黄麻纤维改善混凝土性能：提高混凝土的韧性，防止收缩开裂

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«——【·前言·】——»

混凝土是一种常用的建筑材料，在各种建筑结构中都有广泛的应用。传统的混凝土存在易开裂、低韧性、易碳化等一些问题，因此，如何改善混凝土的性能一直是建筑工作者关注的热点问题。

(资料图片)

为了解决这个问题，研究人员开始尝试使用不同的添加剂来改善混凝土的性能，其中包括纤维增强剂。

黄麻纤维作为一种新型的纤维材料，以独特的形态和性质，使它成为一种非常具有潜力的混凝土增强剂。

«——【·实验研究材料·】——»

实验采用了52.5N级别的CEM I类水泥，并按照ASTM C33标准中的要求选用细骨料和粗骨料，下面的表中展示了细骨料和粗骨料的特性。

这些骨料收集自孟加拉国东北地区，在实验中使用了改良型聚羧酸基缓凝减水剂，可以显著降低混合水用量并保持减缓凝结控制。

用“Tossa”黄麻作为样品，被切割成20毫米和25毫米长度。以黄麻纤维占水泥质量0.1％、0.2％、0.3％和0.4％的比例，以研究纤维增强混凝土的力学性能和收缩特性。

先将黄麻纤维分离并浸泡在自来水中，这样可以软化纤维并消除粗毛尘。洗涤和浸泡重复进行了三次，然后用钢梳手工将纤维梳直，再把湿润的纤维放在野外，来去除大部分水分。

另一部分黄麻纤维在常温条件下，浸泡在10%（w/v）的氢氧化钠溶液中进行碱处理。天然纤维的极性化学性质和结构，与水泥混凝土的极性相互作用，这个概念证明了水泥混凝土的加强作用。

«——【·混合设计和混凝土制备·】——»

混凝土配合比设计遵循美国混凝土协会的标准，在这次的实验中，混凝土的目标28天抗压强度为28 MPa，安全系数为8.5 MPa，坍落值在100-125毫米之间，详细的配合比数据在下面的表格中。

使用了四种不同的纤维体积分数，分别为0.1％、0.2％、0.3％和0.4％，其中有一部分纤维是经过氢氧化钠溶液处理后使用。

黄麻纤维分别用25毫米和20毫米长度，研究JFRC的特性和收缩性能，收缩试验是在混凝土板试样上进行的。

制作的板材被保存在40±2℃左右，约60％的相对湿度下。在受控的实验条件下形成的收缩裂缝，在板面上进行图像处理分析。

在板模具内放置了一层薄的聚乙烯膜，尺寸为500×250×75毫米，以减少混凝土和木板之间的基础摩擦。

浇筑后混凝土板立即存放在一个受控环境室内，室内配备有高速电动风扇，以加快混凝土干燥并管理温度和湿度。

«——【·裂缝观察和劈裂拉伸强度·】——»

每隔半个小时对浇筑后的板材进行目测，检查是否有开裂情况，同时使用高质量数码相机捕捉裂缝图像。

抗压强度测试遵循了ASTM C39的标准，使用压缩试验设备对153个圆柱形混凝土试样（Ø150×300毫米）进行了测试，其中载荷以均匀且恒定的速率（0.15-0.35 MPa / s）施加。

混凝土样品的抗压强度在养护7、14和28天后进行测量，在施加压力之前先测量试件的直径。

与抗压强度测试相同，劈裂拉伸强度测试也使用了153个立方体试样（150毫米）进行。纤维体积、长度和处理条件与抗压强度测试保持一致。试件在测试进行之前一直在水下养护，养护时间为7、14和28天。

测试按照EN 12,390–6的规定进行，将一个立方混凝土试样（150毫米）放置于压缩机内，整个过程向立方样品中施加径向压缩力。劈裂拉伸强度测试的结果，间接表明了混凝土的拉伸性能和剪切阻力。

轴承条被放置在机器和试件的上下轴承块内，然后以恒定速率（0.04 MPa/s 到 0.06 MPa/s）施加负荷，直到发生破坏。

这种负载在加载平面上产生拉应力，因此发生拉断破坏而不是压缩破坏。劈裂拉伸强度，由记录到的最大负荷除以适当的几何因素来计算。

«——【·抗压强度·】——»

下图显示了在混凝土中添加不同体积分数（0-0.4%）J25纤维，在不同龄期（7、14和28天）的抗压试验结果。

随着纤维的添加，早期龄期（7和14天）的抗压强度降低。但是，在标准养护28天后，情况有所改善。

使用氢氧化钠处理过的纤维，养护28天后的强度略有增加或减少。未经处理的0.1％纤维含量混凝土的抗压强度，在28天养护期间里，比控制混凝土增加了7％。与未经处理的纤维相比，纤维混凝土的整体强度略高于控制混凝土。

经处理的纤维混凝土，在14天和28天养护期间的强度，高于控制混凝土0.1％纤维。

但是，随着纤维含量的增加（0.2、0.3和0.4％），28天龄期下的强度相对于控制混凝土降低了（3-8％）。纤维含量的增加，压实可能会产生干扰，从而降低早期龄期的强度。

增加纤维含量会导致更多的界面表面键合，这些键合可能会在早期变弱，但会随着持续的水化反应和孔隙堵塞，而变得更强。

未经处理的纤维与经过处理的样品相比，它的表面较粗糙，这可能有助于更好地连接混凝土基质，而不像处理后的纤维表面光滑。

在混凝土中使用聚丙烯纤维（>0.1％）会略微降低其抗压强度。然而，与处理后的黄麻纤维相比，该纤维更加清洁，表面更加光滑。

下图显示了经处理/未经处理的J20纤维，在不同龄期（7天、14天和28天）添加0-0.4%体积分数后，所得到混凝土的抗压试验结果。

与J25纤维混凝土相比，未经处理纤维0.4％含量的混凝土，在7天和14天的抗压强度，和控制混凝土相比，降低了11％和5.5％，但比经处理的纤维高17％和7％。

添加0.2％以下未经处理粗糙纤维的混凝土，在28天时压缩强度与每个龄期相比均类似或略高。经处理的纤维在28天时也表现出类似的趋势，但抗压强度稍低于控制混凝土。

«——【·拆裂拉伸强度·】——»

未经处理的J25纤维混凝土，拆裂拉伸强度在7、14和28天时的结果如图所示。在每种情况下，纤维混凝土的拆裂拉伸强度均高于控制混凝土。在7天养护期内，与控制混凝土相比，拆裂拉伸强度最大增加了四分之一。

0.1％-0.3％纤维含量的混凝土，与控制混凝土相比，表现出逐渐增加的强度。随着纤维含量的增加，在28天的养护期内，拆裂拉伸强度逐渐提高。

在28天的养护期内，0.4％的纤维含量使拆裂拉伸强度最高提高19％，相比之下，控制混凝土的强度没有提高。

上面这张图显示了经过处理的J25黄麻纤维混凝土，在7、14和28天时的拆裂拉伸强度。

和未经处理的纤维相比，在7天养护期内，0.2％FRC的拆裂拉伸强度最大增加了24.5％。在每种情况下，纤维混凝土的拆裂拉伸强度均高于控制混凝土。

拆裂拉伸强度在28天的养护期内逐渐增加，与控制混凝土相比，0.4％的纤维含量使拆裂拉伸强度，在28天时最高提高16.0％。

未经处理和经过处理的J20 JFRC，在7、14和28天时的拆裂拉伸强度相比，纤维混凝土的强度高于控制混凝土。然而，与J25纤维相比，没有明显的趋势。

纤维含量增加时，拆裂拉伸强度在7天和28天时有所降低，但是未经处理的纤维在14天时呈逐渐增加趋势。

早期由于绑定材料的反应微不足道，因此强度不如预期。这表明纤维和粘合矩阵之间的结合较弱，因此数据散布大。随着养护时间的增加，纤维与粘结剂之间的黏附性得到改善，表现出了预期的行为。

«——【·收缩裂缝面积·】——»

黄麻纤维对新鲜混凝土的收缩裂缝具有有效的减缓作用，将0.1-0.4%的纤维添加到普通混凝土中，可明显减小裂缝宽度。

添加纤维后，由于纤维的桥接作用，整体裂缝面积减小。图上的虚线显示了没有黄麻纤维控制混凝土的裂缝面积。在混凝土中增加纤维含量后，裂缝的范围显著减小。

与压缩和劈裂拉伸强度测试结果一样，未经处理的纤维比经过处理的纤维更有效地减少收缩裂缝。

在每个纤维含量（%）相似的情况下，两种尺寸（长度）的纤维表现相似。然而，J20纤维长度较小，在相同体积分数下，预计其分散性比J25纤维更好。

这可能导致其抗收缩裂缝性能更佳，使用0.4%（体积比）纤维，控制混凝土相比，J20纤维的塑性收缩裂缝减少了62%。

«——【·收缩裂缝宽度·】——»

随着添加纤维，裂缝宽度也得到了减小，使用纤维显著减小了裂缝宽度，和整体裂缝面积。增加纤维含量可减小它们之间的间距，同时降低开裂的倾向。

下图显示由塑性收缩引起的最大裂缝宽度，在未经氢氧化钠处理的J20纤维条件下，裂缝宽度减少了17%至62%。

在未添加纤维的普通混凝土中，最大裂缝宽度为1毫米。随着添加纤维，裂缝宽度得到了减小。与裂缝面积一样，J20纤维的裂缝控制特性优于J25纤维。

随着纤维数量的增加，最大裂缝宽度也减小了，使用黄麻纤维以减少裂缝宽度，导致整体裂缝面积显著减少。

«——【·结论·】——»

J20纤维在经过氢氧化钠处理的条件下，裂缝宽度减少10%-49%。J25纤维的裂缝宽度减少了1%-30%，经过氢氧化钠处理的J25纤维减少了4%-32%。

因此，可以得出结论：相对于J25纤维，J20纤维在减少收缩裂缝方面表现更好。

氢氧化钠处理对于裂缝桥接并没有帮助，这与之前针对强度特性所注意到的原始纤维与混凝土的更好粘合有关。

相比未添加纤维的普通混凝土，聚丙烯纤维的添加显著减少了塑性收缩裂缝（50%-99%）。根据相关建议，塑性收缩裂缝的宽度不应超过3毫米，实验中所有混凝土样品符合建议值。

所以，添加纤维可以减小裂缝宽度，纤维可以作为裂缝桥接机制，有助于防止收缩开裂。

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