稻草纤维混凝土物理力学性能试验研究.pdf

0前言 植物纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或混凝土 作为基体，以相对短、离散、间断的短纤维或连续长 纤维作为增强材料组成的一种水泥基复合材料1。 研究表明，植物纤维在混凝土中主要起阻裂、增加 强度和韧性的作用2-4。 与传统混凝土相比，植物纤 维混凝土具有很多优势，国内外学者对其进行了大 量的研究，并取得了一定进展。 稻草纤维混凝土是 以稻草作为纤维增强材料的一种植物纤维增强混 凝土。 本文主要研究了稻草纤维混凝土的物理力学 性能。 1试验设计 1.1原材料 水泥：P O 42.5 级普通硅酸盐水泥。 砂：天然河砂，为中砂，含水率 3%。 石：粒径 1031.5mm 连续级配的卵石。 水：自来水。 稻草纤维：来源于绵阳市郊区，其色泽光亮、保 存完好，同时干燥处理掉了表面的杂质，并加工成 二种形状：淤杆状：用剪刀将稻草剪成 20mm 左右的 小段，形貌见图 1；于丝状：用粉碎机将稻草粉碎成 直径不超过 5mm 的丝状，形貌见图 2。 1.2试件设计及分组 试验所需试件的尺寸、个数，如表 1 所示。 根据试验现象最终确定稻草纤维掺量及其分 组如表 2 所示。 1.3试件制作与养护 使用强制式搅拌机， 投料顺序为： 先放石子、 砂、水泥，混合搅拌 1min；然后边搅拌边加稻草纤 维；待加完毕之后，再搅拌 1min；最后加水，一起搅 拌 2min。 将搅拌好的混凝土装入到模具，然后在振 动台上振捣 60s， 脱模时间比普通混凝土脱模时间 延长至 24h 以后，并按照混凝土标准养护条件进行 养护。 稻草纤维混凝土物理力学性能试验研究 谭曦，苏有文 （西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳 621000） 摘要：对同一混凝土配合比,不同形状和不同掺入量的稻草纤维混凝土进行了物理力学性能试验。结果表明, 同一混凝土配合比下,随着稻草纤维掺量的增加,不同形状稻草纤维混凝土的物理力学性能会有所影响,抗压劈裂 抗拉及抗折强度会有所降低,但稻草纤维的掺入不仅能改善混凝土的韧性,也可提高混凝土的抗冲击性能。 关键词：稻草纤维混凝土；物理力学性能；混凝土韧性；抗冲击性能 Abstract：As the same concrete mix proportion, experiment of physical and mechanical properties with different shapes of straw fiber reinforced concrete is carried out. The results show that, under the same concrete proportion, with the increase of straw fiber dosage, physical properties of straw fiber reinforced concrete with different shapes will be affected, compressive strength, splitting tensile and flexural strength will be reduced, however, straw fiber can not only improve the toughness of concrete, but also can enhance the shock resistance of concrete. Key words： Straw fiber reinforced concrete；Physical and mechanical properties；Toughness of concrete；Shock resis- tance 中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1000-4637(2016)05-86-05 图 1杆状稻草纤维图 2丝状稻草纤维 表 1 试件尺寸及数量 试验项目尺寸/mm个数/个 抗压、劈裂抗拉试验 抗折试验 150150150 150150150 78 39 2016 年第 5 期混 凝 土 与 水 泥 制 品2016 No.5 5 月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSMay 86- 2稻草纤维混凝土性能试验及结果分析 2.1物理性能 将稻草纤维加入混凝土中， 其泌水率降低，泌 水时间延长， 掺量 4%以上的稻草纤维混凝土基本 上不再泌水。 这是因为普通混凝土加入稻草纤维 后，能够减少混凝土表面的析水量，稻草纤维在混 凝土中的随机分布， 很好地阻碍了骨料的下沉，同 时增强了水泥浆体对粗骨料的包裹强度。 加入稻草 纤维还会延缓混凝土的凝结时间，这是由于纤维中 含有糖类、淀粉等有机物，这些成分对混凝土的凝 结起了阻碍作用。 混凝土在稻草纤维加入后的坍落度及表观密 度的变化规律如图 3 和图 4 所示。 由图 3 可以看出， 随着稻草纤维掺量的增加， 混凝土的坍落度减小，且丝状稻草纤维相比杆状稻 草纤维对坍落度的影响更大。 这是由于稻草吸水性 很强，并且丝状稻草纤维比杆状稻草纤维更易吸水 所致。 由图 4 可以看出，随着稻草纤维掺量的增加， 混凝土的表观密度减小，其中，丝状稻草纤维比杆 状稻草纤维混凝土表观密度的变化相对明显，这是 因为添加在混凝土中的稻草纤维在混凝土内部呈 乱向分布状态，在搅拌和振捣过程中稻草纤维阻止 了其内部空气的溢出， 增加了混凝土中的含气量， 从而降低了混凝土表观密度。 2.2抗压强度 采用多功能电液伺服压力机，对混凝土试件进 行持续均匀加压，记录最大荷载，并按规范提取有 效试验结果。 试件放置及加载如图 5 所示，试件破 坏情况图 6 所示。 稻草纤维混凝土抗压强度试验结果如图 7 所 示。 由图 7 可以看出，混凝土的抗压强度值呈下降 趋势。 这是由于稻草纤维的掺量越大，含气量也越 大，混凝土强度就越低；另外，稻草纤维属天然植物 纤维，其表面含有机物，这些有机物阻止了与混凝 表 2试验分组及稻草纤维掺量 编号水泥水砂石 纤维掺 量/% A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 B1 B2 B3 B4 B5 B6 428 428 428 428 428 428 428 428 428 428 428 428 428 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 541 541 541 541 541 541 541 541 541 541 541 541 541 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 1263 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 kg/m3 注：A0 为普通混凝土，A 为杆状稻草纤维混凝土，B 为丝状 稻草纤维混凝土；稻草纤维掺量为水泥质量的百分比。 图 3稻草纤维混凝土的坍落度 0123456 稻草纤维掺量/% 90 80 70 60 50 40 30 图 4稻草纤维混凝土的表观密度 0123456 稻草纤维掺量/% 杆状稻草纤维 丝状稻草纤维 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 图 5抗压试验试件放置及加载 图 6普通混凝土和稻草纤维混凝土抗压试件破坏情况 杆状稻草纤维 丝状稻草纤维 谭曦，苏有文稻草纤维混凝土物理力学性能试验研究 87- 0123456 稻草纤维掺量/% 土的更好黏结，同时这些有机物在碱性条件下会释 放出来影响混凝土的强度。 2.3劈裂抗拉强度 试件安置及加载如图 8 所示，试件破坏情况如 图 9 所示。 不同龄期稻草纤维混凝土的劈裂抗拉强 度试验结果如图 10 所示。 由图 10 可以看出，随着稻草纤维掺量的增加， 稻草纤维混凝土的劈裂抗拉强度呈减小趋势，且丝 状稻草纤维混凝土的劈裂抗拉强度比杆状纤维混 凝土下降更多。 造成这种结果的原因与抗压强度降 低的原因相同。 2.4抗折（抗弯拉）强度 放置好试件后，先缓慢进行预加载（约 1kN），然 后进行持续均匀加载， 并按规范提取有效试验结 果。 根据规范要求， 加载速度在 0.50.7MPa/s 之间 取值，低强度等级用相对较缓的速度，试件安放及 加载如图 11 所示，试件破坏情况如图 12 所示。 不 同龄期下各组稻草纤维混凝土的抗折对比分析如 图 13 所示。 由图 13 可见， 稻草纤维混凝土的抗折强度随 稻草纤维掺量的增加呈降低趋势，这主要是混凝土 内部因收缩而形成的微细裂纹对降低混凝土的抗 折强度影响较大；其次是稻草纤维的掺入造成了混 凝土强度的下降；最后是稻草纤维与混凝土之间没 有形成很好的黏结。 图 7稻草纤维混凝土抗压强度试验结果 杆状（7d） 丝状（7d） 杆状（14d） 丝状（14d） 杆状（28d） 丝状（28d） 39 36 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 图 8劈裂抗拉试件安置及加载 图 9 普通混凝土及稻草纤维混凝土劈裂抗拉试件破坏情况 0123456 稻草纤维掺量/% 图 10稻草纤维混凝土劈裂抗拉强度试验结果 杆状（7d） 丝状（7d） 杆状（14d） 丝状（14d） 杆状（28d） 丝状（28d） 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 图 11抗折试验试件安置及加载 图 12普通混凝土及稻草纤维混凝土抗折试件破坏情况 0123456 稻草纤维掺量/% 图 13稻草纤维混凝土抗折强度试验结果 杆状（7d） 丝状（7d） 杆状（14d） 丝状（14d） 杆状（28d） 丝状（28d） 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 2016 年第 5 期混凝土与水泥制品总第 241 期 88- 0123456 稻草纤维掺量/% 2.5韧性性能 稻草纤维混凝土的韧性可用拉压比和压折比 来评价，稻草纤维混凝土拉压比、折压比分别如图 14 和图 15 所示。 从图 14 和图 15 可见，杆状稻草纤维混凝土的 拉压比在稻草纤维添加比例为 5%时达到最大值。 杆状和丝状稻草纤维混凝土的折压比都随着稻草 纤维掺量的增加呈先增大再减小的趋势，且分别在 掺量为 4%和 5%时达到最大。 这主要是由于单位质 量下，丝状稻草纤维的相对体积比较大，与混凝土 的接触面也较大，吸收外力能力变强的缘故。 拉压 比越大表示混凝土的脆性越小，折压比越大表示混 凝土的抗变形能力越强，可见，稻草纤维的添加对 改善混凝土的韧性具有很好的效果。 2.6抗冲击性能 目前，我国抗冲击试验基本都借鉴美国混凝土 学会所采用的落锤法5，本试验使用的冲击球重为 3kg，起点为冲击架的顶端，并且保证每次起点一致， 试验结果如表 3 所示，试件破坏情况如图 16 所示。 由表 3 可见，稻草纤维混凝土首次出现裂缝的 次数随着稻草纤维掺量的增加而增加，且均比普通 混凝土首次出现裂缝的次数多， 稻草纤维掺量从 1%增加到 6%时， 其首次出现裂缝的次数分别是普 通混凝土的 1.32.5 倍 和 1.52.8 倍。 其中，丝状相 对杆状稻草纤维混凝土首次出现裂缝的次数要大。 这是由于稻草纤维混凝土在连续外力冲击下，将外 力传递给稻草纤维，使混凝土与稻草纤维一起承担 外力的作用，从而提高了混凝土的抗冲击性能。 丝 状比杆状稻草纤维混凝土的抗冲击性能更好是因 为单位质量下，丝状稻草纤维的相对体积大，因而 在混凝土中吸收的冲击能量也就越大。 图 16抗冲击试件破坏情况 图 14稻草纤维混凝土的拉压比 7d 14d 28d （a）杆状稻草纤维（b）丝状稻草纤维 0123456 稻草纤维掺量/% 7d 14d 28d 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.12 0.10 0.08 0.06 0123456 稻草纤维掺量/% 图 15稻草纤维混凝土的折压比 7d 14d 28d （a）杆状稻草纤维（b）丝状稻草纤维 0123456 稻草纤维掺量/% 7d 14d 28d 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 谭曦，苏有文稻草纤维混凝土物理力学性能试验研究 89- 3结论 （1）随着稻草纤维的掺量的增加，混凝土的坍 落度降低，凝结时间延长，自重减轻。 其中，丝状稻 草纤维比杆状稻草纤维对混凝土的坍落度、凝结时 间、表观密度的影响要大。 （2）不同形状稻草纤维混凝土的抗压、劈裂抗 拉及抗折强度会随稻草掺量增加而降低；虽然掺入 稻草纤维的混凝土初裂荷载降低，但能够抑制裂缝 的扩展。 （3）稻草纤维的掺入能够较大幅度地提升混凝 土的韧性。 （4）随着稻草纤维掺量的增加，混凝土的抗冲 击性能增强，其中，丝状稻草纤维比杆状稻草纤维 混凝土的抗冲击性能更好。 参考文献： 1 徐至钧.纤维混凝土技术及应用M.北京:中国建筑工业出 版社,2003. 2 贾哲,姜波,程光旭,等.纤维增强水泥基复合材料研究进展 J.混凝土,2007(8):65-68. 3 林倩,吴飚.浅谈纤维混凝土J.福建建材,2011(1):30-31. 4 杨蕊,牛庆伟.纤维混凝土的研究及应用J.新乡学院学报: 自然科学版,2009,26(2):77-78. 5 Standard Method of Test for Flexural Toughness of Fiber Reinforce Concrete S. Annual Book of ASTM Standar