CN110577391B - 一种黄蒿纤维增强混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种黄蒿纤维增强混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种黄蒿纤维增强混凝土及其制备方法。本发明的黄蒿纤维增强混凝土，它由黄蒿纤维加入到混凝土中混合制成，其中，黄蒿纤维加入到混凝土中的掺入率为0.8‑3.2kg/m3；所述黄蒿纤维外形为长度20mm～30mm的长圆筒形，经过化学方法处理而成。本发明利用价格低、来源广、环境友好，以及在建筑节能方面有优势、应用前景较为可观的黄蒿纤维，其抗拉性能好，便于对混凝土进行补强。相对于现有技术，不仅高效低价地提升了混凝土的抗拉能力，即受拉区黄蒿纤维增强混凝土可以承担部分拉力，而且抑制了因混凝土收缩应力、温度应力和徐变等因素产生的裂缝发展，使得混凝土的抗裂性有所提高；而且在一定程度上可减少配筋量，节省工程成本。

Description

一种黄蒿纤维增强混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土复合材料技术领域，具体涉及一种黄蒿纤维增强混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土抗压强度高，而抗拉能力与抗裂能力较弱，性质较脆，利用抗拉性能好的纤维材料对其进行抗拉补强是一种顺理成章的构想，钢筋混凝土、钢纤维混凝土、碳纤维混凝土、合成纤维混凝土都是在这一种思想下的创造，但钢、碳等材料均为不可再生资源，其掺入混凝土中不但提高了材料成本，而且相对而言不够环保；近期植物纤维混凝土材料发展得如火如荼，然而现阶段相关的试验研究较少，尤其黄蒿纤维增强混凝土是一个全新的概念。
纤维混凝土相关理论的建立源于1963年美国Romualdi J P等首次提出了“纤维的阻裂机理”；之后Swamy R N等又发表“复合材料机理”解释了纤维增强混凝土的原理并推定相应材料的抗拉等强度；Liao K等则研究了单向连续纤维增强脆性基质复合材料，同时建立了拉伸断裂强度模型；Nataraja M C等提出纤维增强参数的概念，并通过试验建立了钢纤维混凝土弹塑性本构；祝明桥等探索了超短异性钢纤维混凝土的掺入对混凝土的抗压、抗剪和劈拉强度的提高。Sumathi A等研究了高强度钢纤维增强混凝土的延展性，能量吸收能力和刚度退化等性能。佟钰等利用试验得出短切碳纤维的加入可使混凝土的抗折强度和劈拉强度增长明显，抗压强度增幅较小。Ayesha S的研究则证实了玻璃纤维复合材料的加入可在一定程度上恢复受损和腐蚀后的混凝土梁的强度，并使加固后的构件表现出良好的耐久性和绝缘性能。包建强等进行了聚丙烯纤维增强混凝土的力学性能的研究，得出混凝土中掺入一定量聚丙烯纤维可以显著提高其抗拉强度。美国与加拿大在工程中广泛应用低掺率的合成纤维混凝土，一般在混凝土总量中合成纤维占7％左右，钢纤维占3％左右。
发明内容
本发明的第一个目的在于针对现有纤维混凝土中，钢、碳等材料均为不可再生资源，其掺入混凝土中不但提高了材料成本，而且相对不够环保的问题，而提供一种原材料来源广泛、价格低、环境友好的黄蒿纤维增强混凝土。
本发明的黄蒿纤维增强混凝土，它由黄蒿纤维加入到混凝土中混合制成，其中，黄蒿纤维加入到混凝土中的掺入率为0.8-3.2kg/m3；所述黄蒿纤维外形为长度20mm～30mm的长圆筒形，经过化学方法处理而成。
具体的，所述混凝土等级为C20，混凝土基体材料包括P.S 32.5的矿渣硅酸盐水泥、粒径级配为5～20mm的碎石、细度模数为2.7的中砂、水；混凝土中基体材料配比为：矿渣硅酸盐水泥:中砂:碎石:水为1:0.922:2.765:0.508。
本发明黄蒿纤维增强混凝土利用价格低、来源广、环境友好，以及在建筑节能方面有优势、应用前景较为可观的黄蒿纤维，其抗拉性能好，便于对混凝土进行补强。相对于现有技术，不仅高效低价地提升了混凝土的抗拉能力，即受拉区黄蒿纤维增强混凝土可以承担部分拉力，而且抑制了因混凝土收缩应力、温度应力和徐变等因素产生的裂缝发展，使得混凝土的抗裂性有所提高；而且在一定程度上可减少配筋量，节省工程成本。
本发明的第二个目的在于提供上述黄蒿纤维增强混凝土的制备方法，它包括如下顺序的步骤：
(1)黄蒿纤维的制备：将新鲜黄蒿植物的黄蒿皮剥下，剪成长度为20mm～30mm的小段，置于浓度为1％的氢氧化钠溶液中，浸泡30分钟后将其捞出并用清水冲洗4～5遍，最后自然阴干备用；
(2)混凝土的制备：按设计配比加入粗细集料、水泥和水，用强制式搅拌机搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混凝土加入到标准立方体试块模具中，每个模具分三次加满，每次加入量为模具容积的1/3，并在每次加入混凝土后随机铺撒一层该试块设计掺入量1/2的黃蒿纤维；其中，黄蒿纤维加入到混凝土中的掺入率为0.8-3.2kg/m3；
(4)再进行手工二次搅拌，以保证黃蒿纤维的均匀分布；
(5)将模具置于振动台振实；
(6)将试块在标准条件下养护至28天龄期。
具体的，步骤(2)中，粗细集料分别是粒径级配为5～20mm的碎石和细度模数为2.7的中砂；水泥为P.S 32.5的矿渣硅酸盐水泥；粗细集料、水泥和水的配比为：矿渣硅酸盐水泥:中砂:碎石:水为1:0.922:2.765:0.508。
本发明的黃蒿纤维混凝土能在土木工程领域获得应用，其有益效果体现在：采用黄蒿纤维增强，较之普通混凝土，黄蒿纤维增强混凝土的抗拉性能得到改善；利用黄蒿纤维抗拉强度较高、韧性较好、弹性模量不太低的特性，与混凝土基体在接触面上能产生可靠的黏结力使两者良好地协同受力，即当黄蒿纤维增强混凝土形成微裂纹后，该黏结力将限制裂纹两侧混凝土的相对位移，从而抑制微裂纹的贯通与扩展以及宏观裂缝的产生，从而在一定程度上增强了混凝土；图1所示为黄蒿纤维与混凝土粘结力示意图。
其次，混凝土抗压性能也得到一定程度的改善；受压构件发生材料破坏时，往往在构件中部先产生沿压力方向的裂纹，这些裂纹的开展将构件“劈”成数个受压“细长柱”，最终引起构件失效；而黄蒿纤维的掺入也同样抑制了这些裂纹的开展；黄蒿纤维作为有机物，其掺入使得混凝土中的水与纤维素中的羟基构成氢键而形成结合水，同时一部分水被纤维吸入细胞间隙中而形成游离水，从而可以降低混凝土的坍落度，进而抑制混凝土的泌水，使混凝土中出现气泡和离析现象的可能大幅减小。
附图说明
图1是黄蒿纤维与混凝土粘结力示意图。
图2是本发明实施例1的劈裂抗拉强度函数拟合曲线图。
图3是本发明实施例2的立方体抗压强度函数拟合曲线图。
图4是本发明混凝土裂缝产生以前黄蒿纤维增强混凝土的受力示意图。
图5是本发明混凝土裂缝产生以后黄蒿纤维增强混凝土的受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例黄蒿纤维增强混凝土的制备方法如下：
(1)黄蒿纤维的制备：将新鲜黄蒿植物的黄蒿皮剥下，剪成长度为20mm～30mm的小段，置于浓度为1％的氢氧化钠溶液中，浸泡30分钟后将其捞出并用清水冲洗4～5遍，最后自然阴干备用；
(2)混凝土的制备：按设计配比加入粗细集料、水泥和水，用强制式搅拌机搅拌均匀；
其中，粗细集料分别是粒径级配为5～20mm的碎石和细度模数为2.7的中砂；水泥为P.S 32.5的矿渣硅酸盐水泥；粗细集料、水泥和水的配比为：矿渣硅酸盐水泥:中砂:碎石:水为1:0.922:2.765:0.508；混凝土等级为C20；
(3)将步骤(2)制备的混凝土加入到标准立方体试块模具中，每个模具分三次加满，每次加入量为模具容积的1/3，并在每次加入混凝土后随机铺撒一层该试块设计掺入量1/2的黃蒿纤维；其中，黄蒿纤维加入到混凝土中的掺入率为0.8-3.2kg/m3；
(4)再进行手工二次搅拌，以保证黃蒿纤维的均匀分布；
(5)将模具置于振动台振实；
(6)将试块在标准条件下养护至28天龄期。
下面列举实施例(不同黄蒿纤维掺入率的纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度对比试验和立方体抗压强度对比试验)，对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于这些实施例。
考虑到用于对比的未掺入黄蒿纤维的混凝土标准试块的设计强度等级为C20，劈裂抗拉强度对比试验的加载速度为0.03～0.05MPa/s；立方体抗压强度对比试验的加载速度为0.3～0.5MPa/s；其余试验参数和步骤遵照GB50010-2010(2015版)《混凝土结构设计规范》和GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的相关规定。
经过材料力学试验测得黄蒿纤维的力学指标如表1所示。
表1 试验用黄蒿纤维的材料力学性能
Figure BDA0002222628240000051
劈裂抗拉强度对比试验共设计有黃蒿纤维掺入率分别为0.8kg/m3、1.2kg/m3、1.6kg/m3、2.0kg/m3、2.4kg/m3、2.8kg/m3、3.2kg/m3的7组试块；立方体抗压强度对比实验共设计有黃蒿纤维掺入率分别为0.25kg/m3、0.5kg/m3、0.75kg/m3、1kg/m3、1.25kg/m3、1.5kg/m3的6组试块；此外，两种试验下各浇注了一组未掺入黄蒿纤维的标准试块(设计强度等级为C20)作为对比试块，且两种试验的试块均为标准立方体试块(尺寸为150mm×150mm×150mm)，出于统计的需要，每种掺量组共浇注了6个试块。
实施例1：
劈裂抗拉强度对比试验得到的相同基体配比的混凝土在不同黄蒿纤维掺入率下的劈裂抗拉强度结果如表2所示。
表2 不同黄蒿纤维掺入率的混凝土劈裂抗拉强度
Figure BDA0002222628240000061
注：
Figure BDA0002222628240000062
式中F为劈拉破坏荷载，A为试块截面积。
针对黄蒿纤维掺入率与黄蒿纤维增强混凝土劈裂抗拉强度之间的定量关系，以表2的数据为基础进行公式拟合，如图2所示，即可得到黄蒿纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度平均值
Figure BDA0002222628240000063
与普通混凝土的劈裂抗拉强度平均值
Figure BDA0002222628240000064
间关于黄蒿纤维掺入率δ的关系式如下：
Figure BDA0002222628240000065
此外，本实施例还对拟合公式完成了相应的误差分析，结果如表3所示。
表3 劈裂抗拉强度函数拟合误差率
Figure BDA0002222628240000071
实施例2：
立方体抗压强度对比试验得到的相同基体配比的混凝土在不同黄蒿纤维掺入率下的立方体抗压强度结果如表4所示。
表4 不同纤维掺入率的混凝土立方体抗压强度
Figure BDA0002222628240000072
注：
Figure BDA0002222628240000073
式中F为受压破坏荷载，A为试块截面积。
针对黄蒿纤维掺入率与黄蒿纤维增强混凝土立方体抗压强度之间的定量关系，以表4的数据为基础进行公式拟合，如图3所示，即可得到黄蒿纤维增强混凝土的立方体抗压强度平均值
Figure BDA0002222628240000074
与普通混凝土的立方体抗压强度平均值
Figure BDA0002222628240000077
间关于黄蒿纤维掺入率δ的关系式如下：
Figure BDA0002222628240000075
此外，本实施例还对拟合公式完成了相应的误差分析，结果如表5所示。
表5 立方体抗压强度函数拟合误差率
Figure BDA0002222628240000076
本发明黄蒿纤维增强混凝土工作原理如下：
混凝土裂缝产生以前，假定黄蒿纤维增强混凝土处于理想状态，即满足以下假定条件：
(1)混凝土基体材料均匀且各向同性；
(2)混凝土单向受拉，黄蒿纤维在基体中平行于受拉方向；
(3)黄蒿纤维与混凝土基体连接良好，变形协调，无相对滑移；
(4)受力过程均符合小变形假定。
参见图4，取微元体，建立平衡方程如式(3)所示：
σfcAfc＝σfAf+σcAc (3)；
式(3)中，σf为微元体横截面上黄蒿纤维的拉应力，Af为微元体横截面上黄蒿纤维的总截面积，σc为微元体横截面上混凝土的拉应力，Ac为微元体横截面上混凝土的总截面积，σfc为微元体横截面上黄蒿纤维增强混凝土的拉应力，Afc为微元体总横截面积。
式(3)两边除以Afc可得式(4)：
Figure BDA0002222628240000081
由于假定微元体中黄蒿纤维沿长度方向均匀分布，可将截面积比换算成体积比，得式(5)：
Figure BDA0002222628240000082
式(5)中，Vf为微元体内黄蒿纤维的总体积，Vc为微元体内混凝土的总体积，Vfc为黄蒿纤维增强混凝土微元体总体积。
由于：
Vc＝Vfc-Vf (6)；
Vf＝mf/ρf (7)；
式(7)中，mf为微元体内黄蒿纤维的总质量，ρf为黄蒿纤维的密度。
又有黄蒿纤维掺入率δ的定义为：
δ＝mf/Vfc (8)；
将式(6)～(8)代入式(5)，可得(式)9：
Figure BDA0002222628240000091
由于假定黄蒿纤维与混凝土基体变形协调，无相对滑移，故有：
εf＝εc＝εfc (10)；
式(10)中，εf为黄蒿纤维的拉应变，εc为混凝土的拉应变，εfc为黄蒿纤维增强混凝土的拉应变。
引入材料的物理方程如下：
σf＝Efεf (11)；
σc＝Ecεc (12)；
式中，Ef为黄蒿纤维的受拉弹性模量，Ec为混凝土的受拉弹性模量。
将式(10)～(12)代入式(9)，并出于简化记写，令αE＝Ef/Ec，可得式(13)：
Figure BDA0002222628240000092
由式(13)可知，在混凝土未开裂前黄蒿纤维增强混凝土上的拉应力与黄蒿纤维与混凝土的受拉弹性模量比、黄蒿纤维密度和掺入率间有定量的关系。
混凝土裂缝产生以后，满足以下假定条件：
(1)混凝土单向受拉，黄蒿纤维在基体中平行于受拉方向；
(2)黄蒿纤维与混凝土基体连接良好；
(3)受力过程均符合小变形假定。
混凝土裂缝产生以后，假定混凝土完全退出抗拉工作，由黄蒿纤维独自承受拉力直至破坏，破坏前一瞬间的微元体受力图如图5所示。
建立平衡方程：
ffcAfc＝ffAf (14)；
式(14)中，ffc为黄蒿纤维增强混凝土抗拉强度；ff为黄蒿纤维抗拉强度。
式(14)两边除以Afc可得式(15)：
Figure BDA0002222628240000101
同混凝土裂缝产生以前的推导过程相似，将截面积比换算成体积比，再将式(7)和(8)代入式(13)，可得式(16)：
Figure BDA0002222628240000102
由式(16)可知，黄蒿纤维增强混凝土的抗拉强度与黃蒿纤维抗拉强度、密度及掺入率有定量关系。
因此，通过实施例及理论论证，将黄蒿纤维掺入混凝土中，不仅可在一定程度上减少配筋量，节省工程成本，而且对于抗压、负面效应和增强效应的相对关系使得黃蒿纤维增强混凝土的抗压强度随黄蒿纤维掺入率而波动，但整体上还是呈现提升趋势，就黃蒿纤维混凝土立方体抗压强度而言，最优黄蒿纤维掺入率在0.45kg/m3左右。黄蒿纤维的掺入也抑制了因混凝土收缩应力、温度应力和徐变等因素产生的裂缝的发展，混凝土的抗裂性有所提高，从而提升混凝土正常使用方面的一些性能，所以混凝土在正常使用方面的抗裂性能也能得到显著提升。黃蒿纤维混凝土的相关研究试验为复合型混凝土补充了有效的理论支撑，从受力机理做出了分析，得到了可靠的结论。

Claims (1)

1.一种黄蒿纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：
(1)黄蒿纤维的制备：将新鲜黄蒿植物的黄蒿皮剥下，剪成长度为20mm～30mm的小段，置于浓度为1％的氢氧化钠溶液中，浸泡30分钟后将其捞出并用清水冲洗4～5遍，最后自然阴干备用；
(2)混凝土的制备：按设计配比加入粗细集料、水泥和水，用强制式搅拌机搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混凝土加入到标准立方体试块模具中，每个模具分三次加满，每次加入量为模具容积的1/3，并在每次加入混凝土后随机铺撒一层该试块设计掺入量1/2的黄蒿纤维；其中，黄蒿纤维加入到混凝土中的掺入率为0.8-3.2kg/m3；
(4)再进行手工二次搅拌，以保证黄蒿纤维的均匀分布；
(5)将模具置于振动台振实；
(6)将试块在标准条件下养护至28天龄期；
步骤(2)中，粗细集料分别是粒径级配为5～20mm的碎石和细度模数为2.7的中砂；水泥为P.S 32.5的矿渣硅酸盐水泥；粗细集料、水泥和水的配比为：矿渣硅酸盐水泥:中砂:碎石:水为1:0.922:2.765:0.508；
其中，所述黄蒿纤维外形为长圆筒形；
混凝土等级为C20；
混凝土裂缝产生以前，假定黄蒿纤维增强混凝土处于理想状态，即满足以下假定条件：
(1)混凝土基体材料均匀且各向同性；
(2)混凝土单向受拉，黄蒿纤维在基体中平行于受拉方向；
(3)黄蒿纤维与混凝土基体连接良好，变形协调，无相对滑移；
(4)受力过程均符合小变形假定；
取微元体，建立平衡方程如式(1)所示：
σfcAfc＝σfAf+σcAc (1)；
式(1)中，σf为微元体横截面上黄蒿纤维的拉应力，Af为微元体横截面上黄蒿纤维的总截面积，σc为微元体横截面上混凝土的拉应力，Ac为微元体横截面上混凝土的总截面积，σfc为微元体横截面上黄蒿纤维增强混凝土的拉应力，Afc为微元体总横截面积；
式(1)两边除以Afc可得式(2)：
Figure FDA0003171675300000021
由于假定微元体中黄蒿纤维沿长度方向均匀分布，可将截面积比换算成体积比，得式(3)：
Figure FDA0003171675300000022
式(3)中，Vf为微元体内黄蒿纤维的总体积，Vc为微元体内混凝土的总体积，Vfc为黄蒿纤维增强混凝土微元体总体积；
由于：
Vc＝Vfc-Vf (4)；
Vf＝mf/ρf (5)；
式(5)中，mf为微元体内黄蒿纤维的总质量，ρf为黄蒿纤维的密度；
又有黄蒿纤维掺入率δ的定义为：
δ＝mf/Vfc (6)；
将式(4)～(6)代入式(3)，可得式(7)：
Figure FDA0003171675300000031
由于假定黄蒿纤维与混凝土基体变形协调，无相对滑移，故有：
εf＝εc＝εfc (8)；
式(8)中，εf为黄蒿纤维的拉应变，εc为混凝土的拉应变，εfc为黄蒿纤维增强混凝土的拉应变；
引入材料的物理方程如下：
σf＝Efεf (9)；
σc＝Ecεc (10)；
式中，Ef为黄蒿纤维的受拉弹性模量，Ec为混凝土的受拉弹性模量；
将式(8)～(10)代入式(7)，并出于简化记写，令αE＝Ef/Ec，可得式(11)：
Figure FDA0003171675300000032
混凝土裂缝产生以后，满足以下假定条件：
(1)混凝土单向受拉，黄蒿纤维在基体中平行于受拉方向；
(2)黄蒿纤维与混凝土基体连接良好；
(3)受力过程均符合小变形假定；
混凝土裂缝产生以后，假定混凝土完全退出抗拉工作，由黄蒿纤维独自承受拉力直至破坏；
建立平衡方程：
ffcAfc＝ffAf (12)；
式(12)中，ffc为黄蒿纤维增强混凝土抗拉强度；ff为黄蒿纤维抗拉强度；
式(12)两边除以Afc可得式(13)：
Figure FDA0003171675300000041
将截面积比换算成体积比，再将式(5)和(6)代入式(13)，可得式(14)：
Figure FDA0003171675300000042
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