán)境中或處于溫度變化周期較短且溫差較大等條件下，以及試件本身的配合比、密實(shí)度、孔隙比和孔隙大小等不同試件質(zhì)量條件下，骨料混凝土試件的抗凍性能均會(huì)受到影響。因此，通過(guò)改善混凝土配合比、使用優(yōu)質(zhì)合適的原材料和摻料等方法， 同時(shí)改善外界環(huán)境，能夠完善試件的結(jié)構(gòu)，提高試件的抗凍性能。

王亞?wèn)|等人通過(guò)試驗(yàn)得出， 經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)，混凝土試件從表面開始逐漸剝落，在混凝土中摻入纖維能夠抑制質(zhì)量的損失，提高試件的抗凍性能。 通過(guò)分析可以得出，由于試件內(nèi)摻入纖維形成三維亂向的分布形式， 在試件內(nèi)承擔(dān)支承作用，在對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)的過(guò)程中，可以有效抑制混凝土試件內(nèi)生成并發(fā)展微裂縫，試件內(nèi)孔隙構(gòu)造被改善。與此同時(shí)，少量氣泡被引入至試件內(nèi)部，在試件內(nèi)形成較大數(shù)量的閉口孔隙，阻斷試件內(nèi)微小通道，使其成為獨(dú)立的孔洞，同時(shí)阻止外液滲入，在試件內(nèi)凝固膨脹使混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。摻入劍麻纖維后，能夠在試件受冰水壓力時(shí)，產(chǎn)生拉應(yīng)力連接試件，阻礙試件受拉破壞，減少試件受損程度，保持其整體性能，提高其抗凍性能。 但由于劍麻纖維自身缺陷，在澆筑試件時(shí)，對(duì)試件摻入的骨料和其他材料的沉降影響較大，可能導(dǎo)致孔隙比變大，試件內(nèi)砂漿和骨料連接松散、分布不均，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性受到影響，外液的滲入不能夠得到很好地抑制，導(dǎo)致試件抗凍性能相較于摻入聚丙烯纖維較差。

3 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)再生骨料混凝土相比，纖維再生骨料混凝土構(gòu)件中含有更少的微裂縫、 更窄的裂縫寬度、更小的孔隙率以及更高的密實(shí)度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。 由于劍麻纖維自身的物理性質(zhì)，單摻劍麻纖維的混凝土的性能要次于摻入其他植物纖維的混凝土，由于不同纖維都有其自身的特點(diǎn)和性能，多種纖維同時(shí)摻入混凝土即混雜纖維混凝土比摻加單一纖維的混凝土效果更好。 此外，適量的劍麻纖維會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生正向影響，過(guò)多劍麻纖維則會(huì)導(dǎo)致混凝土性能下降。