剑麻纤维混凝土力学性能研究进展

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　　摘要：剑麻纤维混凝土作为一种新型的纤维混凝土可以有效阻止混凝土裂缝的发展，它综合了混凝土的抗压性能和剑麻纤维的抗拉性能，可有效改善混凝土的力学性能。文章简要阐述了剑麻纤维增强混凝土力学性能的作用机理，并从抗压强度、抗拉强度和坍落度3个方面总结了剑麻纤维混凝土力学性能研究的进展。最后结合剑麻纤维混凝土的实际工程应用，提出对剑麻纤维混凝土的进一步研究方向。
　　关键词：剑麻纤维混凝土;力学性能;作用机理;强度;裂缝;工程应用
　　中图分类号：S969.19 文献标识码：A
　　混凝土是一种常用的建筑材料，具有抗压性能强、取材方便、造价便宜等优点，被广泛应用于建筑工程中。然而混凝土同时也存在抗拉性能差、韧性低的劣势。剑麻纤维作为天然植物纤维的一种，具有韧性高、抗拉抗腐蚀性好的优点。将剑麻纤维经适当处理后掺入混凝土中，可以有效改善混凝土的力学性能，特别是对混凝土抗拉性能的提升效果显著，并且采用剑麻纤维替代传统的混凝土掺和料，可以解决剑麻纤维因用途范围小而经常被丢弃的问题，符合当今时代绿色环保、节约发展的理念。掺入剑麻纤维也成为目前提升混凝土力学性能的一种有效、经济的新型混凝土加固方法。
　　1 剑麻纤维混凝土改善性能的作用机理
　　混凝土由水泥、粗骨料、细骨料、水和外加剂等组成，在水泥硬化后，水泥浆将石子等粗骨料胶结在一起，形成混凝土抵抗压力的主要强度支撑。而石子等粗骨料因颗粒粒径和体积较大，颗粒之间会产生很多空隙，因此采用砂等细骨料作为填充材料，提升混凝土的整体密度。即便如此，混凝土内部仍然会存在许多大小不一的空隙与裂缝，在实际工作环境下，混凝土会因受力不均、应力集中等影响而使孔隙间所受压力增大，导致裂缝的产生与发展，最终致使整体结构的破坏。剑麻纤维具有抗拉强度高、韧性强的优点[1]。一方面，剑麻纤维的掺入可以填补部分空隙使混凝土结构更加紧密;另一方面，在混凝土裂缝产生时，剑麻纤维通过与混凝土内部基体的牢固粘结，对细微裂缝的产生与发展起到很好的限制和约束作用[2]63。董健苗等[3]通过剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁裂缝宽度试验研究发现，不同的纤维长度与纤维掺量会使混凝土的力学性能有不同的改变。当纤维长度为10 mm、掺量为3 kg/m3时，对混凝土的抗拉强度的提高较大，剑麻纤维的掺入有效提高了试验梁的开裂荷载，改善了裂缝形态，证明剑麻纤维掺入混凝土中可明显提升混凝土的力学性能。此外，剑麻纤维的长度选择，纤维掺量等因素会直接影响到剑麻纤维与混凝土砂浆的粘结度，使混凝土的力学性能产生不同的变化。長度过短、掺量过少的剑麻纤维并不会对混凝土内部产生紧密的效果;长度过长、掺量过多的剑麻纤维会让纤维失去弹性伸张和吸收能量的作用，反而使混凝土更容易发生脆性破坏[4]。所以对剑麻纤维的长度及掺量做出合适的选择也是一个值得思考的问题。
　　2 剑麻纤维对混凝土力学性能的影响研究
　　2.1 抗压性能
　　混凝土的抗压强度是其力学性能中最基本，也是最重要的一项，所以剑麻纤维混凝土的抗压性能是研究其力学性能的重要内容。包惠明和孟汉卿[2]在剑麻纤维混凝土力学性能实验中开展了剑麻纤维混凝土力学性能的研究，结果表明，剑麻纤维可以有效提高混凝土的早期强度，随着龄期的增长，强度增加幅度减缓，但总体上仍呈上升趋势。董健苗[5]在单掺与混掺纤维增强自密实轻骨料混凝土力学性能试验研究中发现，纤维掺量在0～1 kg/m3范围内，纤维的掺入会使得自密实轻骨料混凝土机体结构发生变化，降低混凝土的抗压强度;纤维掺量在1～1.5 kg/m3范围内，纤维的掺入使纤维与混凝土内部的粘结性能增强，对混凝土受压时产生的横向变形有较好的约束效果，从而使混凝土抗压强度得到提高;纤维掺量继续增大，纤维间会发生团聚，而使混凝土强度降低。包惠明[6]等通过剑麻纤维混凝土试验发现，随着剑麻纤维掺量的增加，剑麻纤维水泥混凝土抗压强度略有增加，当剑麻纤维掺量为3～4.5 kg/m3时，剑麻纤维水泥混凝土抗压强度达到最大;当剑麻纤维掺量大于4.5 kg/m3时，随着剑麻纤维掺量的增加，剑麻纤维水泥混凝土抗压强度还略有降低，造成剑麻纤维水泥混凝土抗压强度降低的主要原因是随着剑麻纤维掺量的增大，混凝土中含气量增加引起混凝土抗压强度降低。
　　综合以上分析，剑麻纤维对混凝土的抗压性能有所提高，但是性能提高有限，由于影响因素众多，且对于在不同水胶比的条件下，其抗压性能的试验研究较少涉及，需要对其进行更深入的研究。
　　2.2 抗拉性能
　　混凝土抗拉性能弱是工程师们长久以来致力于解决的难题，剑麻纤维具有质地坚韧、富有弹力、拉力强等优点，剑麻纤维的掺入对于改善混凝土抗拉性能的具体效果还需要深入进行研究。包惠明和孟汉卿[2]通过对比含有不同量的剑麻纤维的混凝土试块抗拉能力的试验中，研究发现剑麻纤维对混凝土的影响主要在于剑麻纤维可以有效抑制细微裂缝的发展。戴文亭[7]等的剑麻纤维水泥加固土的路用性能实验中，通过对比相等剑麻纤维掺量的制件标准养护至7 d、18 d、90 d，对其劈裂抗拉性能进行对比，由此得出：加入剑麻纤维后，路面的早期强度升高，后期强度增长迅速，间接抗拉强度较高。由此可见，剑麻纤维的掺入对于增强混凝土的抗拉性有着较为理想的效果。黄琼念[8]等开展了剑麻纤维水泥混凝土复合材料性能试验，记录不同的剑麻纤维掺量的混凝土试块在7 d、28 d养护下的抗拉能力，并进行对比，实验结果表明，随着剑麻纤维掺量的增加，剑麻纤维的劈裂抗拉强度不断增加，而当剑麻纤维的掺量达到3.0 kg/m3左右时，剑麻纤维水泥混凝土的劈裂抗拉强度达到最大值。谭曦、苏有文[9]在对剑麻纤维混凝土物理力学性能试验研究中，通过在混凝土试块制作过程中掺入不同量的剑麻纤维对其劈裂抗拉强度进行对比，发现：随着剑麻纤维掺量的增加，剑麻纤维混凝土的劈裂抗拉强度逐渐减小，但总体来说剑麻纤维混凝土试块的劈裂抗拉强度有所增强。在陈晚香所撰写的《钢纤维混凝土的增强机理及抗裂性能分析》[10]一文中提及普通混凝土结构具有非匀质性，当它受拉时，内部产生不规则应力集中，极易产生开裂的现象，而因为钢纤维的抗拉强度远远高于普通混凝土，在混凝土中掺入钢纤维能够有效地抑制和延缓开裂等现象，从而提升纤维混凝土的劈裂抗拉强度，同样的道理可以沿用于剑麻纤维混凝土上，我们可以认为，剑麻纤维混凝土的掺入，会提升普通混凝土的劈裂抗拉能力。 　　综上所述，剑麻纤维的掺入对于混凝土的抗拉性能有着显著的改善效果，而剑麻纤维的掺量是增强混凝土抗拉性能的重要影响因素。
　　2.3 坍落度
　　坍落度是针对混凝土在经过一段时间后逐渐变稠、黏聚性升高但是流动性却不断下降的现象所采取的一种流动性表征指标。坍落度由水泥中矿物质组成成分、搅拌过程的水胶比、衡器的称量误差、外加剂的种类和用量、外界环境的温度和湿度等因素综合决定。混凝土搅拌过程中具有难检测性，难观察性，易受外界环境的影响。而坍落度则可以提前反映混凝土的质量的高低。若坍落度指标低，可预知混凝土的设计强度不符合工程要求，须采取有效措施保证工程质量。
　　2.3.1 水胶比对坍落度的影响
　　混凝土是水硬性材料，在其硬化过程中需要进行水化作用，坍落度也受其水胶比的影响。董桃桃[11]在测试自密实混凝土坍落度影响因素中发现水胶比不当易造成坍落度降低，一旦坍落度降低可能导致无法通过加减水量来规避坍落度的损失，以至于混凝土内部分布不均，降低工程质量，影响建筑物的安全。吴利子[12]在测试不同水胶比对混凝土强度的影响时发现，在水泥用量不变的情况下，水胶比愈小，混凝土拌合物的流动性愈小，坍落度愈小，会使施工困难，同时不能保证混凝土的密实性;如果水胶比过大，又会导致混凝土拌合物的黏聚性和保水性不良，严重影响混凝土的强度。
　　2.3.2 剑麻纤维体积率对坍落度的影响
　　在混凝土中加入剑麻纤维会吸收其中一部分的水分，合适的纤维体积率可以改善混凝土凝固的三维结构，但纤维体积率过大也会造成坍落度的损失增大。
　　3 剑麻纤维混凝土在工程中的应用
　　目前剑麻纤维混凝土已广泛应用于高速公路、桥梁路面、隧道、码头铺面、机场道面、国防工程、水利工程（如大坝）、工业建筑地面、刚性防水、修复工程（如水池类结构裂缝渗水修复、坝体及挡墙修复）、建筑墙面（如墙体保温板）等工程中[13]，在结构复杂应力区、抗冲磨结构、抗爆结构、抗震结构（如连梁，利用纤维混凝土的变形吸收地震能量）中也有应用[14]。相关研究结果表明，剑麻纤维的掺入对混凝土抗裂性能有明显的改善，剑麻纤维的掺入能使混凝土的裂隙消除率达到90%以上，足以见得纤维掺入对混凝土抗裂性能提高的效果之明显[15]。
　　此外，剑麻纤维混凝土作为植物纤维复合建筑材料，具有低碳环保的优点。在制作保温板方面，剑麻纤维混凝土构件不仅能提升平均热阻值，而且材料上也更加节能减排[16]。铺设路面用剑麻纤维混凝土耐久性高，造价低廉，可以满足大型工程中施工运输的要求。水电站主厂房水下结构中的普通混凝土，常因混凝土中存在较多微裂纹及普通混凝土的开裂而降低了其防渗能力，潮湿的环境对机电设备的正常运行造成不同程度的影响，剑麻纤维混凝土有較高的抗裂防渗性能，被广泛运用于水下工程中。不仅如此，纤维混凝土在施工中可为诸多工程建造提供有效而便捷的帮助，如隧道工程，在爆破开挖形成隧道后，隧道表面的岩体凹凸不平，以往做法是挂钢筋网浇筑混凝土保护，施工难度大。现在可以直接喷射钢纤维混凝土，施工方便质量好，然后再进行下一道工序 （如做防水层，永久支护结构等）。由此可见，不仅是对于剑麻纤维混凝土，大多数纤维混凝土均已投入实际工程应用中并且用途广泛。
　　4 结语
　　大量的试验研究与工程应用证明剑麻纤维的掺入对混凝土力学性能有着显著的提高，剑麻纤维混凝土将剑麻纤维的抗拉性和混凝土的抗压性两种优点相结合，不仅有效提升了混凝土的力学性能，而且对于较多废弃的剑麻纤维，可以回收利用于混凝土的掺和料，对于践行绿色环保的发展理念有着重要意义。然而不同的纤维掺量与混凝土水胶比对纤维混凝土的力学性能改善也不尽相同，如何确定最佳的纤维掺量与混凝土水胶比，以此发挥剑麻纤维混凝土的最佳性能用于服务工程实际仍是一个亟待解决的重要课题，值得进一步深入研究与探讨。
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