劍麻纖維混凝土力學性能研究進展

郭俊杰?姜景山?張超?徐凡?杜遠航?徐立城?戈澤淼?周海玥?黃鑫

摘要：劍麻纖維混凝土作為一種新型的纖維混凝土可以有效阻止混凝土裂縫的發展，它綜合了混凝土的抗壓性能和劍麻纖維的抗拉性能，可有效改善混凝土的力學性能。文章簡要闡述了劍麻纖維增強混凝土力學性能的作用機理，并從抗壓強度、抗拉強度和坍落度3個方面總結了劍麻纖維混凝土力學性能研究的進展。最后結合劍麻纖維混凝土的實際工程應用，提出對劍麻纖維混凝土的進一步研究方向。

關鍵詞：劍麻纖維混凝土;力學性能;作用機理;強度;裂縫;工程應用

中圖分類號：S969.19 文獻標識碼：A

混凝土是一種常用的建筑材料，具有抗壓性能強、取材方便、造價便宜等優點，被廣泛應用于建筑工程中。然而混凝土同時也存在抗拉性能差、韌性低的劣勢。劍麻纖維作為天然植物纖維的一種，具有韌性高、抗拉抗腐蝕性好的優點。將劍麻纖維經適當處理后摻入混凝土中，可以有效改善混凝土的力學性能，特別是對混凝土抗拉性能的提升效果顯著，并且采用劍麻纖維替代傳統的混凝土摻和料，可以解決劍麻纖維因用途范圍小而經常被丟棄的問題，符合當今時代綠色環保、節約發展的理念。摻入劍麻纖維也成為目前提升混凝土力學性能的一種有效、經濟的新型混凝土加固方法。

1 劍麻纖維混凝土改善性能的作用機理

混凝土由水泥、粗骨料、細骨料、水和外加劑等組成，在水泥硬化后，水泥漿將石子等粗骨料膠結在一起，形成混凝土抵抗壓力的主要強度支撐。而石子等粗骨料因顆粒粒徑和體積較大，顆粒之間會產生很多空隙，因此采用砂等細骨料作為填充材料，提升混凝土的整體密度。即便如此，混凝土內部仍然會存在許多大小不一的空隙與裂縫，在實際工作環境下，混凝土會因受力不均、應力集中等影響而使孔隙間所受壓力增大，導致裂縫的產生與發展，最終致使整體結構的破壞。劍麻纖維具有抗拉強度高、韌性強的優點[1]。一方面，劍麻纖維的摻入可以填補部分空隙使混凝土結構更加緊密;另一方面，在混凝土裂縫產生時，劍麻纖維通過與混凝土內部基體的牢固粘結，對細微裂縫的產生與發展起到很好的限制和約束作用[2]63。董健苗等[3]通過劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁裂縫寬度試驗研究發現，不同的纖維長度與纖維摻量會使混凝土的力學性能有不同的改變。當纖維長度為10 mm、摻量為3 kg/m3時，對混凝土的抗拉強度的提高較大，劍麻纖維的摻入有效提高了試驗梁的開裂荷載，改善了裂縫形態，證明劍麻纖維摻入混凝土中可明顯提升混凝土的力學性能。此外，劍麻纖維的長度選擇，纖維摻量等因素會直接影響到劍麻纖維與混凝土砂漿的粘結度，使混凝土的力學性能產生不同的變化。長度過短、摻量過少的劍麻纖維并不會對混凝土內部產生緊密的效果;長度過長、摻量過多的劍麻纖維會讓纖維失去彈性伸張和吸收能量的作用，反而使混凝土更容易發生脆性破壞[4]。所以對劍麻纖維的長度及摻量做出合適的選擇也是一個值得思考的問題。

2 劍麻纖維對混凝土力學性能的影響研究

2.1 抗壓性能

混凝土的抗壓強度是其力學性能中最基本，也是最重要的一項，所以劍麻纖維混凝土的抗壓性能是研究其力學性能的重要內容。包惠明和孟漢卿[2]在劍麻纖維混凝土力學性能實驗中開展了劍麻纖維混凝土力學性能的研究，結果表明，劍麻纖維可以有效提高混凝土的早期強度，隨著齡期的增長，強度增加幅度減緩，但總體上仍呈上升趨勢。董健苗[5]在單摻與混摻纖維增強自密實輕骨料混凝土力學性能試驗研究中發現，纖維摻量在0～1 kg/m3范圍內，纖維的摻入會使得自密實輕骨料混凝土機體結構發生變化，降低混凝土的抗壓強度;纖維摻量在1～1.5 kg/m3范圍內，纖維的摻入使纖維與混凝土內部的粘結性能增強，對混凝土受壓時產生的橫向變形有較好的約束效果，從而使混凝土抗壓強度得到提高;纖維摻量繼續增大，纖維間會發生團聚，而使混凝土強度降低。包惠明[6]等通過劍麻纖維混凝土試驗發現，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強度略有增加，當劍麻纖維摻量為3～4.5 kg/m3時，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強度達到最大;當劍麻纖維摻量大于4.5 kg/m3時，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維水泥混凝土抗壓強度還略有降低，造成劍麻纖維水泥混凝土抗壓強度降低的主要原因是隨著劍麻纖維摻量的增大，混凝土中含氣量增加引起混凝土抗壓強度降低。

綜合以上分析，劍麻纖維對混凝土的抗壓性能有所提高，但是性能提高有限，由于影響因素眾多，且對于在不同水膠比的條件下，其抗壓性能的試驗研究較少涉及，需要對其進行更深入的研究。

2.2 抗拉性能

混凝土抗拉性能弱是工程師們長久以來致力于解決的難題，劍麻纖維具有質地堅韌、富有彈力、拉力強等優點，劍麻纖維的摻入對于改善混凝土抗拉性能的具體效果還需要深入進行研究。包惠明和孟漢卿[2]通過對比含有不同量的劍麻纖維的混凝土試塊抗拉能力的試驗中，研究發現劍麻纖維對混凝土的影響主要在于劍麻纖維可以有效抑制細微裂縫的發展。戴文亭[7]等的劍麻纖維水泥加固土的路用性能實驗中，通過對比相等劍麻纖維摻量的制件標準養護至7 d、18 d、90 d，對其劈裂抗拉性能進行對比，由此得出：加入劍麻纖維后，路面的早期強度升高，后期強度增長迅速，間接抗拉強度較高。由此可見，劍麻纖維的摻入對于增強混凝土的抗拉性有著較為理想的效果。黃瓊念[8]等開展了劍麻纖維水泥混凝土復合材料性能試驗，記錄不同的劍麻纖維摻量的混凝土試塊在7 d、28 d養護下的抗拉能力，并進行對比，實驗結果表明，隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維的劈裂抗拉強度不斷增加，而當劍麻纖維的摻量達到3.0 kg/m3左右時，劍麻纖維水泥混凝土的劈裂抗拉強度達到最大值。譚曦、蘇有文[9]在對劍麻纖維混凝土物理力學性能試驗研究中，通過在混凝土試塊制作過程中摻入不同量的劍麻纖維對其劈裂抗拉強度進行對比，發現：隨著劍麻纖維摻量的增加，劍麻纖維混凝土的劈裂抗拉強度逐漸減小，但總體來說劍麻纖維混凝土試塊的劈裂抗拉強度有所增強。在陳晚香所撰寫的《鋼纖維混凝土的增強機理及抗裂性能分析》[10]一文中提及普通混凝土結構具有非勻質性，當它受拉時，內部產生不規則應力集中，極易產生開裂的現象，而因為鋼纖維的抗拉強度遠遠高于普通混凝土，在混凝土中摻入鋼纖維能夠有效地抑制和延緩開裂等現象，從而提升纖維混凝土的劈裂抗拉強度，同樣的道理可以沿用于劍麻纖維混凝土上，我們可以認為，劍麻纖維混凝土的摻入，會提升普通混凝土的劈裂抗拉能力。

綜上所述，劍麻纖維的摻入對于混凝土的抗拉性能有著顯著的改善效果，而劍麻纖維的摻量是增強混凝土抗拉性能的重要影響因素。

2.3 坍落度

坍落度是針對混凝土在經過一段時間后逐漸變稠、黏聚性升高但是流動性卻不斷下降的現象所采取的一種流動性表征指標。坍落度由水泥中礦物質組成成分、攪拌過程的水膠比、衡器的稱量誤差、外加劑的種類和用量、外界環境的溫度和濕度等因素綜合決定。混凝土攪拌過程中具有難檢測性，難觀察性，易受外界環境的影響。而坍落度則可以提前反映混凝土的質量的高低。若坍落度指標低，可預知混凝土的設計強度不符合工程要求，須采取有效措施保證工程質量。

2.3.1 水膠比對坍落度的影響

混凝土是水硬性材料，在其硬化過程中需要進行水化作用，坍落度也受其水膠比的影響。董桃桃[11]在測試自密實混凝土坍落度影響因素中發現水膠比不當易造成坍落度降低，一旦坍落度降低可能導致無法通過加減水量來規避坍落度的損失，以至于混凝土內部分布不均，降低工程質量，影響建筑物的安全。吳利子[12]在測試不同水膠比對混凝土強度的影響時發現，在水泥用量不變的情況下，水膠比愈小，混凝土拌合物的流動性愈小，坍落度愈小，會使施工困難，同時不能保證混凝土的密實性;如果水膠比過大，又會導致混凝土拌合物的黏聚性和保水性不良，嚴重影響混凝土的強度。

2.3.2 劍麻纖維體積率對坍落度的影響

在混凝土中加入劍麻纖維會吸收其中一部分的水分，合適的纖維體積率可以改善混凝土凝固的三維結構，但纖維體積率過大也會造成坍落度的損失增大。

3 劍麻纖維混凝土在工程中的應用

目前劍麻纖維混凝土已廣泛應用于高速公路、橋梁路面、隧道、碼頭鋪面、機場道面、國防工程、水利工程（如大壩）、工業建筑地面、剛性防水、修復工程（如水池類結構裂縫滲水修復、壩體及擋墻修復）、建筑墻面（如墻體保溫板）等工程中[13]，在結構復雜應力區、抗沖磨結構、抗爆結構、抗震結構（如連梁，利用纖維混凝土的變形吸收地震能量）中也有應用[14]。相關研究結果表明，劍麻纖維的摻入對混凝土抗裂性能有明顯的改善，劍麻纖維的摻入能使混凝土的裂隙消除率達到90%以上，足以見得纖維摻入對混凝土抗裂性能提高的效果之明顯[15]。

此外，劍麻纖維混凝土作為植物纖維復合建筑材料，具有低碳環保的優點。在制作保溫板方面，劍麻纖維混凝土構件不僅能提升平均熱阻值，而且材料上也更加節能減排[16]。鋪設路面用劍麻纖維混凝土耐久性高，造價低廉，可以滿足大型工程中施工運輸的要求。水電站主廠房水下結構中的普通混凝土，常因混凝土中存在較多微裂紋及普通混凝土的開裂而降低了其防滲能力，潮濕的環境對機電設備的正常運行造成不同程度的影響，劍麻纖維混凝土有較高的抗裂防滲性能，被廣泛運用于水下工程中。不僅如此，纖維混凝土在施工中可為諸多工程建造提供有效而便捷的幫助，如隧道工程，在爆破開挖形成隧道后，隧道表面的巖體凹凸不平，以往做法是掛鋼筋網澆筑混凝土保護，施工難度大。現在可以直接噴射鋼纖維混凝土，施工方便質量好，然后再進行下一道工序 （如做防水層，永久支護結構等）。由此可見，不僅是對于劍麻纖維混凝土，大多數纖維混凝土均已投入實際工程應用中并且用途廣泛。

4 結語

大量的試驗研究與工程應用證明劍麻纖維的摻入對混凝土力學性能有著顯著的提高，劍麻纖維混凝土將劍麻纖維的抗拉性和混凝土的抗壓性兩種優點相結合，不僅有效提升了混凝土的力學性能，而且對于較多廢棄的劍麻纖維，可以回收利用于混凝土的摻和料，對于踐行綠色環保的發展理念有著重要意義。然而不同的纖維摻量與混凝土水膠比對纖維混凝土的力學性能改善也不盡相同，如何確定最佳的纖維摻量與混凝土水膠比，以此發揮劍麻纖維混凝土的最佳性能用于服務工程實際仍是一個亟待解決的重要課題，值得進一步深入研究與探討。

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