竹纖維水泥基材料的物理力學性能研究

王 倩，李建成

(1.武夷學院土木工程與建筑學院，武夷山 354300；2.閩北山地地質(zhì)災害防治福建省高校工程研究中心，武夷山 354300)

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，水泥基材料已成為應用最廣的建筑材料[1]。水泥基材料抗壓強度高，但抗拉強度低、延性小、抗裂性差[2，3]。材料屆專家一致認為在水泥基材料中摻加纖維是解決其上述缺點的有效方法。目前全球面臨資源短缺和環(huán)境惡化等問題，對人類可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大威脅。因此，尋找可再生的綠色環(huán)保纖維來代替?zhèn)鹘y(tǒng)纖維成為發(fā)展趨勢。竹纖維作為一種環(huán)保友好型且可再生的資源，與傳統(tǒng)的增強纖維相比，具有來源廣、密度小、再生快、力學性能高等優(yōu)點[4，5]。目前竹纖維用于水泥基材料的研究很少。為了研究竹纖維加入水泥基材料的工作性能、干表觀密度和力學性能，論文通過設計正交試驗的方法，確定三個不同的因素(竹纖維摻量、竹纖維長度、水灰比)，每個因素設置三個水平。通過試驗，對其結(jié)果進行極差分析，找出對其有顯著性影響的因素。探索不同的因素、不同的水平對竹纖維材料的工作性能、干表觀密度和力學性能的影響規(guī)律，為竹纖維在水泥基材料中進一步使用提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

膠凝材料采用江西省玉山萬年青水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的比表面積為358 m2/kg。

竹纖維采用福建省海博斯化學技術(shù)有限公司生產(chǎn)的竹纖維，平均直徑30.5 μm，密度1.57 g/cm3。

砂采用廈門艾斯歐標準砂有限公司生產(chǎn)的ISO標準砂。

1.2 正交試驗方案

通過預試驗，初步設定竹纖維的摻量為膠凝材料質(zhì)量的1%、3%、5%三個水平，竹纖維長度為2 mm、5 mm、8 mm三個水平。水灰比為0.5、0.55、0.60三個水平。根據(jù)三個因素三水平且不考慮各因素之間的交互作用，該試驗采用L9(34)的正交表。正交因素水平表見表1，正交試驗設計見表2。

表1 正交因素水平表

表2 正交試驗設計

2 物理性能結(jié)果及分析

2.1 工作性能

在預試驗中，首先試拌竹纖維摻量為3%和5%的水泥基材料試件，在材料攪拌過程中，發(fā)現(xiàn)3%和5%摻量的竹纖維水泥基材料擴展度均小于180 mm，且流動性較差，屬于偏干性砂漿。故通過添加減水劑來調(diào)整材料的流動性，減水劑的量以擴展度達到設計值為準，且同時觀察砂漿的流動性和有無泌水情況，以保證材料滿足工作性能。正交試驗中竹纖維摻量為1%、3%和5%，水灰比均為0.55時，測得的擴展度分別為173 mm、171 mm和164 mm，且無泌水現(xiàn)象，流動性符合要求。

2.2 干表觀密度

制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的竹纖維水泥基材料試件，對每組試件標準養(yǎng)護到28 d后進行烘干，測定其干表觀密度，其測試結(jié)果見表3。

表3 干表觀密度試驗結(jié)果

由表3可知，竹纖維摻量越大，試件的干表觀密度越小，同等竹纖維摻量下水灰比越大，試件的干表觀密度越小。對干表觀密度結(jié)果進行極差分析，分析結(jié)果見表4。

表4 干表觀密度極差分析

由表4可以看出，竹纖維摻量極差最大，然后是水灰比，竹纖維長度極差最小。由此說明，各因素對干表觀密度影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量>水灰比>竹纖維長度。這說明對于干表觀密度的影響，A因素竹纖維摻量起主要作用，B因素水灰比起次要作用，竹纖維長度對干表觀密度影響不顯著。干表觀密度越小，材料越輕質(zhì)。對于干表觀密度最小的組合為A3B3C3。

1)竹纖維摻量對水泥基材料干表觀密度的影響

由表4可知，對于A因素竹纖維摻量，干表觀密度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。竹纖維摻量為1%時，干表觀密度為2.112 g/cm3；竹纖維摻量為3%時，干表觀密度為2.032 g/cm3；當竹纖維摻量增大至5%時，干表觀密度降到最小值，為1.976 g/cm3。這時干表觀密度最小值與最大值相比，降低了6.4%。這是因為竹纖維的密度小于水泥基材料的密度，在配制相同體積的試塊時，竹纖維越多，取代水泥基材料的體積量就越多，試塊的質(zhì)量越小，干表觀密度也越小。

2)竹纖維長度對水泥基材料干表觀密度的影響

對于B因素竹纖維長度，對干表觀密度的影響最不顯著。這主要是因為竹纖維影響水泥基材料的密度是以取代水泥基材料的質(zhì)量為影響的，竹纖維長度只能略微地影響其在水泥基里的密實性。竹纖維長度越短，其在水泥基材料中分布越均勻，密實性越高，孔隙率越低，干表觀密度越大，但竹纖維長度總體上對干表觀密度的影響不大[6]。

3)水灰比對水泥基材料干表觀密度的影響

對于C因素水灰比，干表觀密度隨著水灰比的變大逐漸變小，水灰比越大時，干表觀密度越小。這是因為水泥水化所用水量是一定的，水灰比越大，水泥水化完成后需蒸發(fā)的水分就越多，水分蒸發(fā)后在水泥基體中留下的孔洞和孔隙越多，造成材料孔隙率高，密實度小，所以干表觀密度就小。

3 力學性能結(jié)果及分析

對試件進行7 d、28 d的抗壓強度和抗折強度測試，其測試結(jié)果見表5。由表5可以看出，總體上竹纖維水泥基材料的強度值都比較高。竹纖維摻量越小，強度值越大；同等竹纖維摻量下，水灰比越小，強度值越大。

表5 材料的抗壓強度及抗折強度

3.1 抗壓強度影響因素顯著性分析

對正交試驗中各組試件7 d和28 d抗壓強度進行極差分析，分析結(jié)果見表6。

表6 抗壓強度極差分析

由表6可以看出，對于7 d抗壓強度，水灰比的極差最大，然后是竹纖維摻量，竹纖維的長度極差最小。由此說明，各因素對7 d抗壓強度影響的顯著性由大到小為C>A>B。對于7 d抗壓強度最優(yōu)組合為A1B2C1。

對于28 d抗壓強度，竹纖維摻量的極差最大，然后是水灰比，竹纖維的長度極差最小。由此說明，各因素對28 d抗壓強度影響的顯著性由大到小為A>C>B。對于28 d抗壓強度最優(yōu)組合為A1B2C1。三因素對于7 d和28 d抗壓強度影響的顯著性雖然不一致，但7 d和28 d抗壓強度最優(yōu)組合均為A1B2C1。

1)竹纖維摻量對水泥基材料抗壓強度的影響

7 d、28 d抗壓強度隨著纖維摻量的增大均呈現(xiàn)降低的趨勢。7 d抗壓強度最小值與最大值相比，下降了18.9%；28 d抗壓強度最小值與最大值相比，下降了26.7%，下降幅度明顯。這是因為竹纖維表面含有蠟質(zhì)，降低了與水泥基材料界面的結(jié)合，使得抗壓強度變低。竹纖維吸水量大，當水灰比一定時，使得水泥基材料中用于參與水化的水分少，降低了水泥基材料中水泥的水化速率，使得強度降低。竹纖維材料的抗壓強度低于水泥基材料的抗壓強度，當竹纖維摻量大時，竹纖維取代水泥基材料越多，而竹纖維在水泥基材料中的體積越大，竹纖維水泥基材料承受壓應力的能力就越弱，使得抗壓強度變小。隨著竹纖維摻量的增加，竹纖維與水泥基體之間的粘結(jié)處形成界面區(qū)，該區(qū)域與水泥基體相比，孔隙率高，結(jié)構(gòu)疏松，形成了材料的薄弱區(qū)，當材料受到外力作用時，薄弱區(qū)首先受到破壞，從而導致材料試件的抗壓強度降低。

2)竹纖維長度對水泥基材料抗壓強度的影響

7 d、28 d抗壓強度呈現(xiàn)先微增再微降的趨勢。7 d抗壓強度最小值與最大值相比下降了7.3%；28 d抗壓強度最大值與最小值相差0.9%，強度變化不大。說明竹纖維長度對于抗壓強度指標的影響不大。

3)水灰比(W/C)對水泥基材料抗壓強度的影響

水灰比對水泥基材料抗壓強度影響很大，7 d、28 d抗壓強度隨水灰比增大強度呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。7 d抗壓強度最小值與最大值相比下降了20.4%；28 d抗壓強度最小值與最大值相比下降了16.7%，下降幅度較明顯。說明水灰比對于抗壓強度指標的影響較顯著，對于抗壓強度水灰比在測試范圍內(nèi)越小越好。

3.2 抗折強度影響因素顯著性分析

對正交試驗中各組試件7 d和28 d的抗折強度進行極差分析，具體分析結(jié)果見表7。

表7 抗折強度極差分析

由表7可以看出，竹纖維摻量的極差最大，第二是水灰比，極差最小的是竹纖維長度。由此說明，各因素對7 d、28 d抗折強度影響的顯著性由大到小為A>C>B。這說明對于抗折強度的影響，竹纖維摻量起主要作用，水灰比起次要作用，竹纖維的長度影響最小。

三因素對于7 d和28 d抗折強度影響的顯著性是一致的，均是竹纖維摻量>水灰比>竹纖維長度，7 d和28 d抗折強度最優(yōu)組合均是A1B2C1。這與抗壓強度結(jié)果是一致的。

1)竹纖維摻量對材料抗折強度的影響

7 d、28 d抗折強度隨纖維摻量的增大呈現(xiàn)降低的趨勢。7 d抗折強度最小值與最大值相比下降了28.1%，28 d抗折強度最小值與最大值相比下降了23.2%，下降幅度明顯。說明竹纖維摻量對于抗折強度指標的影響很大。

水泥基材料是抗壓強度高、抗折強度低的脆性材料，在很小的拉應力下就可以產(chǎn)生裂縫并造成破壞，而竹纖維是一種韌性材料，有比較好的抗拉強度。在試件受到抗折破壞時，竹纖維能吸收部分能量和水泥基共同承擔拉應力，抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[7]。但竹纖維與鋼纖維等這些纖維相比，抗拉強度偏低，且加入竹纖維后，竹纖維與水泥基的交界處容易產(chǎn)生孔隙和缺陷，造成結(jié)構(gòu)疏松的薄弱層，使得竹纖維帶來的增強效應小于引起的負面效應，故加入竹纖維后抗折強度也不高。當竹纖維摻量太大時，水泥漿不足以包裹全部的竹纖維，使得竹纖維與水泥基體之間的粘結(jié)力降低，使抗折強度進一步降低。

2)竹纖維長度對水泥基材料抗折強度的影響

7 d、28 d抗折強度隨著竹纖維長度均呈現(xiàn)先微增再降低的趨勢，且抗折強度隨竹纖維長度變化幅度不大。說明竹纖維長度對于抗折強度影響不顯著，抗折指標的最優(yōu)選擇是長度為5 mm。

3)水灰比對水泥基材料抗折強度的影響

7 d、28 d抗折強度隨水灰比增大變化不大，強度均呈現(xiàn)略微降低的趨勢。說明水灰比對于抗折強度指標的影響不顯著。

4 結(jié) 論

a.各因素對力學性能的顯著性由大到小為竹纖維摻量、水灰比和竹纖維長度。竹纖維摻量起主要作用，水灰比起次要作用，竹纖維長度影響最小。對于力學性能最優(yōu)組合為竹纖維摻量為1%、水灰比為0.5、竹纖維長度為2 mm，此時，7 d抗壓強度為26.8 MPa，抗折強度為4.8 MPa；28 d抗壓強度為43.6 MPa，抗折強度為6.7 MPa，總體上試件強度值都比較高。

b.各因素對干表觀密度影響的顯著性由大到小依次為竹纖維摻量、水灰比和竹纖維長度。干表觀密度最優(yōu)組合為竹纖維摻量為5%、水灰比為0.6、竹纖維長度為5 mm，此時干表觀密度為1.951 g/cm3，可滿足降低材料密度，滿足輕質(zhì)的要求。

c.根據(jù)正交試驗，可得出力學性能最優(yōu)組合都是A1B2C1，而干表觀密度的最優(yōu)組合與力學性能的最優(yōu)組合剛好相反，最優(yōu)組合為A3B3C3。具體的最優(yōu)組合可在應用時根據(jù)滿足力學性能要求的前提下，選取最小的干表觀密度，滿足輕質(zhì)的要求。