早齡期竹纖維混凝土力學性能測試與分析

高子俊,郝朋偉

1.廈門大學嘉庚學院 機電工程學院，福建 廈門 363105 2.安徽理工大學 力學與光電物理學院，安徽 合肥 232001

1 竹材的物理、力學性能及防腐處理性能總結

1.1 竹材概述

竹材指竹類木質化莖稈部分。竹材結構致密，抗壓、抗拉、抗磨性能好，4 齡級毛竹的幾個力學強度指標比杉木好［1-2］。竹筋混凝土構件或竹纖維輕質混凝土板有利于房屋建筑［3］。

竹材的干縮率低于木材，弦向干縮率最大，徑向次之，縱向最小；干燥時失水快而不勻，容易徑裂；氣干竹材吸水性強［1］。順紋抗拉強度較高，平均約為木材的兩倍，單位重量的抗拉強度約為鋼材的3～4 倍，順紋抗剪強度低于木材［1］。

表1 竹材各種力學強度 MPa

1.2 竹材的防腐處理

在原生狀態下，竹材極易腐蝕而喪失強度。截至目前，包括我國在內的很多國家已經形成了成熟的竹材防腐技術。現在的竹材防腐劑無味無毒，揮發極其緩慢，滲出速度極低［2］。在密閉的環境中，比如本文所提出的竹纖維混泥土中，經過防腐處理的竹纖維可以恒久保持其強度。

1.3 竹纖維的批量制作

本文所指的竹纖維截面為1mm×1mm 的正方形，纖維總長25，長徑比為25。相比而言，生活中常見的牙簽是一種深度加工的竹纖維，而且竹牙簽的制作相比本文的竹纖維更為復雜。竹牙簽的生產已經實現了機械化，本文的竹纖維也一定能實現機械化的大規模生產。

2 竹纖維混凝土強度測試試件的制作與養護

纖維混凝土較之普通混凝土，抗拉、抗壓、抗折、彎曲和斷裂等力學性能優越，應用前景良好。但通常情況下此種材料中的纖維由鋼纖維充當，材料成本非常高。隨著現代科技的進步，纖維混凝土的應用會越來越廣泛。工程中為了節約成本，急切盼望一種力學性能和鋼纖維差不多而成本低廉的材料。性能優越、來源廣泛的毛竹是一種理想的材料。本試驗試圖以竹纖維代替鋼纖維，制作C20 竹纖維混凝土試件，并測定竹纖維體積含量不同時，7d 齡期試件的抗拉性能，初步驗證竹纖維是否可取代鋼纖維混凝土，為工程建設大量采用。

2.1 試驗材料

水泥：標號為325 的普通硅酸鹽水泥。

粗骨料：一級配普通碎石，粒徑范圍5-15mm，含泥量低于0.5%，粒徑15mm 以上的碎石占比小于1%。

細骨料（砂子）：從淮河抽取的中砂，細度模數大于2.62，含泥量低于1%。

竹纖維：自制竹纖維，該纖維為正方形截面，長25，邊長1，長徑比為25。竹纖維形態如圖1。竹纖維所用竹材產自安徽省鳳臺縣，去除竹節的抗拉強度為138.3MPa，抗剪強度24.6MPa，彈性模量26.3Gpa。

水：飲用自來水。

2.2 配合比的設計

本次實驗C20 混凝土的靜態力學性能進行測試，包括劈裂抗拉強度，水壓致裂抗拉強度、抗折強度。根據《鋼纖維混凝土試驗方法》（CECS 13:89），制備表2 所列數量的試塊，表中ρf表示竹纖維的體積含量。

表2 試件數目及體積

2.3 試件制作

仿照鋼纖維混泥土的制作過程，本次試驗所用試件制作過程如下：

（1）將石子、黃沙、水泥干拌3～4 次；

（2）骨料及水泥干拌過程中將制作好的竹纖維均勻散入，并繼續攪拌至竹纖維與各種骨料摻拌均勻；

（3）在干拌料中加入清水，再攪拌三到五遍，使竹纖維在骨料及水泥中均勻疏散；

（4）預先將試模清洗干凈，并在試模的內表面薄薄地涂一層機油，而后將竹纖維、水泥、骨料共同組成的拌和物一次性裝入試模，然后將試模放在振動臺振動直至拌和物表面泛漿。振動結束后，抹去試模邊緣多余的拌和物，并將試模表面的拌合物拍打、抹平。

2.4 試件養護

每一批試驗的試件制備完畢后24h 拆模，并在標準混泥土標準養護條件下表面覆蓋、灑水養護7d。

3 竹纖維混凝土靜態力學性能測試分析

按照《鋼纖維混凝土試驗方法》（CECS 13:89）中的相關規定對制備的7d 齡期竹纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度進行對比測試與分析［4-6］。

3.1 立方體抗壓強度試驗

根據鋼纖維混泥土測試結果［6］，竹纖維的摻入對混凝土的抗壓強度影響不大。在此只做一組素混凝土抗壓強度試驗作為基礎數據，竹纖維混凝土抗壓強度不再進行試驗。

表4 7d 齡期素混凝土抗壓強度測試

測試結果顯示，本次實驗所制備的7d 齡期素混凝土的抗壓強度為23.94MPa。

3.2 抗拉強度測試（劈裂測試）

表5 不同纖維摻量竹纖維混凝土劈拉強度試驗結果（7d 齡期）

相對于素混凝土典型的脆性劈裂，竹纖維混凝土的劈裂過程顯示了一定程度的塑形破壞特征。從端面產生劈裂裂紋到整個斷面形成貫穿裂隙而破壞的過程中，竹纖維不斷被拉出，并伴隨著噗噗的響聲。這也說明本文所制備的竹纖維長徑比可以適當加大。

測試結果顯示，素混凝土的劈裂抗拉強度約為抗壓強度的10.3%，竹纖維的體積率對混泥土試件的整體抗拉強度有著非常明顯的影響。

下圖1 顯示，竹纖維的體積率并不是越大越好。相對于素混凝土，竹纖維體積率由0增加至0.8%時，劈裂強度由2.47MPa增加至2.75MPa，增幅為11.3%；體積率為1.0%時，劈裂強度增幅為13.4%；體積率為1.2%時，增幅為17%；體積率為1.4%時，增幅為10.1%。竹纖維體積率由0.8%增加至1.0%時，劈裂強度相對增幅為2%；體積率由1.0%增加至1.2 時，劈裂強度的相對增幅為3.6%；而體積率由1.2%增加至1.4 時，劈裂強度反而大幅下降，增幅為-6.8%。

圖1 竹纖維體積率與試件劈裂抗拉強度關系曲線

3.3 抗折強度試驗

表6 不同纖維摻量竹纖維混凝土抗折強度試驗結果（7d 齡期）

竹纖維的體積率對試件帶裂縫工作能力影響明顯。竹纖維體積率在0～1.4%之間逐步升高過程中，橫跨縱向裂縫的纖維數量也不斷升高，混凝土抗折試驗短梁的抗折強度（實質為單向抗拉強度）也不斷升高，試件內裂縫的擴展大有延緩，而且試件呈現出明顯的塑形破壞特征，相對的脆性則大幅降低。另外，竹纖維還大幅提高了抗折試件的出裂強度。

圖2 竹纖維體積率與抗折強度關系曲線

圖2 顯示，并不是竹纖維的體積率越大混泥土試件的抗折強度就越高。相對于素混凝土，竹纖維體積率由0 增加至0.8%時，抗折強度由2.88MPa 增加至3.27MPa，增幅為32.4%；體積率為1.0%時，抗折強度增幅為34.8%；體積率為1.2%時，增幅為38.1%；體積率為1.4%時，增幅為19.8%。竹纖維體積率由0.8%增加至1.0%時，抗折強度相對增幅為2.4%；體積率由1.0%增加至1.2 時，抗折強度的相對增幅為3.2%；而體積率由1.2%增加至1.4 時，抗折強度反而下降18%。

4 結論及展望

4.1 主要結論

對7d齡期及竹纖維體積率在0～1.2%范圍內竹纖維混凝土靜態力學性能的變化規律如下：

（1）當體積率＜1.4%時，纖維混凝土的抗壓強度沒有明顯變化。

（2）抗拉強度與體積率成正比，體積率為1.2%時，抗拉強度增加了17%。

（3）竹纖維含量為0.8%時，抗折強度最大。

總而言之，竹纖維能夠有效提高混凝土試件的抗拉強度與抗折強度，對抗壓強度的影響并不大。竹纖維的生產成本僅為鋼纖維的10～20%，但是同樣纖維體積率的竹纖維混凝土的強度卻可以達到鋼纖維強度的60%以上，而且竹材為可以再生且來源廣泛的材料，因而竹纖維混凝土有著明顯的優勢。