劉玉瑩，尹健，任海波，何凌俠，桑正輝

(中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004)

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竹纖維對砂漿性能影響的試驗研究

劉玉瑩，尹健，任海波，何凌俠，桑正輝

(中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004)

基于竹纖維砂漿的最佳攪拌工藝，探討竹纖維摻量和長度對砂漿工作性、抗折強度、抗壓強度和干縮率的影響。研究結果表明：纖維摻量介于0.5～2.0 kg/m3時，砂漿的沉入度、表觀密度和干縮率隨纖維摻量的增加而減少，強度呈先增加后降低的趨勢，在摻量為1.5 kg/m3時達到最大值；纖維長度介于5～20 mm時，隨著纖維長度的增加，砂漿的沉入度增大，表觀密度減小，強度呈先增大后減小的趨勢，在纖維長度為10 mm時達到最大值，干縮率呈先減少后增大的趨勢，在纖維長度為15 mm達到最低值。

竹纖維；砂漿；沉入度；表觀密度；強度；干縮率

隨著世界建筑業(yè)的高速發(fā)展，水泥基材料已成為應用最廣泛、用量最大的建筑材料。眾所周知，水泥基材料具有很高的抗壓強度，但存在抗拉強度低、極限延伸率小、抗裂性差等缺點，且隨著抗壓強度的提高，其干縮與脆性問題更加突出。為了改善水泥基材料的上述缺陷，通常采用在其中摻加纖維的方法。常用的纖維材料有鋼纖維，聚丙烯纖維，玻璃纖維，碳纖維和天然植物纖維等。其中，植物纖維作為一種天然纖維，具有質(zhì)量輕、比強度高、來源廣等優(yōu)點，是一種廉價且綠色環(huán)保的纖維增強材料。Ozerkan等[1-4]分別對棕櫚纖維、黃麻纖維、椰纖維、秸稈纖維增強水泥(或砂漿)的性能進行了研究，并取得了一定的成果。竹纖維是近年才投入工業(yè)生產(chǎn)的一種天然纖維，其化學成分主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，具有物理力學性能好、單位能耗低、抗拉強度較高等特點。研究開發(fā)竹纖維增強水泥基材料不僅可以拓寬我國竹材的應用領域，還可以緩解目前全球建筑材料緊缺的危機，符合我國可持續(xù)發(fā)展的要求。此外，竹纖維增強水泥基材料性能的研究對于完善纖維增強水泥基材料制備技術體系及其基礎理論體系還具有重要的理論意義。本文以砂漿工作性和力學性能為評價指標，優(yōu)化竹纖維砂漿的最佳攪拌工藝，并在此基礎上探討竹纖維長度和摻量對砂漿工作性、抗折強度、抗壓強度和干縮率的影響規(guī)律，以期為竹纖維在工程中的開發(fā)應用提供參考。

1　原材料與試驗方法

1.1原材料

水泥：湖南長沙坪塘水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為354 m2/kg，初凝時間為155 min，終凝時間為200 min，其化學組成及力學性能分別見表1～2。粉煤灰(FA)：Ⅱ級，湖南湘潭電廠提供，45μm方孔篩篩余量為18%，需水量比103%，燒失量為3.8%，含水量為0.1%。砂：湘江產(chǎn)、中砂，各項指標均滿足GB/T14684—2001《建筑用砂》規(guī)范的要求。減水劑：聚羧酸高性能減水劑，武漢格瑞林建材科技股份有限公司提供，減水率為30%，固含量為20%。水：自來水。竹纖維：四川班搏竹業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)，其性能參數(shù)見表3。

表1　水泥的化學組成

表2　水泥的力學性能

表3　竹纖維性能參數(shù)

1.2配合比設計

對于纖維增強水泥砂漿，纖維在砂漿基體中的均勻分散是保證砂漿工作性、力學性能和耐久性的關鍵。為確定竹纖維砂漿的最佳攪拌工藝，采用3種攪拌工藝分別記為PS1，PS2和PS3。其中PS1為砂、竹纖維預拌2 min，再加水泥攪拌1 min，最后加水攪拌1 min；PS2為砂、水泥預拌1 min，然后加入試驗前25 min配制的由竹纖維、減水劑和水組成的懸濁液攪拌3 min；PS3為砂、水泥、竹纖維預拌2 min，再加水攪拌2 min。研究表明，砂漿中所摻纖維的長度一般為3～19 mm，摻量一般為0.9～1.2 kg/m3，故對買來的竹纖維進行了人工梳理和修剪，制成長度分別為5，10，15，20 mm，摻量分別為0.5，1.0，1.5，2.0 kg/m3的竹纖維備用，砂漿的具體配合比見表4。試件編號中PSi(i=1,2,3)前的數(shù)字為纖維摻量，其后的數(shù)字為纖維長度，如1.0PS1-10即表示纖維摻量為1.0 kg/m3，纖維長度為10 mm，采用PS1攪拌工藝制得的砂漿試件。

表4　砂漿配合比

1.3沉入度和表觀密度試驗

參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009)中的稠度試驗和表觀密度試驗方法。

1.4抗折抗壓強度試驗

參照《水泥膠砂強度檢測方法(ISO法)》(GB/T17671—1999 idt ISO679：1989)，抗折強度試驗采用無錫錫東建材設備廠生產(chǎn)的KZJ-5000型水泥電動抗折試驗機，加載速率為50 N/S，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm?？箟簭姸仍囼灢捎脽o錫新路達儀器設備有限公司生產(chǎn)YA-300A型微機控制全自動壓力試驗機，加載速率為2 400 N/s。

1.5砂漿干縮試驗

參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009)中的收縮試驗方法。首先將收縮頭固定在試模(40 mm×40 mm×160 mm)兩端面的孔洞中(收縮頭露出試件端面8±1 mm)；然后將拌好的砂漿裝入試模中，用水泥膠砂振動臺振動密實，置于20±5 ℃室內(nèi)，4 h后抹平，砂漿帶模標養(yǎng)(20±2 ℃，RH≥90%)7d后拆模，并編號，標明測試方向。將試件移入溫度20±2 ℃，相對濕度(60±5)%的室內(nèi)養(yǎng)護至預定齡期，分別測其第1，3，7，14，21，28和56 d時的長度。為方便計算，本試驗中的收縮率均為試件相對于第1 d齡期長度的收縮率，較規(guī)范規(guī)定方法得到的收縮率值偏小。

2　試驗結果與分析

2.1攪拌工藝對砂漿性能的影響

不同的攪拌工藝，導致纖維在砂漿基體中的均勻分散程度不同，從而使砂漿表現(xiàn)出的基本性能也不同，其試驗結果見表5。

表5不同攪拌工藝下砂漿的性能變化

Table 5 Property variation of mortar under different mix technology

編號沉入度/mm表觀密度/(kg·m-3)抗折強度/MPa抗壓強度/MPaNM9221005.524.11.0PS1-106020394.516.61.0PS2-106520464.619.01.0PS3-107320595.222.3

由表5可見，無論何種攪拌工藝，竹纖維的摻入均使得砂漿的沉入度降低。這是由于竹纖維的吸水性，使得砂漿基體中的自由水減少所致。但當竹纖維長度和摻量相同時，PS3攪拌工藝下砂漿(1.0PS3-10)的沉入度較PS1(1.0PS1-10)和PS2(1.0PS2-10)攪拌工藝制得的砂漿分別提高21.7%和12.3%。這說明，PS3攪拌工藝下竹纖維在砂漿基體中的分散比較均勻，對砂漿沉入度的影響較小。同樣的道理，由于PS1和PS2攪拌工藝下，竹纖維分散不均，纖維之間纏結成團，引入了較多的孔隙，使得1.0PS1-10和1.0PS2-10的表觀密度較1.0PS3-10小。

此外，纖維的不均勻分布也是導致砂漿抗折強度和抗壓強度降低的主要原因之一，由表5可見，PS1攪拌工藝制得的砂漿，其抗折強度和抗壓強度較PS3攪拌工藝制得的砂漿分別降低15%和3%。這與上述砂漿工作性的分析結果是一致的，因此，PS3攪拌工藝更有利于纖維的均勻分散，從而改善竹纖維砂漿的工作性和力學性能。

2.2纖維摻量對砂漿性能的影響

纖維摻量對砂漿沉入度、表觀密度、強度以及干縮率的影響結果分別見圖1～3所示。

圖1　砂漿沉入度及表觀密度隨纖維摻量的變化Fig.1 Variation of sinking degree and apparent density of mortar with fiber content

圖2　砂漿強度隨纖維摻量的變化Fig.2 Variation of strength of mortar with fiber content

2.2.1纖維摻量對砂漿工作性的影響

由圖1可見，砂漿的沉入度和表觀密度均隨著纖維摻量的增加而降低，當纖維摻量為2.0 kg/m3時，砂漿的沉入度和表觀密度較基準砂漿(未摻纖維)分別降低37%和4%。這說明纖維摻量是影響砂漿工作性的主要因素之一，當纖維摻量為0～2.0 kg/m3時，砂漿的沉入度和表觀密度與纖維摻量成反比。纖維摻量增加，由于其具有很高的吸水性(吸水率42%)，當它摻入砂漿中會吸收一部分拌合水，使得基體中用于增加流動度的自由水減少，從而導致纖維砂漿的沉入度降低，且摻入的纖維越多，基體中減少的自由水越多，砂漿的沉入度降低就越多。而由于竹纖維的密度(1.49 g/cm3)比砂漿小，隨著纖維摻量的增加，必然引起纖維砂漿表觀密度的降低。

2.2.2纖維摻量對砂漿強度的影響

由圖2可見，砂漿中摻入竹纖維，其抗折強度和抗壓強度均降低，但降低的幅度隨纖維摻量的不同而異。如纖維摻量為0.5 kg/m3時，其抗折強度和抗壓強度較基準砂漿分別降低8%和11%，根據(jù)纖維間距理論，單位面積內(nèi)纖維的根數(shù)越多，纖維的阻裂增強效果就越明顯。所以當纖維摻量由0.5 kg/m3增加到1.5 kg/m3時，砂漿的抗折和抗壓強度均隨著纖維摻量的增加而增大，但當纖維摻量超過1.5 kg/m3時，砂漿的抗折和抗壓強度又隨著纖維摻量的增加而降低。這一方面是由于單位面積內(nèi)纖維數(shù)過多，纖維的結團成球現(xiàn)象顯著，引入了較多的孔隙和缺陷所致；另一方面是由于纖維摻量的不斷增加，導致體系中沒有足夠的膠凝材料包裹它，從而影響了纖維與基體的粘結強度所致。

因此，纖維的摻量不是越多越好，而是存在一個最佳纖維摻量，當纖維摻量小于最佳摻量時，纖維增強的正效應大于纖維與基體界面脫粘的負效應，力學性能隨著纖維摻量的增加而增大；而當纖維摻量大于最佳纖維摻量時，纖維增強的正效應就小于纖維與基體界面脫粘的負效應，力學性能也因此而隨纖維摻量的增加而降低[5]。

圖3　纖維摻量與砂漿干縮率的關系Fig.3 Relationship between fiber content and dry-shrinkage of mortar

2.2.3纖維摻量對砂漿干縮率的影響

由圖3可見，摻加竹纖維后，砂漿的干縮率較基準砂漿均有顯著降低；這是因為：1)竹纖維的吸水性減少了砂漿中水分的蒸發(fā)速率；2)交錯的纖維在砂漿基體中起到撐托骨料的作用，抑制了砂粒的下沉，降低了砂漿表面的析水，提高了砂漿的保水能力。兩者綜合作用的結果是，同等條件下，水泥水化更充分，砂漿本身的強度提高，抵制因失水干燥而產(chǎn)生收縮的能力更強，因此，摻加竹纖維后砂漿的干縮率減小[6]。

纖維摻量對砂漿的干縮率也有影響。當纖維長度為10 mm，摻量為0.5～2.0 kg/m3時，隨著竹纖維摻量的增加，砂漿的干縮率逐漸降低，如在56 d時，當纖維摻量分別為0.5和2.0 kg/m3時，相應砂漿的干縮率較基準砂漿分別減少了83%和88%。根據(jù)纖維間距理論，當纖維摻量增加時，纖維之間的間距減小，纖維對砂漿的增強作用越顯著，砂漿的干縮率就相應減小，但當纖維摻量增加到一定數(shù)值時，纖維之間纏結引起的負效應就會抵消其增強的正效應，使得砂漿的干縮率變化較小。

2.3纖維長度對砂漿性能的影響

纖維長度對砂漿沉入度、表觀密度、強度以及干縮率的影響結果分別見圖4～6所示。

2.3.1纖維長度對砂漿工作性的影響

由圖4可見，砂漿的沉入度隨纖維長度的增加逐漸增加，而表觀密度卻隨著纖維長度的增加逐漸較低，即纖維長度為5～20 mm時，砂漿的沉入度與纖維長度成正比，表觀密度與纖維長度成反比。當纖維長度為20 mm時，砂漿的沉入度為72 mm，表觀密度為2 003 kg/m3，較纖維長度為5 mm時砂漿的沉入度提高9%，表觀密度降低3%。這是因為纖維摻量相同時，纖維長度越短，纖維與砂漿基體堆積的越密實，空隙率越低，因此沉入度越小，表觀密度越大[7]。

圖4　砂漿沉入度及表觀密度隨纖維長度的變化Fig.4 Variation of sinking degree and apparent density of mortar with fiber length

圖5　砂漿強度隨纖維長度的變化Fig.5 Variation of strength of mortar with fiber length

2.3.2纖維長度對砂漿強度的影響

由圖5可見，當纖維摻量相同時，纖維長度為5～10 mm時，砂漿的抗折和抗壓強度均隨著纖維長度的增加而增大；當纖維長度為10 mm時，砂漿的抗折和抗壓強度均達到最大，分別為5.4和22.6 MPa；纖維長度為10～20 mm時，砂漿的抗折和抗壓強度均隨著纖維長度的增加而減少。纖維在砂漿中起“橋接”的作用，當砂漿受到荷載，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋時，基體將應力傳給纖維，纖維通過與基體脫黏從基體中拔出或拉斷,消耗較大的能量，從而提高砂漿的抗折強度[8]。當纖維長度較短時，纖維傳遞荷載的作用不明顯，對纖維砂漿強度的貢獻也不大，但當纖維長度超過臨界纖維長度時，纖維結團的概率就大大增加，纖維在基體中成球，導致空隙率增加，強度降低[2,9]。

圖6　纖維長度與砂漿干縮率的關系Fig.6 Relationship between fiber length and dry-shrinkage of mortar

2.3.3纖維長度對砂漿干縮率的影響

由圖6可見，纖維摻量同為1.5 kg/m3，當纖維長度為5～15 mm時，砂漿的干縮率隨纖維長度的增加逐漸降低，如在56 d時，摻長度為15 mm竹纖維的砂漿，其干縮率較摻長度為5 mm同種纖維的砂漿減少了72%；但當纖維長度增加至20 mm時，相應砂漿的干縮率雖然比基準砂漿小，但卻比摻長度為5 mm竹纖維的砂漿大。說明纖維長度是影響砂漿干縮率的重要因素之一，在纖維摻量一定的情況下，雖然纖維長度增大會使單位體積內(nèi)纖維的根數(shù)降低，但由于纖維在砂漿中是呈三維網(wǎng)狀分布的，其間距是不變的，加之較長纖維與砂漿基體間的界面結合力較高[10]，因此，隨著纖維長度的增加，砂漿的干縮率會相應地減小。但當纖維長度繼續(xù)增加時，纖維易纏結成團，難以實現(xiàn)其在砂漿基體中的均勻分散，因此反而降低了其對砂漿的增強效果。

3　結論

1)采用將砂、水泥、竹纖維先預拌2 min，再加水攪拌2 min的攪拌工藝，有利于纖維在基體中的均勻分散，改善竹纖維砂漿的工作性能和力學性能。

2)隨著纖維摻量(0.5～2.0 kg/m3)的增加，砂漿的沉入度和表觀密度均降低，而強度卻呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在竹纖維摻量為1.5 kg/m3時達到最大值。

3)隨著纖維長度的增加，砂漿的沉入度增大，表觀密度減小，其強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在纖維長度為10 mm時達到最大值。

4)砂漿中摻入竹纖維能顯著降低其干縮率，且隨著纖維摻量的增加，砂漿的干縮率逐漸減小。同時，竹纖維長度對砂漿的干縮率也有顯著影響，在56 d時，摻長度為15 mm竹纖維的砂漿，其干縮率較摻長度為5 mm的同種纖維砂漿減少了72%。

[1]Ozerkan N G, Ahsan B, Nansour S, et al. Mechanical performance and durability of treated plam fiber reinforced mortars[J]. International Journal of Sustainable Built Environment, 2013(2): 131-142.

[2]Chakraborty S, Kundu S P, Roy A, et al. Improvement of the mechanical properties of jute fibre reinforced cement mortar : A statistical approach[J]. Construction and Building Materials, 2013, 38: 776-784.

[3]Li Z J, Wang L J, Wang X G. Flexural characteristics of coir fiber reinforced cementitious composites[J]. Fibers and Polymers, 2006, 7(3): 286-294.

[4]Xie X L, Zhou Z W, Jiang M, et al. Cellulosic fibers from rice straw and bamboo used as reinforcement of cement-based composites for remarkably improving mechanical properties[J]. Composites Part B:Engineering, 2015, 78(1): 153-161.

[5]葉穎薇, 冼定國, 冼杏娟. 竹纖維和椰纖維增強水泥復合材料[J]. 復合材料學報, 1998, 15(3): 92-98.

YE Yingwei, XIAN Dingguo, XIAN Xingjuan. Bamboo fiber and coconut husk fiber reinforced cement composite materials[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 1998, 15(3):92-98.

[6]Ma Y, Zhu B, Tan M, et al. Effect of Y type polypropylene fiber on plastic shrinkage cracking of cement mortar[J]. Materials and Structures, 2004, 37(3): 92-95.

[7]Coutts R S P, Ni Y.Autoclaved bamboo pulp fiber reinforced cement[J]. Cement and Concrete Composites, 1995, 17(2): 99-106.

[8]Jr H S, Warden P G, Coutts R S P. Brazilian waste fibres as reinforcement for cement-based composites[J]. Cement and Concrete Composites, 2000, 22(6): 379-384.

[9]Dawood E T, Ramli M. Development of high strength flowable mortar with hybrid fiber[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(6): 1043-1050.

[10]劉麗芳, 王培銘, 楊曉杰. 聚丙烯纖維參數(shù)對水泥砂漿干縮率的影響[J]. 建筑材料學報, 2005, 8(4): 373-377.

LIU Lifang. WANG Peiming, YANG Xiaojie. Effect of polypropylene fiber on dry-shrinkage ratio of cement mortar[J]. Journal of Building Materials, 2005, 8(4): 373-377.

Experimental research on the impact of bamboo fiber on mortar performances

LIU Yuying，YIN Jian，REN Haibo，HE Lingxia，SANG Zhenghui

(School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)

Based on the optimal mixing process of mortar reinforced with bamboo fiber, the effects of bamboo fiber content and length on workability，flexural strength，compressive strength and dry-shrinkage ratio of mortar were discussed. The test results show that the sinking degree，apparent density and dry-shrinkage ratio of mortar decrease with the increase of fiber content when the amount of fiber is between 0.5 to 2.0 kg/m3. The strength of mortar firstly increased and then decreases, it reaches the maximum value when the fiber content is 1.5 kg/m3. The sinking degree increases while the apparent density decreases with the increase of fiber length when fiber length is between 5 to 20 mm. However, the strength firstly increases and then decreases, and it reaches the maximum value when the fiber length is 10 mm. The dry-shrinkage of mortar firstly decreases and then increases, it reaches the lowest value when the fiber length is 15 mm.

bamboo fiber；mortar；sinking degree；apparent density；strength；dry-shrinkage ratio

2015-10-30

湖南省科技廳重點資助項目(2013FJ2002)

尹健(1970-)，男，湖南洞口人，教授，博士，從事新型建筑材料研究；E-mail：csuyj700930@163.com

TU528.58

A

1672-7029(2016)08-1522-06