劍麻纖維對再生骨料混凝土性能的影響

顧娟，王楷燾，姜景山，李袁晟，張瑞程

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著現代化工業和城市化建設的快速發展，工程建設對材料的需求量越來越大， 隨之而來的建筑垃圾的產量也越來越大， 將廢棄建筑材料經過加工成為再生骨料， 與混凝土材料混合配置成再生骨料混凝土， 可以有效減少天然砂石資源和混凝土材料的消耗， 同時可以緩解建筑垃圾造成的污染。 劍麻纖維不僅具有來源廣、低成本、無污染等天然植物纖維共有的優點，更具有韌性高、抗腐蝕性優、抗拉性好的優點。 將處理后的劍麻纖維適當摻入材料中，可有效提高混凝土的力學性能，如改善抗壓強度，提高彈性模量等。

1 再生骨料混凝土的性能研究

1.1 再生骨料混凝土的力學性能研究

研究發現表明，原生混凝土的性質、骨料取代率、骨料破碎工藝方式以及混凝土配合比與再生混凝土的力學性能息息相關。

骨料取代率、骨料形狀、水分含量會影響再生骨料混凝土的坍落度，骨料取代率越高，混凝土粘聚力越低，從而使新拌混凝土澆筑時的均質性受到較大影響[1]。

無論是再生粗骨料混凝土還是再生細骨料混凝土，當骨料取代率在30%之前，混凝土抗壓強度以及彈性模量幾乎沒有變化，骨料取代率達到30%之后， 抗壓強度及彈性模量將產生明顯的下降趨勢，且減小速率持續加快。

1.2 再生骨料混凝土的耐久性能研究

與普通混凝土相比，再生骨料混凝土的微觀結構有很大的差異。由于骨料表面有很多棱角且多覆蓋著已然硬化的砂漿包層，并且由于骨料再利用的處理過程中產生許多微小的裂縫，導致再生骨料有高吸水率、復雜的界面結構等特征，更容易達到臨界水飽和度，使混凝土產生凍融破壞。

由于再生骨料混凝土有較大的孔隙率，相較于普通混凝土吸水率更高， 因此更容易被硫酸鹽侵蝕，抗侵蝕能力更弱。

綜上所述，相較于普通混凝土，再生粗骨料混凝土在力學特質和耐久性能都有明顯的缺點。

2 劍麻纖維對再生骨料混凝土性能的影響

2.1 劍麻纖維對再生骨料混凝土力學性能的影響

2.1.1 劍麻纖維對再生骨料混凝土抗壓強度的影響

在同等粘結強度條件下，劍麻纖維越長，與再生骨料混凝土試件基體的接觸總面積越大，兩者之間的存在更優良的粘結性能，在試件受壓時，由于橫向變形產生約束膨脹的作用更大，因此，再生骨料混凝土具備更高的抗壓強度。

劍麻纖維橫截面積越小，則試件單位體積內摻入的劍麻纖維數目越多，比表面積越大，與再生骨料混凝土試件接觸面更廣，具備更高強度的粘結性能，因此抗壓強度越大。

但當試件摻入了過多的劍麻纖維，會影響混凝土的密實度，導致纖維與試件基體接觸粘結處產生過多的薄弱界面，降低再生骨料混凝土抗拉強度[2]。

2.1.2 劍麻纖維對再生骨料混凝土劈裂抗拉強度的影響

由董建苗[3]等人的試驗分析可知，隨著劍麻纖維長度的增大，試件劈裂抗拉強度呈現先增大后減小。劍麻纖維長度過短，與試件接觸面積減小，粘結強度不足，劍麻纖維自身的抗拉能力難以被充分運用，纖維易于從試件基體中拔出。 劍麻纖維長度過長， 則在混凝土試件配制攪拌時纖維易于成團，不利于劍麻纖維在砂漿中均勻分布，造成試件內存在局部缺陷，同時混凝土流動性降低，再生骨料混凝土工作性能受到影響，劈裂抗拉強度大幅減小。 劍麻纖維長度在10 mm 左右時， 能夠均勻分布在試件內部，再生骨料混凝土受拉過程中，在易于發生劈裂張拉的斷裂面，劍麻纖維互相搭接，再生骨料混凝土摩擦阻力增大，從而纖維對試件的粘結性能增強，試件的劈裂張拉強度變大。

在同等纖維長度的條件下，劍麻纖維橫截面積增大，單絲抗拉強度增大，在試件受拉時，劍麻纖維的抗拉強度能抑制微裂縫的產生和發展。

2.1.3 劍麻纖維對再生骨料混凝土抗彎抗折性能的影響

由董建苗[4]等人的試驗研究表明，在試件中摻入劍麻纖維，再生骨料混凝土試件中的裂縫條數明顯增多，劍麻纖維橫亙在裂紋上，并在再生骨料混凝土試件內形成網狀空間的構造，阻礙試件內部生成并發展微裂縫，使其裂縫的間距、寬度顯然降低，并且裂縫在試件中分布更均勻。 因此，可以得出摻入劍麻纖維可以有效改善骨料混凝土的破壞形態。

摻入劍麻纖維的骨料混凝土相較于未摻纖維的骨料混凝土， 試件吸收能量的能力得到提高，試件部分拉應力得到有效傳遞，因此試件的應變增長速率降低。

邵云南[5]等通過室內試驗，得到了混凝土試件的良好配合比，同時確定了最優劍麻纖維在混凝土試件中的摻量，將劍麻纖維混凝土與其他纖維混凝土通過試驗比對， 當試件在相同的強度條件時，摻入劍麻纖維的試件在配合比中用水量最少，與此同時試件的抗折強度得到有效增強，改善了混凝土試件的穩定性，并且成本較低。

2.2 劍麻纖維對再生骨料混凝土耐久性能的影響

2.2.1 劍麻纖維對再生骨料混凝土抗滲性能的影響

在混凝土中摻入纖維后，劍麻纖維在試件中無序支撐分布，在骨料混凝土內部阻斷各種孔隙通道的分布，減弱了混凝土中水分的遷移，同時減小了骨料下沉導致的混凝土離析的可能性，因此，摻入劍麻纖維能夠降低再生骨料混凝土的孔隙率，改善試件內部孔結構的分布。 不僅如此，劍麻纖維彈性模量高，提高了基體的抗拉強度，混凝土內部微小裂縫難以進一步發展， 試件的抗滲性能得以增強。

2.2.2 劍麻纖維對再生骨料混凝土抗碳化性能的影響

王亞東[6]等人通過試驗發現，在試件中摻入纖維能夠提高試件抗CO2侵入的能力，在同等試驗環境中， 摻入劍麻纖維的試件CO2含量更少，CO2難以同試件內堿性物質產生化學反應，試件的內部環境不發生改變。

在再生骨料混凝土中摻入劍麻纖維能夠有效提高試件的抗碳化性能，但是由于劍麻纖維相對于其他植物纖維，直徑比較大、質地比較硬，在試件中形成三維無序分布， 并且纖維與纖維構成網狀結構，承擔骨架承支的作用。在澆筑試件過程中，難以依靠自身重力使混凝土材料均勻密實填充于模具中，孔隙率在試件中增大，CO2更易于擴散，再生骨料混凝土抗碳化能力要次于摻入其他植物纖維的混凝土。

綜上所述，劍麻纖維雖然能夠增強再生骨料混凝土的耐久性能，但是由于其自身的特質，效果要次于摻入其他植物纖維的混凝土。

2.2.3 劍麻纖維對再生骨料混凝土抗凍性能的影響

內外部因素同時影響混凝土試件的抗凍性能。主要表現在試件長時間處于潮濕環境中或處于溫度變化周期較短且溫差較大等條件下，以及試件本身的配合比、密實度、孔隙比和孔隙大小等不同試件質量條件下，骨料混凝土試件的抗凍性能均會受到影響。因此，通過改善混凝土配合比、使用優質合適的原材料和摻料等方法， 同時改善外界環境，能夠完善試件的結構，提高試件的抗凍性能。

王亞東等人通過試驗得出， 經過多次凍融循環，混凝土試件從表面開始逐漸剝落，在混凝土中摻入纖維能夠抑制質量的損失，提高試件的抗凍性能。 通過分析可以得出，由于試件內摻入纖維形成三維亂向的分布形式， 在試件內承擔支承作用，在對試件進行凍融循環試驗的過程中，可以有效抑制混凝土試件內生成并發展微裂縫，試件內孔隙構造被改善。與此同時，少量氣泡被引入至試件內部，在試件內形成較大數量的閉口孔隙，阻斷試件內微小通道，使其成為獨立的孔洞，同時阻止外液滲入，在試件內凝固膨脹使混凝土結構被破壞。摻入劍麻纖維后，能夠在試件受冰水壓力時，產生拉應力連接試件，阻礙試件受拉破壞，減少試件受損程度，保持其整體性能，提高其抗凍性能。 但由于劍麻纖維自身缺陷，在澆筑試件時，對試件摻入的骨料和其他材料的沉降影響較大，可能導致孔隙比變大，試件內砂漿和骨料連接松散、分布不均，試件內部結構的完整性受到影響，外液的滲入不能夠得到很好地抑制，導致試件抗凍性能相較于摻入聚丙烯纖維較差。

3 結語

與傳統再生骨料混凝土相比，纖維再生骨料混凝土構件中含有更少的微裂縫、 更窄的裂縫寬度、更小的孔隙率以及更高的密實度，內部結構更加優化。 由于劍麻纖維自身的物理性質，單摻劍麻纖維的混凝土的性能要次于摻入其他植物纖維的混凝土，由于不同纖維都有其自身的特點和性能，多種纖維同時摻入混凝土即混雜纖維混凝土比摻加單一纖維的混凝土效果更好。 此外，適量的劍麻纖維會對混凝土的性能產生正向影響，過多劍麻纖維則會導致混凝土性能下降。