植物纤维增韧混凝土的制备与研究

【摘要】水泥基复合材料是由水泥、砂、石共同组成的非均质体，具有抗拉强度小、韧性小、耐化学腐蚀性差等固有缺点，影响了水泥及材料性能的进一步提高。近年来，随着建筑原材料价格的增高且与节能减排有对立，新型建筑材料的研究必将是现阶段我国材料方面的重要工作。本文以废弃的农作物秸秆为填充料，与水泥拌合形成具有一定强度、稳定性的材料，以此探究植物纤维增韧混凝土的机理。在一定程度上利用农作物秸秆，为国家基础建设节约成本，对缓和环境压力影响深远。

【关键词】植物纤维增韧混凝土；秸秆纤维；韧性；复合材料

1试验材料与方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

因为高碱性液相对植物纤维具有侵蚀作用，使纤维细胞中的半纤维素与木质素被溶解出来，导致各个纤维细胞间的连接消弱，因而大大降低植物纤维的强度。硫铝酸盐水泥主要成分为无水硫铝酸钙（4CaO・3Al2O3・CaSO4）和β型硅酸二钙（β?C2S）。它的两个独立特点是负温硬化和碱度低【2】。它的液相碱度低（PH值为10.5―11.5），因此对于植物纤维的侵蚀作用大大降低了。本实验采用了42.5的快硬硫铝酸盐水泥。初凝不得早于25min，终凝不得迟于180min，比表面积不得低于350m2/kg。安定性合格。

1.1.2 粗细骨料

本试验采用粒径为 5～20mm 的卵石作为粗骨料，要求质地坚硬，表面清洁、粗糙且级配良好。细骨料则采用细度模数为 2.5 的天然河砂，砂中无尘土。

1.1.3 粉煤灰

Ⅰ级粉煤灰，45μm方孔筛筛余不大于12.0%，三氧化硫含量不大于3.0%，游离氧化钙含量不大于4.0%【3】。

1.1.4 萘系高效减水剂

减水率为18%～25%。

1.1.5 秸秆碎屑

本试验选取圆截面长细杆型秸秆作为掺入纤维，其截面直径为 1.5mm，不得腐烂霉变，不得含有泥土，含水量

2.2 实验仪器

抗折试验仪，抗压试验仪 ，液压万能试验机，塌落度测定仪。

2.3测试方法

2.3.1试件分组

为了分析秸秆掺入率对混凝土力学性能的影响情况，试验也对应设计了两个对比组：（1）素混凝土试件及掺入秸秆纤维的混凝土试件的对比；（2）在掺入秸秆纤维长度一致的试件中进行不同的纤维掺入率试件的对比。分组如表1所示。

2.3.2养护条件

成型后的试件在常温条件下（ 温度15°～35°相对湿度60%～70%） 养护， 一般24h可脱模。脱模后继续养护28天后进行试件的各项指标的测试。

2.3.3实验要点

根据混凝土最后的和易性以及材料的粘结性判别材料所占比情况，根据秸秆所占胶凝材料比重的变化梯度，从而设计出不同的百分比，依据具体情况来决定合适的植物纤维的所占的比重。

3 结果与分析

3.1净浆实验（空白试验组）

在相同材料下其抗折实验在三组试件中的强度分别为：2972N、2892N、2958N，即在相同材料下其抗折强度的平均值为：2940.6N。

3.2秸秆混凝土抗压抗折强度实验

不同掺入量的秸秆纤维混凝土抗压抗折强度实验数据见表3、表4、表5、表6。

在相同材料下其抗折实验在三组试件中的强度分别为：2462N、2031N、2445N，即在相同材料下其抗折强度的平均值为：2312.7N。

在相同材料下其抗折实验在三组试件中的强度分别为：3254N、3359N、3221N，即在相同材料下其抗折强度的平均值为：3278N。

在相同材料下其抗折实验在三组试件中的强度分别为：2165N、2197N、2183N，即在相同材料下其抗折强度的平均值为：2181.7N。

在相同材料下其抗折实验在三组试件中的强度分别为：1710N、1732N、1660N，即在相同材料下其抗折强度的平均值为：1770.7N。

3.3对材料各项性能进行分析

从试验数据表中可以看出，加入秸秆纤维对混凝土的抗压强度没有增强效果，相较于对照组素混凝土有一定程度上的削弱。本试验研究中，通过对相对强度的计算可以发现，掺入率为7%的秸秆纤维，对试件抗压强度削弱程度最大，为 47.5%（见图3-1）。秸秆纤维掺量越小，对混凝土抗压性能负面影响越小。这主要是因为秸秆纤维弹性模量略低于混凝土【7】，且部分纤维分布不均匀使试件内部产生局部缺陷，影响了混凝土整体性及抗压能力。

图3-1 抗压强度比较

Figure 3-1 compressive strength

从试件破坏形态来看，作为对照组的素混凝土是典型的倒四角锥形压坏的破坏形态。而其他掺入秸秆纤维的试件上先出现的裂纹相对较小，试件整体性很好，破坏时仍未发生局部崩塌现象（图 2-3b）。

（a）素混凝土 （b）秸秆纤维混凝土

图2-2 抗压试验

抗折试验中，掺入率为 3%的秸秆纤维对混凝土试件的抗折性能增强效果最佳，极限抗折强度提升效果为13%（见图2-3）。

图2-3 抗折强度比较

Figure 2-3 Flexural strength

从破坏形态上看，所有试件均在两个集中荷载之间的纯弯段开裂破坏。素混凝土试件为脆性折断，开裂后裂缝迅速贯通，试件破坏为两段。加入秸秆纤维的混凝土试件，在出现肉眼可见的宏观裂缝后，已有一部分断面处的秸秆纤维被拔出而退出工作；剩下的部分秸秆纤维穿越裂缝并继续承担拉力直至拉断，试件破坏形态为延性破坏（图 2-4）。这说明秸秆纤维对控制裂缝的发展有明显作用，秸秆纤维混凝土有较好的韧性和延性；同时试验结果也表明，如果在前期利用一些表面处理技术处理纤维，可以明显地提高纤维粘接性能，提高植物纤维混凝土的抗折能力。

图2-4 抗折试验

3 创新点及应用

本产品主要是以废弃的农作物秸秆为填充料，以快硬硫铝酸盐水泥为胶结材料形成具有一定强度、稳定性的材料。充分发挥快硬硫铝酸盐混凝土与有机物结合的特性。快硬硫铝酸盐秸秆混凝土具有碱度低、耐蚀性好等特性【6】，秸秆具有保温、韧性好、获取简便的优点，可利用硫铝酸盐秸秆混凝土制作建材产品。硫铝酸盐秸秆混凝土原材料来源广泛、造价低廉，有着干缩率小、抗渗性好、耐蚀性好以及能耗低的特点，适合于保温外墙的制作及加固填充墙材，也可作为农村低层建筑的建筑材料。

可以预见，当植物纤维混凝土的耐久性问题得到合适的改善后，结合秸秆纤维混凝土的力学等特性，其未来可能的应用有以下方面：

1、保温性良好的建筑外墙。鉴于秸秆纤维的低导热率，用植物秸秆拌制的硫铝酸盐混凝土有一定的强度，导热系数、容重也比较低，满足作为建筑材料使用的要求，是潜在的具有良好保温性能的外墙材料。

2、由于其较为低廉的成本，可用于无需考虑长期耐久性的临时性建筑领域。在保证基本力学性能的前提下，可以有效降低造价，带来经济效益。同样也可与钢筋搭配作为混杂混凝土，用于较大面积地面工程，如广场等，产生较好的经济效益及社会效益。

3、因为植物秸秆纤维低廉的造价和环保的特性，可以通过实验研究更广泛的农作物秸秆作为混凝土填充物，使农作物秸秆在建筑行业就地消化，得到综合利用。

4、对于一些对通讯信号要求较高的室内隔墙，可使用植物纤维混凝土作为基本工程材料，在不影响建筑结构稳定的前提下，以期减少钢筋等对通讯信号的影响。

4 结论

在参考相关文献的基础上，通过秸秆纤维混凝土的抗压、弯折试验研究了秸秆纤维掺入率掺量对秸秆纤维混凝土力学性能的影响，试验表明：

1、混凝土的抗压性能会因为掺入秸秆纤维受到一定程度的削弱。这是因为掺入植物纤维后，秸秆纤维加入产生的局部缺陷的负面效果大过纤维自身的阻裂效应，从而使混凝土抗压性能下降。

2、由于秸秆纤维弹性模量相对较低，掺入纤维率越大，相应的混凝土骨料比率降低，试块的容重就会越小，且容易在混凝土内部形成局部缺陷，孔隙率变大。试验证明，掺入秸秆纤维对混凝土的抗压性能有约17%的削弱效应。虽然不建议作为承重结构，但满足墙体结构的工程使用要求。

3、在抗折强度试验中，合适的植物纤维掺入量可以在一定程度上增加混凝土的抗折性能。虽然掺入秸秆纤维对混凝土的抗折极限强度没有很大的提升效果，但是秸秆纤维对控制混凝土早期微裂缝的发展有作用，并且可以明显增加混凝土的韧性与抗冲击性。

4、通过实验对受潮试件断面纤维情况的观察，发现未作处理的纤维在后期易受微生物影响部分解聚，发生霉变。除此之外，植物纤维在混凝土中还会遇到诸如被碱蚀、吸水体积变化等因素，导致是纤维混凝土耐久性下降。我们认为后续的实验可从水泥改性降低碱性着手来改善植物纤维混凝土的耐久性，同时也有必要在试验前期对纤维进行表面处理。

5、本实验中变量较多，例如植物秸秆的前期处理以及长度等因素也会影响混凝土的性能；外加剂的种类对植物纤维产生的影响等等，对后续实验的开展有着极大的思考与帮助。

参考文献

[1]严捍东《新型建筑材料教程》 北京 中国建材工业出版社 2005.01 第94～95页

[2]A・M・Neville《混凝土技术（原著第二版）》 北京 中国建筑工业出版社 2014.07 第17页

[2]宋少民《混凝土学》 武汉 武汉理工大学出版社 2013.12 第47页

[3]JGJ 55-2011 普通混凝土配合比设计规程

[4]高礼雄《现代混凝土配合比设计与质量控制新技术》 北京 中国铁道出版社 2015.04

[5]宋少民《混凝土学》 武汉 武汉理工大学出版社 2013.12 第38页

[6]于湖生 黄麻纤维用于混凝土增强的研究 [学位论文] 上海 东华大学 2010.04

基金项目：本项目为西北民族大学中央高校基本科研业务费专项资金本科生项目，项目编号：107422015006。指导老师：郭启龙，副教授，西北民族大学土木学院，主要研究方向为“超高温陶瓷基复合材料”和“无机非金属材料”。