土木工程中竹纤维混凝土材料的性能分析_康春祥.pdf

材料及应用 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料78土木工程中竹纤维混凝土材料的性能分析*康春祥，时国松，李凌洋沧州交通学院，河北 沧州 061100摘要：竹纤维混凝土是新兴的环境友好型土木工程材料，由于价格低廉、资源丰富、弹性大，受到广泛关注。文章介绍了竹纤维混凝土材料的概念和工作原理，探讨了竹纤维混凝土材料的应用优势，分析了影响竹纤维混凝土材料特性的主要因素，以及竹纤维混凝土材料的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度的特性，最后提出了竹纤维混凝土提升性能的措施，为今后的研究奠定基础。关键词：竹纤维；混凝土；土木工程；抗压强度；抗拉强度分类号：TU528.21 竹纤维混凝土的概念和工作原理将竹子清洗干净后，削除掉竹节部分，选取中间节段，沿着径向切割出 2 6 cm 长度的薄片，再经过浸泡与干燥的过程，制得 3 4 mm 宽的竹纤维。制得的竹材料是竹纤维加固混凝土的主要形式。以竹纤维为增强剂，该混凝土复合材料基体部分由水泥、砂、石等组成，竹纤维的混入量为 3%8%。竹纤维混凝土可以改善混凝土的整体抗拉性能，提高其耐腐蚀性1。竹纤维可以防止混凝土中现有微裂缝的形成，降低新裂缝的形成率，提高混凝土自身延展能力，并提高混凝土的抗冲击能力2。此外，竹纤维的来源比较广泛，价格低廉，无毒无害，由天然材料制成，符合建筑的节能性和可持续性要求，因此有助于环境保护和可持续发展。竹纤维混凝土的工作原理是通过抑制裂纹扩展、增加抗拉强度和提高断裂韧性来改善混凝土的性能3。在混凝土的形成时期，竹纤维和基体之间的强粘性可以防止裂缝扩大与形成。同时，竹纤维的三维不规则分布可以抑制基体的塑性收缩，使基体的收缩能量消散到竹纤维中，有效地加强混凝土，减少基体初凝阶段的收缩裂缝和断裂。在竹纤维混凝土受力的过程中，在应力集中的地方非常容易出现裂缝。当裂缝延伸到与竹纤维相交的地方时，竹纤维可以承担部分应力，防止裂缝发展成贯穿性裂缝，防止宏观裂缝的发生和混凝土的渗透，有利于提高混凝土的抗拉强度。2 竹纤维混凝土材料的主要优势将竹纤维混凝土与传统混凝土材料进行对比，可以发现竹纤维混凝土抗拉性能有所提升。竹纤维可以作为支撑材料加入混凝土基体中，减缓混凝土的断裂速度。在竹纤维混凝土材料中，竹纤维的无序排布增加了混凝土的整体强度。与传统混凝土比较发现，加入竹纤维后，混凝土的变形延展性能有了提升，耐久性能也得到提升，有效地提升了混凝土的抗拉强度、冲击力和耐腐蚀性，具有较好的热稳定性与化学稳定性。3 竹纤维混凝土性能的主要影响因素复合材料由各种不同的材料组成，根据每个成分的作用，可以分为两类：基体（也称为黏合剂）和增强剂。在传统的钢筋混凝建筑中，混凝土作为基体，钢筋作为增强剂，钢筋支撑着基体，基体包裹着钢筋，二者达到很好的耦合作用，影响混凝土材料的性能。竹纤维替代钢筋位置与混凝土相互作用，可以提高复合材料的完整性，并使骨架部分起到支撑重物的作用。对比分析普通混凝土与竹纤维混凝土，可以发现竹纤维混凝土材料可以充分发挥优良的复合作用，耦合二者的特性，大大提升混凝土性能。其中，影响竹纤维混凝土的主要因素如下。（1）竹纤维形状特性。主要是竹纤维的横截面（矩形、圆形等）、长度和其他特性。（2）竹纤维的机械性能。如拉弯强度和抗拉强度。（3）竹纤维是随意排布的，方向不定。然而，通过特定的制作方法固定竹纤维，有可能控制混凝土中纤文章编号：2096-3092（2023）01-0078-03*基金项目：沧州市科学技术局项目“竹纤维对混凝土力学与耐久性能的影响及机理分析”（204104006）；沧州交通学院教育教学改革研究项目（HBJY19024）作者简介：康春祥，男，本科，讲师，研究方向为土木工程材料。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 材料及应用79维的排布方向，进而改变竹纤维混凝土的特性。（4）竹纤维可以增大比面积、平均间距、体积比和单位体积的纤维数。竹纤维混凝土主要受纤维、基体和界面的影响。在开发复合材料时，在竹纤维接触面与基体本身的性能之间找到平衡点，以实现想要的性能4。4 竹纤维混凝土材料的性能分析4.1 抗压强度当添加竹纤维时，混凝土的整体抗压强度会降低。竹纤维混凝土的抗压强度随着纤维长度的增加而增加；随着竹纤维含量的增加而降低；有研究表明，竹纤维混凝土的抗压强度随着纤维直径的增加而降低，竹纤维混凝土抗压强度的公式如下：(1)cPdFFl=（1）式中：F 为竹纤维混凝土的抗压强度，MPa；Fc为竹纤维混凝土的基体抗压强度，MPa；P 为竹纤维体积含量；d 为竹纤维的直径，mm；l 为竹纤维的长度，mm；为系数，取值为 350。竹纤维混凝土纤维长度对抗压强度影响变化如图 1所示。可以看出，在相同的竹纤维含量下，竹纤维混凝土添加为 0 时，抗压强度不高；当不断延长竹纤维长度由 5 mm 增加至 25 mm，其抗压强度大幅上升。竹纤维长度越长，竹纤维与混凝土之间粘连面积越大，竹纤维能分散受力，因此得到的竹纤维混凝土抗压程度越高。竹纤维长度/mm抗压强度/MPa图 1 竹纤维混凝土纤维长度对抗压强度影响变化图竹纤维含量对抗压强度的影响如图 2 所示。竹纤维混凝土中竹纤维的含量增加，会降低混凝土的抗压强度。当竹纤维的添加含量从 0.5%增加到 0.75%时，混凝土的抗压强度几乎没有增加；当竹纤维的添加量增加到 1.0%时，混凝土的强度明显下降。由此可见，在混凝土中增加竹纤维的含量只达到一定的比例，对混凝土的抗压强度影响不大，之后增加纤维含量可能导致强度下降5。时间/天竹纤维含量0抗压强度/MPa图 2 竹纤维含量对抗压强度影响变化图4.2 抗弯强度评价竹纤维混凝土抗弯程度时，可以用韧度指数与韧度比来表示，公式如下：e2TlF=bh（2）eefFRF=（3）其中：Fe为竹纤维混凝土的韧度指数；T 为相应的荷载-挠度曲线包括的面积；b 为竹纤维混凝土的宽度；h 为竹纤维混凝土的高度；l 为竹纤维混凝土的跨度；Re为竹纤维混凝土的韧度比；Ff为竹纤维混凝土的初时抗弯强度。竹纤维含量对抗弯强度的影响变化如图 3 所示。在相同纤维长度的情况下，竹纤维混凝土抗折强度随竹纤维掺合量的增加而提高。在纤维长度不变（5 cm），竹纤维含量小于 3%的情况下，竹纤维混凝土的抗弯强度提升不多。但竹纤维的增加明显改善了竹纤维混凝土的韧竹纤维混凝土的抗弯强度小幅度提升。4.3 抗拉强度纤维间隙理论可以测试含有竹纤维的混凝土的抗拉强度。当外力作用于混凝土时，混凝土中巨大的应力集中会导致缺陷和裂缝，最终导致混凝土失效。竹纤维添加到混凝土中，可以防止混凝土出现裂缝和缺 材料及应用 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料80陷，并加强混凝土的抗拉性能。竹纤维体积含量对抗拉强度的影响变化如图 4 所示，竹纤维的体积率并不是越大越好。相对于添加混凝土中的竹纤维含量，竹纤维体积率由 0 增加至 0.6%时，抗拉强度由 2.31 MPa 增加至 2.62 MPa，增幅为13.4%；体积率为 1.2%时，抗拉强度增幅为 20.3%；体积率为 1.4%时，增幅为 25.5%；体积率为 1.6%时，增幅为 12.5%。0.2%03.02.50.4%0.6%0.8%1.0%1.2%1.4%1.6%1.8%抗拉强度/MPa竹纤维混凝土体积含量图 4 竹纤维体积含量对抗拉强度的影响变化图竹纤维体积率由 0.6%增加至 1.2%时，抗拉强度相对增幅为 6.9%；体积率由 1.2%增加至 1.4 时，抗拉强度的相对增幅为 5.2%；而体积率由 1.4%增加至1.6 时，抗拉强度反而大幅下降，增幅为-13%。竹纤维体积占比增加有利于抗拉伸强度的增大，但达到一定临界值后，继续增加竹纤维素会削弱竹纤维混凝土性能。5 提升竹纤维混凝土材料性能的措施目前，提升竹纤维混凝土材料性能的措施分为物理与化学方法，物理改性可以改变竹纤维的内部结构与表面特点，实现竹纤维整体性能不发生变化，有效地增大竹纤维与混凝土之间的界面附着力，改进机械咬合力；化学改性可以去除竹纤维的成分（半纤维素、木质素等），使竹纤维裸露在表面，增加表面的粗糙感，增大接触表面积，实现界面附着力的改善。（1）物理改性。热处理方法利用加热从竹纤维中去除半纤维素等物质。在高温下，竹纤维成分之间会引起反应，竹纤维的结构与表面特性发生变化。蒸汽喷射工艺是热力学化学处理结合的工艺，在高压和高温下，蒸汽和相关试剂渗透到竹纤维中，利用加热与喷射工艺将材料进行机械降解。（2）化学改性。碱性处理是应用广泛的处理方法。碱性处理可以破坏拆分竹纤维中的结构氢键，使纤维素解聚，并裸露出微晶，实现增加表面粗糙度的效果。碱性处理可以减少竹纤维的表面直径，增加长宽比并使竹纤维表面粗糙化，加强了竹纤维和基材之间的界面结合。硅烷黏合剂通过迫使竹纤维粘附在水泥基体上使复合材料稳定，减少了纤维素在纤维基质界面的羟基数量。硅烷醇与竹纤维发生羟基反应并在细胞壁中形成共价键，通过硅烷烃链形成的交联网络抑制竹纤维的膨胀。6 结束语竹纤维做为广泛使用的可再生资源，是一种环境友好型材料。由于其优良的机械性能、易于加工和环境友好性等优点，开始被用作混凝土的加固材料。添加竹纤维可以显著改善混凝土的抗拉和抗折强度特性，增加其延展性和韧性，并为传统混凝土的加固提供了一个新的方向。参考文献1 陈季荷,顾少华,李明鹏,等.竹纤维增强聚合物基复合材料性能及应用J.世界竹藤通讯,2022,20(4):18-23.2 张杰,黄斐,刘文地,等.改性竹纤维加气混凝土的制备与界面特性J.建筑材料学报,2022,25(7):686-692.3 BANGALY K.竹纤维增强混凝土轨枕力学特性研究D.北京:北京交通大学,2021.4 熊灵.基于ANSYS的竹纤维混凝土力学性能的有限元分析D.成都:成都理工大学,2017.5 魏洋,周梦倩,纪雪微,等.竹-混凝土组合梁的受弯性能J.西南交通大学学报,2017,52(6):1148-1155.067893%5%7%抗弯强度/MPa竹纤维含量竹纤维长度图 3 竹纤维含量对抗弯强度的影响变化图