改性竹原纤维对水工混凝土力学与耐久性的影响

刘天君

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 材料与方法

1.1 竹原纤维改性

水泥在水化过程中产生大量的氢氧化钙会对竹原纤维产生显著的腐蚀作用，从而使竹原纤维对混凝土的增强作用显著减弱[1]。另一方面，竹原纤维表面含有大量与水泥水化物官能团属性明显不同的极性羧基和酚羧基官能团，从而影响其和水泥基结构的结合度[2]。基于此，研究中利用水玻璃(硅酸钠溶液)对其进行改性。

试验用水玻璃由福建南平嘉联化工厂生产，其模数为3.4，浓度为38.40%。经测试，其中含有27.09%的二氧化硅和8.13%的氧化钠，属于中性水玻璃。水玻璃的改性试验在郑州泰远仪器设备有限公司生产的水热反应釜中进行。在改性之前，首先利用生石灰制作出饱和澄清石灰水，将竹原纤维放入烘干箱，在103 ℃的条件下烘干6 h备用。将水玻璃和石灰水按照1∶1的比例均匀混合，然后，将烘干后的竹原纤维放入混合液中浸泡3 min，将浸泡完毕的竹原纤维放在水热反应釜中，再放入烘干箱在120 ℃的条件下蒸煮4 h。将蒸煮完成的竹原纤维过滤掉多余水分。

1.2 试验用其他材料

试验用水泥为普通硅酸盐水泥，其强度等级为P·O42.5；试验用粗骨料为级配良好的人工石灰岩碎石，其粒径范围为5～20 mm；试验用细骨料为细度模数为2.56的天然河沙；试验中减水剂为聚羧酸减水剂；试验用水为普通自来水；作为试验对照，研究中选择的人工纤维为聚丙烯纤维。

1.3 试验方案

为了研究改性竹原纤维对水工混凝土性能的增强作用，试验中结合竹原纤维在混凝土领域的应用研究成果，确定0%、1%、2%、3%和4%等5种不同的改性竹原纤维和未改性竹原纤维掺加比例[3]。为了横向对比其与人工纤维的工程效果，研究中选择掺量1.5%聚丙烯纤维混凝土作为对照。试验中的混凝土配合比按照水工建设领域常用的C30混凝土等级进行设计。

1.4 试验方法

为了保证竹原纤维在混凝土中均匀分散，试验中采用预干拌、再加水的混凝土配制方案，也就是先将水泥和骨料倒入搅拌机干拌1 min，然后，加入竹原纤维继续搅拌3 min，在竹原纤维和干料均匀混合之后，再加入水和减水剂继续搅拌3 min。将制作好的混凝土分两次倒入试模并振捣密实。然后，在室温条件下静置24 h拆模编号，之后在标准条件下养护至试验规定龄期。测试不同试验方案的混凝土试件抗压强度、抗折强度以及100次冻融循环之后的抗压强度，并做好试验数据记录。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

根据试验数据计算获取不同试验方案条件下混凝土试件28 d龄期的抗压强度，结果如表1所示。为了分析竹原纤维掺量对混凝土抗压强度的影响规律，根据试验数据绘制出抗压强度随竹原纤维掺量的变化曲线，结果如图1所示。由试验结果可以看出，随着未改性或改性竹原纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度值呈现出先增大后减小的变化特点。由此可见，在混凝土中掺入一定量的竹原纤维，能够在一定程度上提升混凝土的抗压强度，其作用机理和规律与其他常用纤维类似，这里不再赘述。在纤维掺量相同的条件下，改性竹原纤维试件的抗压强度值明显偏大，说明对竹原纤维进行改性处理，可以有效提升其工程效果，在提高混凝土抗压强度方面发挥更大的作用。从具体的试验数据来看，当竹原纤维掺量为2%时，混凝土的抗压强度值最大，掺加未改性竹原纤维和改性竹原纤维混凝土试件的抗压强度值分别为43.57 MPa和45.12 MPa，改性竹原纤维的试验结果与未改性竹原纤维相比提升了约3.56%。从横向对比来看，改性竹原纤维混凝土的抗压强度最大值为45.12 MPa，与掺加聚丙烯纤维混凝土的抗压强度值45.87 MPa相比，存在微弱优势，差距并不明显。

图1抗压强度随竹原纤维掺量变化曲线

表1 抗压强度试验结果

2.2 抗折强度

根据试验数据计算获取不同试验方案条件下混凝土试件28 d龄期的抗折强度，结果如表2所示，抗折强度随竹原纤维掺量的变化曲线如图2所示。由试验结果可以看出，抗折强度的变化规律与抗压强度类似。首先，随着竹原纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度呈现出先增大后减小的变化特点，当竹原纤维掺量为2%时，混凝土的抗折强度最大。其中，未改性竹原纤维和改性竹原纤维掺加方案的抗折强度最大值分别为6.97 MPa和7.25 MPa。其次，未改性竹原纤维和改性竹原纤维方案的试验结果对比显示，改性竹原纤维对提升水工混凝土抗折强度的优势更为明显，说明竹原纤维改性具有良好的工程价值。最后，改性竹原纤维混凝土抗压强度的最大值为7.25 MPa，与聚丙烯纤维混凝土7.23 MPa的抗压强度值相比存在微弱优势。

图2 抗折强度随竹原纤维掺量变化曲线

表2 抗折强度试验结果

2.3 抗冻性

对不同方案抗冻性试验数据进行整理和计算，获得试件的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹模量，结果分别如表3、表4和表5所示。由试验结果可以看出，随着竹原纤维掺量的增加，混凝土的质量损失率和抗压强度损失率均呈现出先减小后增加的变化特点，相对动弹模量则呈现出先增加后减小的变化特点，当竹原纤维掺量为2%时的抗冻性能最佳。此时，未改性竹原纤维方案的质量损失率为4.52%，抗压强度损失率为11.29%，相对动弹模量为87.14%；改性竹原纤维方案的质量损失率为3.72%，抗压强度损失率为9.56%，相对动弹模量为88.24%；改性竹原纤维与未改性竹原纤维相比存在比较显著的优势。此外，与对比方案相比，掺入改性竹原纤维与掺入聚丙烯纤维相比，在质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹模量方面相差不大。

表3 质量损失率试验结果

表4 抗压强度损失率试验结果

表5相对动弹模量试验结果

3 结 论

(1)随着竹原纤维掺量的增加，混凝土的性能呈现出先增强后减弱的变化趋势；纤维掺量为2%时的性能最优，为最佳掺量。

(2)在掺量相同的情况下，改性竹原纤维混凝土的性能要显著由于未改性竹原纤维混凝土，显示出竹原纤维改性的价值和意义。

(3)掺入改性竹原纤维可以获得与掺入聚丙烯纤维基相似的混凝土性能提升效果。改性竹原纤维是具有良好生态属性的可再生资源，具有良好的工程应用前景。