文壯強(qiáng),丁楊

三種纖維素?fù)搅蠈?duì)混凝土物理和力學(xué)性能的影響

文壯強(qiáng)1,丁楊2

1. 杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 杭州 311402 2. 浙江大學(xué), 浙江 杭州 310058

為研發(fā)高性能環(huán)?；炷?，本文通過(guò)在混凝土中分別摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，通過(guò)測(cè)試混凝土的坍落度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度來(lái)得到最佳纖維摻量。通過(guò)試驗(yàn)得出：（1）在0%～1%的摻量中，隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的坍落度越小。但當(dāng)纖維含量超過(guò)1%時(shí)，纖維仍會(huì)使得混凝土坍落度下降但坍落度下降率在減??；（2）隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)減小，即混凝土的保溫隔熱性能越好；（3）在0%～1%的摻量中，隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。但當(dāng)纖維含量超過(guò)1%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度卻減小。（4）在三種測(cè)試試驗(yàn)中，碳纖維對(duì)混凝土性能的提升要好于聚丙烯纖維和聚乙烯纖維。綜合上述，建議在混凝土中摻入1%的碳纖維。

纖維; 混凝土; 力學(xué)性能

由于混凝土具備良好的力學(xué)性能，目前已經(jīng)成為二十一世紀(jì)應(yīng)用最為廣泛的材料之一[1-3]。但隨著節(jié)能要求的提出，混凝土在具備一定的力學(xué)性能的同時(shí)，也需要具備一定的節(jié)能性能[4-6]。因此，許多研究學(xué)者通過(guò)在混凝土中摻入活性物質(zhì)或廢棄材料，來(lái)制備高性能節(jié)能混凝土。孟祥春等闡述了透水混凝土性能、配合比及其制備方法,并將透水混凝土應(yīng)用于具體工程[7]。吳元梅等研究橡膠粉集料含量等因素對(duì)生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度等性等指標(biāo)的影響[8]。劉富玲研究鋼纖維種類、鋼纖維體積率、鋼纖維長(zhǎng)徑比及聚丙烯體積率對(duì)混雜纖維混凝土強(qiáng)度和韌性的影響[9]。黃亞梅等提出了綠化混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，明確了配合比參數(shù)的取值[10]。姚曦講述高性能綠色混凝土配制參數(shù)的合理選擇和配制過(guò)程中的主要技術(shù)應(yīng)用[11]。劉殿忠等分析了硫鋁酸鹽秸稈混凝土這種新型綠色環(huán)?；炷敛牧系牧W(xué)性能及其材料特點(diǎn)[12]。張一鑫等實(shí)現(xiàn)玉米苞葉的變廢為寶，制備出了高性能綠色混凝土并得出玉米苞葉纖維摻量為1%時(shí)纖維混凝土的性能表現(xiàn)最優(yōu)[13]。王勇?lián)饺牖炷恋V物摻和料，使用建筑垃圾再生骨料，制備綠色高性能混凝土[14]。尹健等提出了一種新的綠色生態(tài)混凝土配比設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)了綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)配合比[15]。

本文參考上述研究學(xué)者的試驗(yàn)方法，通過(guò)在混凝土中分別摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維。通過(guò)文獻(xiàn)[16-19]得出，這三類纖維材料具有很強(qiáng)的活性性能，能夠有效的提高混凝土的力學(xué)性能，但節(jié)能性能的提升還有待分析。因此本文進(jìn)一步分析這三類纖維混凝土的坍落度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的變化，最終得出最佳摻量纖維和最佳摻量比例，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為今后高性能節(jié)能混凝土的研發(fā)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥是混凝土的重要組成成分，本文所選用的水泥是從唐山英城水泥有限公司購(gòu)買的PO52.5R硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥基本性能

水泥化學(xué)組成成分如表2所示。

表2 水泥成分/%

砂、石均由南京花仙子裝飾材料有限公司提供，其中石粒徑在10～30 mm之間，其堆積密度約為1730 kg/m3，表觀密度約為2731 kg/m3，壓碎指標(biāo)為6%；砂粒徑在0～10 mm之間，其堆積密度約為1890 kg/m3，表觀密度約為3026 kg/m3。水為飲用水。減水劑由大慶德昌偉業(yè)化工有限公司生產(chǎn)。根據(jù)上述基本材料，對(duì)混凝土進(jìn)行配制，其配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比

1.2 方法

為了配制綠色節(jié)能的高性能混凝土，在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，三種纖維材料均由廈門馭策新材料科技有限公司提供。通過(guò)攪拌機(jī)將水泥、纖維、水和砂石等進(jìn)行混合攪拌，隨后放入振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)。待養(yǎng)護(hù)后，將混凝土分別進(jìn)行坍落度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試。其中坍落度由鼎鵬河北試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的坍落度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試、導(dǎo)熱系數(shù)通過(guò)上海開絡(luò)信息科技有限公司生產(chǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試、抗壓強(qiáng)度由上海研潤(rùn)光機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 坍落度的變化

在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，測(cè)試混凝土的坍落度的演變關(guān)系，如圖1所示。從圖中可以看出，在一定含量下（0%～1%），隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的坍落度越小，并且隨著摻量的急劇增加，坍落度下降率逐漸增大。如當(dāng)不摻入聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的坍落度為84 mm；當(dāng)摻入0.5%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的坍落度為81 mm；當(dāng)摻入1%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的坍落度為77 mm。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)1%時(shí)，混凝土的坍落度雖然還是減小，但坍落度下降率在減小。在相同的含量下，碳纖維對(duì)混凝土坍落度的影響最大。

圖1 纖維混凝土的坍落度演變關(guān)系

對(duì)坍落度的變化規(guī)律進(jìn)一步的進(jìn)行討論，可以得出是由于聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維能夠填充混凝土的內(nèi)部空隙，提高混凝土的密實(shí)度，從而減小混凝土的坍落度，如表4所示。碳纖維的直徑比及比表面積相對(duì)于聚丙烯纖維和聚乙烯纖維要小，因此越多的碳纖維越能夠填充混凝土中的空隙，因此碳纖維對(duì)混凝土的性能提高較快。但當(dāng)過(guò)量的纖維摻入混凝土中時(shí)，混凝土的工作性能不會(huì)得到明顯的改善。主要是因?yàn)榇藭r(shí)混凝土的空隙已填滿后，纖維對(duì)混凝土的坍落度不會(huì)產(chǎn)生明顯的改變。纖維含量越多，其他組成成分如水泥的含量就減小，混凝土的坍落度自然也會(huì)減小。對(duì)于混凝土的工作性能，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為各纖維含量不超過(guò)1%為最佳。

表4 坍落度變化規(guī)律

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)的變化

在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，測(cè)試混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)的演變關(guān)系，如圖2所示。從圖中可以看出，隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)減小，即混凝土的保溫隔熱性能越好，并且隨著摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)變化率逐漸增大。如當(dāng)不摻入聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.37 W/mK；當(dāng)摻入0.5%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.31 W/mK；當(dāng)摻入1%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.27 W/mK；當(dāng)摻入2%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.22 W/mK。在相同的含量下，碳纖維對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大。

圖2 纖維混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)演變關(guān)系

對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)一步的進(jìn)行討論，可以得出是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比混凝土要低得多，但混凝土表面多為開放式空隙，因此混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)值較大。但當(dāng)摻入纖維時(shí)，纖維能夠填補(bǔ)混凝土表面及內(nèi)部的空隙，使得混凝土內(nèi)部形成封閉式氣孔，提高混凝土的導(dǎo)熱性。并且隨著纖維含量的增加，混凝土的保溫性能越好，如表5所示。主要是因?yàn)槔w維的導(dǎo)熱性能比混凝土也要好的多，即使纖維的摻入過(guò)量了，也會(huì)使得混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降。由于碳纖維的導(dǎo)熱系數(shù)通常比聚丙烯纖維和聚乙烯纖維要低，因此碳纖維對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響最大。對(duì)于混凝土的保溫性能，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)得出纖維的含量越多越好。

表5 導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律

2.3 抗壓強(qiáng)度的變化

在混凝土中摻入0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%含量的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維，測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度的演變關(guān)系，如圖3所示。從圖中可以看出，在一定含量下（0%～1%），隨著纖維摻量的含量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，并且隨著摻量的急劇增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸增大。如當(dāng)不摻入聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為53.4 MPa；當(dāng)摻入0.5%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為58.1 MPa；當(dāng)摻入1%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為62.3 MPa。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)1%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度卻在減小。在相同的含量下，碳纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大。

圖3 纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度演變關(guān)系

對(duì)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)一步的進(jìn)行討論，可以得出是由于聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維均屬于活性礦物摻合料，這些纖維的摻入能夠促進(jìn)混凝土中水泥的水化，即發(fā)生火山灰反應(yīng)，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是過(guò)高的纖維含量則會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，這主要是因?yàn)槔w維本身不具備抗壓強(qiáng)度。過(guò)高的纖維含量則相應(yīng)的使得混凝土其他成分的含量下降，如水泥等，從而使得混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，如表6所示。對(duì)于三種纖維來(lái)說(shuō)，碳纖維由于其比表面積較小，能夠更好的填充混凝土的內(nèi)部空隙，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度性能比聚丙烯纖維和聚乙烯纖維要好。對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)得出纖維的含量需要控制在1%以內(nèi)。

表6 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

3 結(jié)論

本文通過(guò)摻入不同含量（0%、0.2%、0.5%、1.0%和2%）的聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和碳纖維來(lái)配制高性能節(jié)能混凝土，經(jīng)過(guò)坍落度、導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能測(cè)試得出：碳纖維對(duì)道路混凝土的性能提升要好于聚丙烯纖維和聚乙烯纖維，因此建議在相同纖維摻量的情況下，碳纖維的性價(jià)比最好，具體其性能為：

（1）當(dāng)不摻入碳纖維時(shí)，混凝土的坍落度為84 mm；當(dāng)摻入0.5%的碳纖維時(shí)，混凝土的坍落度為75 mm；當(dāng)摻入1%的碳纖維時(shí)，混凝土的坍落度為69 mm。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)1%時(shí)，混凝土的坍落度雖然還是減小，但坍落度下降率在減??；

（2）當(dāng)不摻入碳纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.37 W/mK；當(dāng)摻入0.5%的碳纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.27 W/mK；當(dāng)摻入1%的碳纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.21 W/mK；當(dāng)摻入2%的碳纖維時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.15 W/mK；

（3）當(dāng)不摻入碳纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為53.4 MPa；當(dāng)摻入0.5%的碳纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為61.8 MPa；當(dāng)摻入1%的碳纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為66.3 MPa。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)1%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度卻在減小。

[1] 米永剛,董西龍.綠色混凝土配合比要素探究[J].混凝土,2015(2):91-93

[2] 權(quán)娟娟,趙世冉,張凱峰,等.綠色高性能混凝土配合比要素及計(jì)算方法探討[J].混凝土,2012(11):77-79

[3] 張行,朱平華,陳華建.綠色高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)三參數(shù)準(zhǔn)則[J].新型建筑材料,2004(4):24-26

[4] 張開猛,蔣友新,譚克峰,等.粉煤灰的新型化學(xué)激發(fā)及低堿混凝土配合比研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2007,33(5):122-125

[5] 陳劍毅,胡明玉,劉文華,等.綠色高性能混凝土正交試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(9):2195-2199

[6] 鄧壽昌,張學(xué)兵,羅迎社.廢棄混凝土再生利用的現(xiàn)狀分析與研究展望[J].混凝土,2006(11):20-24

[7] 孟祥春,何兆芳,趙國(guó)輝.綠色生態(tài)透水混凝土的試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2015(5):107-109

[8] 吳元梅,郭凱先,賈海峰.生態(tài)混凝土在海綿城市中的應(yīng)用及其特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].混凝土,2018,345(7):127-130

[9] 劉富玲.新型混凝土配合比設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析[J].混凝土,2010(6):119-121,140

[10] 黃亞梅,王立華.綠化混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2017(11):167-169

[11] 姚曦.高性能綠色混凝土配合比設(shè)計(jì)與泵送施工[J].科技視界,2016(6):145-145

[12] 劉殿忠,于瑩,夏法磊,等.秸稈混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2010,27(1):19-21

[13] 張一鑫,周雪峰,華叢.玉米苞葉纖維混凝土配合比試驗(yàn)研究[J].建材世界,2017(6):5-8

[14] 王勇.混凝土配合比設(shè)計(jì)與綠色高性能混凝土[J].商品混凝土,2013(3):87-89

[15] 尹健,彭華.綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2015(1):40-45

[16] 汪洋,楊鼎宜,周明耀.聚丙烯纖維混凝土的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].混凝土(1):24-26,31

[17] 邊策,田正宏,高林冬,等.超高分子量聚乙烯纖維混凝土工作性及耐久性研究[J].混凝土與水泥制品,2016(1):50-53

[18] 何軍擁,姚立寧.碳纖維混凝土的特征及應(yīng)用探討[J].新型建筑材料,2006(4):12-14

[19] 丁楊,周雙喜,王中平,等.多場(chǎng)耦合循環(huán)作用下屋面保溫材料耐候性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2019,22(4):638-644,650

Effects of Three Cellulose Admixtures on Physical and Mechanical Properties of Concrete

WEN Zhuang-qiang1, DING Yang2

1.311402,2.310058,

In order to develop high-performance environmental protection road concrete, polypropylene fiber, polyethylene fiber and carbon fiber with the contents of 0%, 0.2%, 0.5%, 1.0% and 2% were added into the concrete, and the optimum fiber content was obtained by testing the slump, thermal conductivity and compressive strength of the concrete. The results show that: (1) In the content of 0% - 1%, the slump of concrete is smaller with the increase of fiber content. However, when the fiber content exceeds 1%, the fiber will still reduce the slump of concrete, but the slump decline rate is decreasing; (2) With the increase of fiber content, the thermal conductivity of concrete decreases, that is, the better the thermal insulation performance of concrete; (3) In the content of 0% - 1%, the compressive strength of concrete increases with the increase of fiber content. However, when the fiber content exceeds 1%, the compressive strength of concrete decreases. (4) In the three tests, the improvement of concrete performance by carbon fiber is better than that by polypropylene fiber and polyethylene fiber. Based on the above, it is recommended to add 1% carbon fiber into the concrete.

Fiber; concrete; slump; thermal conductivity; mechanical property

TU528

A

1000-2324(2021)05-0794-05

2021-07-08

2021-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(52163034)

文壯強(qiáng)(1976-),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要研究方向:市政工程技術(shù). E-mail:546254105@qq.com