楊 凌，陳 強，謝興華，李先民，包燕敏

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

0 前 言

竹纖維的原料是竹子，它是一種速生材，一年即可生長成型，2～5年成熟后可砍伐使用。在不同環(huán)境下生長的竹子多達(dá)1 500種，主要種植在山地、坡地[1]。我國第九次全國森林資源清查結(jié)果顯示,我國竹林面積為641.16萬hm2,占森林面積的2.94%,其中毛竹林467.78萬hm2、占竹林面積的72.96%[2]。針對我國豐富的竹資源，國內(nèi)學(xué)者對竹資源的應(yīng)用做了大量的研究。世界上很早就有人用木料與水泥混合使用[3]，隨后有人用竹材來增強水泥[4]，我國1918年就有人用竹材增強水泥建造房頂[5]。雖然竹纖維的抗拉強度不及鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維與芳綸纖維,但是其斷裂延伸率有著顯著優(yōu)勢,對混凝土構(gòu)件韌性的提高有舉足輕重的作用[6]。為探尋既能提高混凝土性能又能節(jié)約工程成本的纖維混凝土，利用各地豐富竹資源，以竹纖維增強水泥復(fù)合材料，既改善混凝土力學(xué)性能又能取材方便，應(yīng)用前景極為廣闊。張昌[7]通過建立ANSYS數(shù)值分析模型，用數(shù)值模擬方法分析纖維混凝土在單軸壓、劈拉、彎折作用下的受力性能和破壞過程，與相應(yīng)試驗結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而在試驗研究與數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，探討竹纖維混凝土的受力模型及增強機理,隨后又進(jìn)行了一系列單軸壓、劈拉、彎折對比試驗,研究了不同摻量和長度的細(xì)圓桿型竹纖維對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度的影響,并分析竹纖維混凝土的增強機理,給出了竹纖維混凝土力學(xué)性能的建議計算公式[8]。熊靈[9]進(jìn)行了竹纖維混凝土立方體試塊的抗壓試驗和竹纖維鋼筋混凝土梁的正截面受彎試驗和斜截面受剪試驗,比較了不同竹纖維長度和竹纖維含量情況下,竹纖維的加入使素混凝土試塊的抗壓強度和鋼筋混凝土梁的極限荷載、跨中位移等發(fā)生的變化。劉豫等[10]針對竹纖維的機械性能在堿性水泥漿中會逐漸惡化的缺點,對竹纖維表面預(yù)涂了乳液并進(jìn)行了耐久性對比測試，結(jié)果表明,加入預(yù)處理的竹纖維制備出的水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性得到了顯著改善。高山源源[11]設(shè)計和制作了竹筋混凝土梁，同時參照鋼筋混凝土受彎構(gòu)件破壞試驗，記錄試驗現(xiàn)象，并測得應(yīng)變、撓度、承載能力等抗彎性能指標(biāo)，并運用ANSYS有限元軟件對竹筋混凝土梁進(jìn)行了非線性模擬，與試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，得出結(jié)論：竹筋與混凝土之間的粘結(jié)作用的強弱，是試驗是否理想以及能否提高抗彎承載力的關(guān)鍵。李昱澄等[12]對比五種不同竹材處理形式的試驗,探究出一些有利于提高竹筋混凝土中竹材與混凝土粘結(jié)力的方法和措施。徐赫偉等[13]通過對竹筋混凝土配筋率的提高,研究對竹筋混凝土自身抗彎性能的改變。發(fā)現(xiàn)在粘結(jié)性能較差情況下,提高竹筋混凝土配筋率，并不能有效提高竹筋混凝土的抗折強度,反而強度有所下降。陳翔等[14]對竹纖維混凝土墻板進(jìn)行了初步研究。研究結(jié)果表明:竹纖維大幅度提高了混凝土墻板的抗彎強度，提高了混凝土板的延性,延緩了裂縫的發(fā)展。綜上所述，在確保竹纖維均勻分散，充分混合和密集振動的條件下，竹纖維將支撐混凝土中的骨料，并減少混凝土表面失水引起的收縮。它還減少了混凝土表面裂縫的發(fā)生，這意味著竹纖維混凝土可以承受由表面硬化階段收縮引起的拉伸應(yīng)力，從而減小了混凝土的裂縫尺寸和數(shù)量。竹纖維對提高混凝土抗彎性能、延緩裂縫發(fā)展有著明顯的作用，然而如果竹纖維含量和混凝土的比例搭配不當(dāng)，不僅對抗彎性能的提升不明顯，還有可能導(dǎo)致抗壓強度降低。另外竹纖維與混凝土的粘結(jié)強弱與竹纖維對混凝土抗彎等性能的增強效果有很大影響。以上研究還沒有研究竹纖維與混凝土的最佳配合比以及纖維長度對竹纖維混凝土性能的影響規(guī)律，本文通過大量竹纖維混凝土和普通混凝土的對比試驗，包括試驗內(nèi)容抗壓、抗折、抗拉試驗，為研究竹纖維與混凝土的合適配比提供了一定的參考作用。

1 竹纖維混凝土及工作原理

1.1 竹纖維混凝土

竹纖維就是采用竹子材料，去除竹節(jié)，取中間段，清洗干凈后，沿徑向破開，切取2～6 cm長的短片，再經(jīng)過浸泡、干燥等程序，制成的寬控制在3～4 mm的纖維。竹纖維混凝土是用竹纖維增強混凝土的簡稱，通常是以水泥、砂、石、水為基體，以竹纖維為增強材料組成的一種水泥基復(fù)合材料，竹纖維混凝土的組分以水泥為主，竹纖維的摻入量為水泥量的3%～8%。

1.2 竹纖維混凝土工作原理

竹纖維在混凝土中抑制了混凝土早期裂縫的產(chǎn)生及其在外力作用下裂縫的擴展。在竹纖維混凝土受力增大的過程中，剛開始竹纖維與混凝土共同受力，這個時候混凝土是外力的主要承擔(dān)者，隨著外力的不斷增加，當(dāng)混凝土承擔(dān)的抗拉強度達(dá)到極限時，外力的主要承擔(dān)者由混凝土轉(zhuǎn)變?yōu)橹窭w維，橫跨裂縫的竹纖維將發(fā)揮其抗拉優(yōu)勢限制混凝土裂縫的擴展。

2 試驗概況

2.1 試驗試件材料

1)材料：水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，素混凝土強度等級C30；粗骨料：河卵石，粒徑5～20 mm，表觀密度2 720 kg/m3；細(xì)骨料：平區(qū)河中砂，表觀密度2 650 kg/m3；水：自來水；竹筋：由竹簽加工廠制成，橫截面積約4 mm2，長度規(guī)格分別為：2 cm、4 cm、6 cm,見圖1。

(a)水泥

2)配合比：混凝土試件基本配合比：水灰比∶0.45，砂率∶0.28，水泥∶石∶砂∶水=1∶3.55∶1.38∶0.45。

2.2 試件制作

首先按所定的基本配合比備料，以全干狀態(tài)為準(zhǔn)。然后將水泥、沙、河卵石、竹筋混合均勻，加水?dāng)嚢瑁瑪嚢枰话惴希喊韬臀矬w積為30 L以下時4～5 min；拌合物體積為31～50 L時5～9 min；拌合物體積為31～75 L時9～12 min。再將攪拌均勻的竹纖維混凝土裝入模具，并移至振動臺振搗。隨后將試件在室溫(20±2)℃環(huán)境中靜置24 h，拆模編號。拆模后的試件立即放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d,原材料及標(biāo)準(zhǔn)成型試件見圖1。

2.3 竹纖維混凝土性能的測試

抗壓強度試驗試件尺寸采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，在YES-2000數(shù)顯式壓力試驗機上進(jìn)行抗壓強度測試；抗折強度試驗試件尺寸采用150 mm×40 mm×40 mm的棱柱試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，在杠桿式抗折試驗機上進(jìn)行抗折強度的測試；劈裂抗拉強度試驗試件采用直徑150 mm、高300 mm的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后試件28 d后，在YES-2000數(shù)顯式壓力試驗機上墊上劈裂鋼墊條和三合板墊層進(jìn)行抗壓強度測試見圖2。

(a)抗壓試驗

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

抗壓試驗、抗折試驗、劈裂抗拉試驗均以相同竹筋含量和長度分別為一組，每組試件為3個共10組，30個試件。通過對每組不同竹纖維混凝土以及普通混凝土進(jìn)行抗壓試驗、抗折試驗、劈裂抗拉試驗，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到不同纖維含量以及纖維長度的各項力學(xué)強度的平均數(shù)值以及每組試件抗壓強度最小值，如表1所示。

表1 不同纖維含量以及纖維長度竹纖維混凝土的各項力學(xué)性能 單位：MPa

依照表1試驗數(shù)據(jù)可知，竹纖維的摻入會影響其抗壓強度，試驗所用混凝土PO42.5普通硅酸鹽水泥，素混凝土強度等級C30。由試驗可知，竹纖維會降低混凝土的抗壓強度，依此竹纖維抗壓強度的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)以素混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)低一個等級作為強度標(biāo)準(zhǔn)(例如素混凝土強度等級為C30，則竹纖維混凝土強度需達(dá)到C25以上)。

根據(jù)《混凝土強度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50107—2010)，此次試驗每組混凝土試件數(shù)小于10，應(yīng)采用非統(tǒng)計法評定。

mfcu≥λ3·fcu,k

(1)

fcu,min≥λ4·fcu,k

(2)

式(1)中，mfcu為同一檢驗批混凝土立方體抗壓強度的平均值；fcu,min為同一檢驗批混凝土立方體抗壓強度的最小值。

表2為混凝土強度的非統(tǒng)計法合格評定系數(shù)。

表2 混凝土強度的非統(tǒng)計法合格評定系數(shù)

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，由非統(tǒng)計法合格評定計算公式(1)和(2)計算，若要評定試件強度合格，則應(yīng)滿足mfcu≥28.75 MPa，fcu,min≥23.75 MPa，由試驗數(shù)據(jù)評定最終結(jié)果見表3。

如表3所示，所有竹筋混凝土抗壓強度的最小值均達(dá)到C25的評定標(biāo)準(zhǔn)值，但是含5%的4 cm竹纖維混凝土、含5%的6 cm竹纖維混凝土、含8%的2 cm竹纖維混凝土、含8%的4 cm竹纖維混凝土、含8%的6 cm竹纖維混凝土試件組的同一檢驗批混凝土立方體抗壓強度的平均值無法達(dá)到C25的強度評定標(biāo)準(zhǔn)。由此可知當(dāng)竹纖維含量為5%時，纖維長度不宜過長，一般應(yīng)將纖維摻合量控制在5%以內(nèi)。

表3 混凝土強度評定結(jié)果

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 抗壓強度試驗結(jié)果

在控制水泥、砂、石、水等無關(guān)變量不變的情況下，改變竹纖維的摻合量以及竹纖維長度，通過立方體抗壓強度實驗得出竹纖維的摻合量以及竹纖維長度對竹纖維混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。

如圖3所示，竹纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，在相同纖維長度的情況下，竹纖維混凝土抗壓強度隨著竹纖維摻合量增加而降低。在相同纖維含量的情況下，竹纖維長度越長，其抗壓強度降低幅度越大。竹纖維長度為2 cm和4 cm時，抗壓強度與竹纖維含量呈線性變化。當(dāng)竹纖維含量大于5%時，抗壓強度下降超過5 MPa，混凝土強度降低一個等級，因此竹纖維含量不宜大于最大5%。

(a)直方圖

3.2.2 抗折強度試驗結(jié)果

在控制水泥、砂、石、水等無關(guān)變量不變的情況下，改變竹纖維的摻合量以及竹纖維長度，通過抗折強度實驗得出竹纖維的摻合量以及竹纖維長度對竹纖維混凝土抗折強度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果見圖4。

(a)直方圖

如圖4所示，竹纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，在相同纖維長度的情況下，竹纖維混凝土抗折強度隨竹纖維摻合量的增加而提高。在相同纖維含量的情況下，竹纖維混凝土抗折強度隨竹纖維長度增加而提高。在纖維長度為2 cm，竹纖維含量小于3%的情況下，竹纖維混凝土的抗折強度提升不大。因此竹纖維含量宜大于3%。

3.2.3 抗拉強度試驗曲線圖

在控制水泥、砂、石、水等無關(guān)變量不變的情況下，改變竹纖維的摻合量以及竹纖維長度，通過劈裂抗拉強度實驗得出竹纖維的摻合量以及竹纖維長度對竹纖維混凝土抗拉強度的影響規(guī)律。

如圖5所示，竹纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，在相同纖維長度的情況下，竹纖維混凝土抗拉強度隨竹纖維摻合量增加而提高，在相同纖維含量的情況下，竹纖維混凝土抗拉強度隨竹纖維長度增加而提高，2、4、6 mm的28 d竹纖維混凝土最大抗折強度提高率分別可達(dá)32.24%、34.11%、39.71%。

(a)直方圖

4 結(jié) 論

1)竹筋含量影響混凝土抗壓強度最大,當(dāng)竹纖維含量大于3%下降明顯,配制某一標(biāo)號竹纖維混凝土需提高一個等級。

2)各纖維長度的竹纖維混凝土，隨著竹筋摻入量的增加，竹纖維混凝土抗壓強度逐步降低，相同竹纖維摻合量下，纖維長度越長，竹纖維混凝土抗壓強度降低幅度越大。

3)各纖維長度的竹纖維混凝土，隨著竹筋摻入量的增加，竹纖維混凝土的抗折和抗拉強度逐步增加，相同竹纖維摻合量下，竹纖維長度越長，竹纖維混凝土抗折和抗拉強度提高幅度越大。

4)一定纖維長度和摻合量的竹纖維混凝土，雖抗壓強度有所降低，但在人為控制下仍可得到抗壓強度滿足工程需要要求的竹纖維混凝土，竹纖維能使混凝土抗折及抗拉性能明顯提高，有助于克服混凝土的脆性弊端，提高其抗震抗沖擊和韌性性能，并為充分利用地方材料改善混凝土的綜合性能探索新的途徑，本文只是階段性成果，有待于進(jìn)一步深入研究，為竹纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計以及在纖維混凝土結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用提供了試驗和理論依據(jù)。

[ID:012709]