雙摻劍麻纖維與PVA 纖維再生骨料混凝土力學性能研究

張天宇ZHANG Tian-yu；程旭龍CHENG Xu-long；張波ZHANG Bo；王超宇WANG Chao-yu；王虎WANG Hu；鄧青慧DENG Qing-hui；李俊航LI Jun-hang

（陜西理工大學土木工程與建筑學院，漢中 723000）

0 引言

混凝土材料因其良好的經濟性能和力學性能被廣泛應用于建筑工程領域，但混凝土具有抗拉強度底、易開裂等缺點，不斷加速著混凝土行業的革新。隨著城市化和建筑行業的不斷發展，對新型混凝土的需要愈發強烈，發展綠色且綜合性能優良的混凝土材料已經成為混凝土材料研究和發展的重要和必然的發展方向?？蒲袑W者們發現在混凝土中加入纖維材料能夠有效提高其抗劈裂性能進而縮小裂縫寬度，纖維混凝土逐漸替代鋼筋混凝土和預應力混凝土成為新的發展方向[1]。隨著纖維混凝土制作方式的不斷改良，其在公路、建筑、橋梁等諸多工程領域均有使用。

植物纖維是種子植物中一種常見的厚壁纖維，其具有一定的機械支撐作用。最早在1910 年美國學者H.F.Porter[2]便提出了要研究摻有植物纖維的新型混凝土，我國植物纖維混凝土研究發展較慢，1988 年才初次提出這一課題，隨后國內研究學者將麥秸、玉米桿、稻草、棉稈等綠色環保材料加入混凝土中并研究其工程性能。聚乙烯醇（PVA）纖維是一種新型化學復合纖維材料，其與混凝土具有較強的粘結性[3-5]。

本文以再生骨料為基礎材料，分別加入劍麻纖維、PVA 纖維、以及雙摻劍麻纖維和PVA 纖維，制作混凝土試塊，研究其力學性能。

1 試驗材料

1.1 劍麻纖維

劍麻纖維具有良好的彈性、質地堅韌、拉力強、耐磨耐腐蝕、吸濕放濕快，是很好的環保材料。試驗中用的纖維長度為12mm，劍麻纖維性質如表1 所示。

表1 劍麻纖維性質

1.2 PVA 纖維

聚乙烯醇纖維，簡稱PVA 纖維，是采用的先進技術合成的一種合成高分子纖維。PVA 纖維強度高、模量高、具有很強的耐酸堿腐蝕性而且與水泥、塑料等有很好的親和力與分散性，對人體無毒也不會危害環境。試驗中采用的是長度12mm，直徑31um 絲狀的PVA。將PVA 纖維的性能如表2 所示。

表2 PVA 纖維性能

1.3 粗、細骨料

試驗中采用的骨料分為兩種，一種為天然碎石骨料，另一種為再生骨料。粗骨料由普通碎石骨料和再生混凝土骨料構成，普通碎石骨料的粒徑是4.75-19mm 連續級配，其中，16-19mm 的累計篩余5%，9.5-16mm 的累計篩余60%，4.75-9.5mm 的累計篩余100%，堆積密度是1.51g/cm3，振實密度1.60g/cm3；再生骨料的粒徑為4.75-19mm，再生骨料是從本學院混凝土強度為C30 的梁結構試驗廢料中取得，經人工敲碎篩分而成。細骨料砂，試驗用的是河砂，其表觀密度2.61g/cm3，用的是曬干的砂含水率可認為0，堆積密度是1.53g/cm3，振實密度是1.65g/cm3。

1.4 水泥

試驗水泥采用P·O42.5 的普通硅酸鹽水泥。由硅酸鹽水泥熟料、6%-20%混合材料，適量石膏磨細組成的水硬性膠凝材料，水泥的各項指標都符合規定。

1.5 水

普通自來水。

2 試驗設計

2.1 試驗方案

主要設計了摻入體積摻量3.9kg/m3的PVA 纖維，再生骨料取代率為10%的混凝土試塊、摻入體積摻量為1.5kg/m3的劍麻纖維，再生骨料取代率為10%的混凝凝土試塊、兩種纖維都摻入的再生混凝土試塊及一組再生骨料取代率為10%的混凝土試塊，四組試塊。試件類型分別為YB、PJ、MJ、ZJ。每組制備9 塊試塊，3 塊為7d 抗壓、3 塊為7d 劈裂以及及備用3 塊，每3 個試塊進行3 次平行試驗，具體見表3。試驗結果按規定刪除異常值取有效平均值。利用控制變量法分別對再生混凝土內的兩種纖維的加入對其抗壓、劈裂強度的影響。

表3 試件表

2.2 材料配比

混凝土的設計強度是C30，其各項材料的配合比參照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》進行配合比設計，詳見表4。

表4 混凝土配合比

各個成分的配合比為水泥∶碎石∶砂∶水=1∶3.32∶2.21∶0.60，選取的試塊大小為100mm×100mm×100mm，水灰比為0.6。

3 試驗結果與分析

3.1 力學性能分析

按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GBT 50081-2019)，對四組試塊的7d 抗壓強度和7d 劈裂強度進行測試，具體見表5、表6、圖1 以及圖2。通過分析可知：

表5 7d 抗壓強度

表6 7d 劈裂強度

①摻入纖維后，纖維再生混凝土抗壓強度與素再生混凝土抗壓強度相比較有所減少。但減少的程度都不算大。經計算得出：與YB 試件相比，PJ、MJ、ZJ 試件抗壓強度分別降低了11.5%、17.2%、22.6%；PJ 試件與ZJ 試件相比較，ZJ 試件抗壓強度降低了12.6%；MJ 試件與ZJ 試件相比較，ZJ 試件抗壓強度降低了6.5%。

②摻入纖維后混凝土劈裂強度有著增長的情況。而且雙摻劍麻纖維和PVA 纖維的再生混凝土比另外兩種單摻纖維的混凝土的劈裂強度高。經計算得出：在劈裂強度上，與YB 試件相比，PJ、MJ、ZJ 試件劈裂強度分別提高了8.3%、11.7%、20.9%；ZJ 試件與PJ 試件相比較，ZJ 試件劈裂強度提高了11.6%。ZJ 試件與MJ 試件相比較，ZJ 試件劈裂強度提高了8.3%。

綜上所述，在抗壓強度方面，以素再生混凝土的抗壓強度為標準，單摻PVA 纖維，抗壓強度會有所下降；單摻劍麻纖維，抗壓強度也會下降且下降幅度大于單摻PVA纖維的混凝土試塊；雙摻PVA 纖維和劍麻纖維，抗壓強度也是在下降且下降幅度要大于單摻PVA 纖維和單摻劍麻纖維的混凝土試塊。

在劈裂強度方面，以素再生混凝土的劈裂強度為標準，單摻PVA 纖維，劈裂強度會有所上升；單摻劍麻纖維，劈裂強度也會上升且上升幅度大于單摻PVA 纖維的混凝土試塊；雙摻PVA 纖維和劍麻纖維，劈裂強度也是在上升且上升幅度要大于單摻PVA 纖維和單摻劍麻纖維的混凝土試塊。

3.2 破環形態分析

如圖3 四種試塊的抗壓破壞形態可知，未加入纖維的試塊有明顯的環箍效應，由于混凝土試塊在壓力試驗機作用下受到壓力試驗機荷載，在荷載作用下，壓板的橫向應變小于混凝土橫向應變，因而上下兩板與試件上下表面之間產生的摩檫力對試件橫向膨脹起著約束作用使測得混凝土試件強度值高，而圖3（b）、（c）、（d）中所示試塊并未有明顯的環箍效應。

如圖4 四種試塊的劈裂破壞狀態可知，未加入纖維的試塊直接劈裂為兩半，而摻入纖維的試塊并未劈裂為兩半，裂開的混凝土部分被纖維連在一起，能夠很清晰的看見裂縫中的纖維，處于“藕斷絲連”的狀態。加入纖維比未加入纖維的試塊劈裂強度高的原因為：試塊雖然開裂，但是纖維并未拉斷使得劈裂強度提高。

4 結論

根據以上實驗結果得出以下結論：

①在再生混凝土中摻入PVA 纖維和劍麻纖維，不論是單摻還是雙摻都會或多或少的降低抗壓的強度。

②雙摻纖維使得總的纖維體積率變大，使得雙摻的抗壓強度最低。

③在再生混凝土中摻入PVA 纖維、劍麻纖維、以及雙摻纖維使得劈裂強度增大，且雙摻劍麻纖維和PVA 纖維的再生混凝土比另外兩種單摻纖維的混凝土的劈裂強度高。