秸秆纤维对混凝土复合材料抗冻性能的影响

Effect of Straw Fiber on Frost Resistance of Concrete Composites

摘要

文章探究冻融循环损伤下秸秆纤维混凝土抗冻性能，选取复合硅酸盐水泥、硅灰、减水剂、油菜秸秆等原材料，制备秸秆纤维，秸秆纤维掺量分别取2.5%、5.0%和7.5%，制备秸秆纤维混凝土试件，在不同冻融循环次数下测试试件的抗压强度、质量损失率和动弹性模量。结果表明：冻融循环次数会影响试件的抗压强度、质量损失率和动弹性模量。在相同的秸秆纤维掺量下，随着冻融循环次数的增加，秸秆纤维混凝土的抗压强度和动弹性模量均明显降低，且秸秆纤维掺量越小试件质量损失率越高。

关键词

秸秆纤维 / 混凝土 / 冻融循环损伤 / 抗压强度 / 质量损失率

Key words

Straw fiber / Concrete / Freeze-thaw cycle damage / Compressive strength / Quality loss rate

秸秆纤维具有较高的拉伸强度和弹性模量，将其添加到混凝土中可提升混凝土的力学性能以及抗冻融性能^[1-3]。我国秸秆资源丰富、价格低廉且容易获得^[4]，但秸秆纤维具有较高的含水率和较低的密度，其与水泥基质之间的黏附力不强，可能导致纤维在混凝土中脱落或分散不均，进而影响混凝土的力学性能。目前，对秸秆纤维混凝土在不同冻融循环下性能研究较少。肖力光等^[5]探究不同长度秸秆纤维(1~5 mm、5~10 mm、10~20 mm)、粉煤灰和硅藻土的协同作用对秸秆水泥基材料的力学性能和抗冻性能的影响规律。通过正交试验确定了水泥基复合材料的最佳配方为：粉煤灰取代率10%，硅藻土取代率4%，水胶比0.48。与空白组相比，最佳配方下试件28 d抗压强度为58 MPa，提高25.3%。纤维掺量为5%时，试件冻融循环可达35次。张文俊等^[6]利用正交试验法，制作了油菜秸秆纤维混凝土试件，研究水灰比(0.45、0.50、0.55、0.60)、油菜秸秆纤维长度(15~20 mm、>20~25 mm、>25~30 mm、>30~35 mm)和秸秆纤维体积掺量(0.50%、1.00%、1.50%、2.00%)对油菜秸秆纤维混凝土抗碳化性能的影响。结果表明：3个因素对油菜秸秆混凝土抗碳化性能的影响大小依次为水灰比、秸秆纤维长度和秸秆纤维体积掺量。最佳组合为水灰比0.45、秸秆纤维长度>30~35 mm和秸秆纤维体积掺量为1.50%。取最佳水平组的试件进行电镜扫描发现，油菜秸秆纤维的掺入改善了水泥浆体内部孔隙结构，使混凝土碳化深度最多减小了35.31%，从而提高了混凝土的抗碳化性能。本实验向混凝土中掺入秸秆纤维，制备出纤维混凝土试件，并在冻融循环损伤下探究纤维掺量对秸秆纤维混凝土试件抗冻性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

油菜秸秆，选择距离地面超180 mm至顶端部分，某农业大学油菜种植基地；SH培养基基础盐(SH干粉)，上海信裕生物科技有限公司；水泥，强度为P.C32.5，营口水泥厂；粗骨料，卵石，直径为15 mm左右；细骨料，河砂，细度模数为2.22~2.56；外加剂，一级硅灰，硅微粉含量超过95%，洛阳安可建材有限公司；中浓型萘系高效减水剂，Na₂SO₄含量3%~10%，安徽省庐江县高效减水剂厂。

1.2 仪器与设备

小型烘箱，HC-xh1，江和诚烘箱制造厂；真空搅拌机，ITT-1500S，深圳市英泰特激光有限公司；振捣台，ZP-4，新乡市创博机械设备有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 油菜秸秆纤维处理

将清洗后的秸秆暴晒至含水率达到约6%，再放入浓度为3%的氢氧化钠溶液中浸泡1 d，并使用自来水清洗4次，将秸秆段放入烘箱内，设置烘箱温度为80 ℃，得到油菜秸秆纤维。

1.3.2 制备SH胶

SH胶的配制质量比为2%的SH培养基基础盐（SH干粉）、96%的水和4%的NaOH溶液（浓度为4%）。先在搅拌桶中加入所需水量的四分之一；再添加一定量的NaOH溶液，搅拌均匀；最后加入一定量的SH干粉，搅拌4~5 min，当SH干粉全部分散后，再加入剩余的水，搅拌5 min后得到SH胶。将预处理后的秸秆纤维放入SH胶中浸泡24 h，得到预处理后的秸秆纤维。

1.3.3 秸秆纤维混凝土制备

设置秸秆掺量分别为2.5%、5.0%、7.5%，水灰比为0.5，砂率为32%^[7]。按比例称取硅酸盐水泥、骨料^[8]，并加入搅拌机搅拌1 min。再加入硅灰、减水剂等继续搅拌3 min。添加秸秆纤维并再次搅拌2 min。按照配合比分3次添加自来水并搅拌1 min，得到秸秆纤维混凝土。将秸秆纤维混凝土分两次装入模具中，并使用振捣棒振捣去除空气泡。将成型的秸秆纤维混凝土放置在恒温25 ℃条件下的阴凉处，静置24 h后拆除模具。秸秆纤维混凝土按秸秆掺量2.5%、5.0%、7.5%分别命名为J-1、J-2、J-3。

1.4 性能测试与表征

冻融循环试验：按ASTM C666进行测试^[9-10]，温度范围-20~10 ℃。每个循环的持续时间为24 h，包括4 h冻结和20 h解冻^[11-12]。对未冻融的试件直接测定初始质量、抗折强度、动弹性模量，冻融循环后取出样品，测试其质量、抗折强度、动弹性模量等。

质量损失率计算公式为^[13-15]：

D(n)=\frac{Z_{\mathrm{0}}-Z_{\mathrm{n}}}{Z_{\mathrm{0}}} \times \mathrm{100} \mathrm{\%} (1)

式(1)中：D(n)为秸秆纤维混凝土冻融试验的质量损失率，%；Z _n 为冻融循环 n次后秸秆纤维混凝土质量，g；Z₀为冻融循环前秸秆纤维混凝土质量，g。

相对动弹性模量计算公式为^[16-20]：

E_{\mathrm{t}\mathrm{s}} = \frac{E}{E_{\mathrm{0}}} (2)

式(2)中： E_{\mathrm{t}\mathrm{s}}为试件相对动弹性模量，%； E_{\mathrm{0}}为试件未受损状态下的动弹性模量，N/m²；E为冻融循环下试件的动弹性模量，N/m²。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度损失率分析

图1为不同冻融循环次数下秸秆纤维混凝土的抗压强度损失率。从图1可以看出，试件受到冻融循环时，其抗压强度损失率与冻融循环次数成正比。当冻融循环次数低于60次时，试件的抗压强度损失率呈现小幅度上升趋势，且秸秆纤维掺量不同的混凝土试件抗压强度损失率相差不大。但当冻融循环次数超过60次后，秸秆纤维混凝土试件的抗压强度损失率增大幅度较快。结果说明，秸秆纤维掺量较小，秸秆纤维混凝土抗冻融性好。

2.2 质量损失率分析

图2为不同冻融循环次数下秸秆纤维混凝土的质量损失率。从图2可以看出，随着冻融次数的增加，秸秆纤维掺量不同的混凝土试件的质量损失率呈现大幅度上升趋势，试件J-1和试件J-2在相同冻融循环次数时，其质量损失率数值差值较小，均低于试件J-3。结果说明：冻融循环次数相同时，秸秆纤维掺量越小，试件质量损失率越低。

2.3 相对动弹性模量分析

图3为不同冻融循环次数下秸秆纤维混凝土试件的动弹性模量损伤量。从图3可以看出，不同掺量的秸秆纤维混凝土试件由于受到冻融循环作用，相对动弹性模量减少。冻融循环次数大于100次时，相对动弹性模量下降幅度逐渐增大。J-1的相对动弹性模量在冻融循环200次，时仅为82.1%，而J-2和J-3的在冻融循环200次后得到的相对动弹性模量分别为88.6%和83.4%。由此可知，冻融循环可造成秸秆纤维混凝土试件损伤，降低其动弹性模量。

3 结论

文章探究秸秆纤维混凝土在冻融循环损伤下的性能，得出冻融循环次数相同时，随着冻融循环次数的增加，秸秆纤维混凝土的抗压强度和动弹性模量均明显降低，且秸秆纤维掺量越小试件质量损失率越低。此方法经过试验虽然取得一定成果，但依然存在不足之处，如混凝土试件中的骨料添加量以及骨料的直径均会对秸秆纤维混凝土在冻融环境中的力学性能产生一定影响。文中制备的秸秆纤维混凝土试件秸秆纤维来自油菜秸秆，其他秸秆也可制作秸秆纤维混凝土，如玉米秸秆、稻草秸秆等。纤维种类不同也可能对混凝土力学性能产生影响，未来可从纤维种类不同角度出发，使研究结果更加充分。

参考文献

[1] 孙杰,冯川,吴爽,持续荷载与冻融循环耦合作用下纤维混凝土损伤性能研究[J].硅酸盐通报,2022,41(8):2728-2738.

[2] 徐超.纤维混杂效应对混凝土复合材料的力学及耐久性能的影响[J].功能材料,2021,52(1):202-207.

[3] 苏强,王桦,黄金坤,棉花秸秆纤维混凝土力学性能正交试验[J].中国科技论文,2020,15(12):1405-1409.

[4] 欧巍,王彦靖,王秀飞,玉米秸秆各部位分离利用的研究进展[J].现代畜牧兽医,2021(12):92-96.

[5] 肖力光,李纪良.秸秆纤维、粉煤灰和硅藻土协同作用对秸秆水泥基材料力学性能及抗冻性能影响的研究[J]. 化工新型材料,2021,49(6):236-239.

[6] 张文俊,刘保华,周文,油菜秸秆纤维混凝土抗碳化性能的试验研究[J].湖南农业大学学报:自然科学版,2021,47(1):96-100.

[7] 戴丽,杨峰,周美容,纤维混凝土复合材料的制备及力学性能的研究[J].功能材料,2021,52(12):12095-12099.

[8] 郭朝强,尚双,兰奎,改性秸秆纤维增强再生骨料砌块的研究[J].新型建筑材料,2020,47(4):77-81.

[9] 付强,陶琦,关喜彬,冻融循环下不同纤维掺量混凝土宏细观关系试验研究[J].水电能源科学,2023,41(2):159-162.

[10] 石建文,宋战平,崔国静,冻融循环作用下钢纤维煤矸石混凝土抗冻性能研究[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2023,55(1):52-59.

[11] 王春晓,董建明,李得胜.基于孔结构分形的混杂纤维混凝土抗冻性能研究[J].硅酸盐通报,2021,40(11):3608-3616.

[12] 郑传磊,赵亚娣,侯玉飞,冻融环境下再生粗骨料对聚丙烯纤维增强自密实混凝土轴心抗压力学性能的影响[J]. 材料科学与工程学报,2023,41(4):672-680, 567.

[13] 王建伟,逯静洲,孔政宇,PVA-纳米SiO₂混凝土经冻融循环后的动态抗压特性[J].烟台大学学报:自然科学与工程版,2023,36(1):112-118.

[14] 张广泰,耿天娇,鲁海波,冻融循环下沙漠砂纤维混凝土损伤模型研究[J].硅酸盐通报,2021,40(7):2225-2231.

[15] 路东,张丽哲,季涛.基于有限元的不同聚丙烯纤维掺量的纤维增强混凝土抗裂性能研究[J].硅酸盐通报,2020,39(10):3191-3195, 3202.

[16] 吴倩云,马芹永,王莹.冻融循环作用下玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土压拉强度试验与细观结构[J].复合材料学报,2021,38(3):953-965.

[17] 范旭红,秦卫红,解鹏,集中荷载作用下钢-玻璃纤维复合纵筋混凝土梁的受剪承载力[J].东南大学学报:自然科学版,2020,50(4):623-629.

[18] 赵小明,王新科,乔宏霞,PVA纤维混凝土冻融循环损伤规律及模型研究[J].混凝土与水泥制品,2022(1):53-57.

[19] 刘露,何康.冻融作用下短切玄武岩纤维混凝土损伤演化及动态力学性能研究[J].复合材料科学与工程,2022(10):13-19.

[20] 李长辉,杨放,王启材,改性合成纤维混凝土弯曲及抗冲击试验[J].建筑科学与工程学报,2022,39(6):24-33.