张天宇ZHANG Tian-yu；程旭龙CHENG Xu-long；张波ZHANG Bo；王超宇WANG Chao-yu；王虎WANG Hu；邓青慧DENG Qing-hui；李俊航LI Jun-hang

（陕西理工大学土木工程与建筑学院，汉中 723000）

0 引言

混凝土材料因其良好的经济性能和力学性能被广泛应用于建筑工程领域，但混凝土具有抗拉强度底、易开裂等缺点，不断加速着混凝土行业的革新。随着城市化和建筑行业的不断发展，对新型混凝土的需要愈发强烈，发展绿色且综合性能优良的混凝土材料已经成为混凝土材料研究和发展的重要和必然的发展方向。科研学者们发现在混凝土中加入纤维材料能够有效提高其抗劈裂性能进而缩小裂缝宽度，纤维混凝土逐渐替代钢筋混凝土和预应力混凝土成为新的发展方向[1]。随着纤维混凝土制作方式的不断改良，其在公路、建筑、桥梁等诸多工程领域均有使用。

植物纤维是种子植物中一种常见的厚壁纤维，其具有一定的机械支撑作用。最早在1910 年美国学者H.F.Porter[2]便提出了要研究掺有植物纤维的新型混凝土，我国植物纤维混凝土研究发展较慢，1988 年才初次提出这一课题，随后国内研究学者将麦秸、玉米杆、稻草、棉秆等绿色环保材料加入混凝土中并研究其工程性能。聚乙烯醇（PVA）纤维是一种新型化学复合纤维材料，其与混凝土具有较强的粘结性[3-5]。

本文以再生骨料为基础材料，分别加入剑麻纤维、PVA 纤维、以及双掺剑麻纤维和PVA 纤维，制作混凝土试块，研究其力学性能。

1 试验材料

1.1 剑麻纤维

剑麻纤维具有良好的弹性、质地坚韧、拉力强、耐磨耐腐蚀、吸湿放湿快，是很好的环保材料。试验中用的纤维长度为12mm，剑麻纤维性质如表1 所示。

表1 剑麻纤维性质

1.2 PVA 纤维

聚乙烯醇纤维，简称PVA 纤维，是采用的先进技术合成的一种合成高分子纤维。PVA 纤维强度高、模量高、具有很强的耐酸碱腐蚀性而且与水泥、塑料等有很好的亲和力与分散性，对人体无毒也不会危害环境。试验中采用的是长度12mm，直径31um 丝状的PVA。将PVA 纤维的性能如表2 所示。

表2 PVA 纤维性能

1.3 粗、细骨料

试验中采用的骨料分为两种，一种为天然碎石骨料，另一种为再生骨料。粗骨料由普通碎石骨料和再生混凝土骨料构成，普通碎石骨料的粒径是4.75-19mm 连续级配，其中，16-19mm 的累计筛余5%，9.5-16mm 的累计筛余60%，4.75-9.5mm 的累计筛余100%，堆积密度是1.51g/cm3，振实密度1.60g/cm3；再生骨料的粒径为4.75-19mm，再生骨料是从本学院混凝土强度为C30 的梁结构试验废料中取得，经人工敲碎筛分而成。细骨料砂，试验用的是河砂，其表观密度2.61g/cm3，用的是晒干的砂含水率可认为0，堆积密度是1.53g/cm3，振实密度是1.65g/cm3。

1.4 水泥

试验水泥采用P·O42.5 的普通硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料、6%-20%混合材料，适量石膏磨细组成的水硬性胶凝材料，水泥的各项指标都符合规定。

1.5 水

普通自来水。

2 试验设计

2.1 试验方案

主要设计了掺入体积掺量3.9kg/m3的PVA 纤维，再生骨料取代率为10%的混凝土试块、掺入体积掺量为1.5kg/m3的剑麻纤维，再生骨料取代率为10%的混凝凝土试块、两种纤维都掺入的再生混凝土试块及一组再生骨料取代率为10%的混凝土试块，四组试块。试件类型分别为YB、PJ、MJ、ZJ。每组制备9 块试块，3 块为7d 抗压、3 块为7d 劈裂以及及备用3 块，每3 个试块进行3 次平行试验，具体见表3。试验结果按规定删除异常值取有效平均值。利用控制变量法分别对再生混凝土内的两种纤维的加入对其抗压、劈裂强度的影响。

表3 试件表

2.2 材料配比

混凝土的设计强度是C30，其各项材料的配合比参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，详见表4。

表4 混凝土配合比

各个成分的配合比为水泥∶碎石∶砂∶水=1∶3.32∶2.21∶0.60，选取的试块大小为100mm×100mm×100mm，水灰比为0.6。

3 试验结果与分析

3.1 力学性能分析

按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GBT 50081-2019)，对四组试块的7d 抗压强度和7d 劈裂强度进行测试，具体见表5、表6、图1 以及图2。通过分析可知：

表5 7d 抗压强度

表6 7d 劈裂强度

①掺入纤维后，纤维再生混凝土抗压强度与素再生混凝土抗压强度相比较有所减少。但减少的程度都不算大。经计算得出：与YB 试件相比，PJ、MJ、ZJ 试件抗压强度分别降低了11.5%、17.2%、22.6%；PJ 试件与ZJ 试件相比较，ZJ 试件抗压强度降低了12.6%；MJ 试件与ZJ 试件相比较，ZJ 试件抗压强度降低了6.5%。

②掺入纤维后混凝土劈裂强度有着增长的情况。而且双掺剑麻纤维和PVA 纤维的再生混凝土比另外两种单掺纤维的混凝土的劈裂强度高。经计算得出：在劈裂强度上，与YB 试件相比，PJ、MJ、ZJ 试件劈裂强度分别提高了8.3%、11.7%、20.9%；ZJ 试件与PJ 试件相比较，ZJ 试件劈裂强度提高了11.6%。ZJ 试件与MJ 试件相比较，ZJ 试件劈裂强度提高了8.3%。

综上所述，在抗压强度方面，以素再生混凝土的抗压强度为标准，单掺PVA 纤维，抗压强度会有所下降；单掺剑麻纤维，抗压强度也会下降且下降幅度大于单掺PVA纤维的混凝土试块；双掺PVA 纤维和剑麻纤维，抗压强度也是在下降且下降幅度要大于单掺PVA 纤维和单掺剑麻纤维的混凝土试块。

在劈裂强度方面，以素再生混凝土的劈裂强度为标准，单掺PVA 纤维，劈裂强度会有所上升；单掺剑麻纤维，劈裂强度也会上升且上升幅度大于单掺PVA 纤维的混凝土试块；双掺PVA 纤维和剑麻纤维，劈裂强度也是在上升且上升幅度要大于单掺PVA 纤维和单掺剑麻纤维的混凝土试块。

3.2 破环形态分析

如图3 四种试块的抗压破坏形态可知，未加入纤维的试块有明显的环箍效应，由于混凝土试块在压力试验机作用下受到压力试验机荷载，在荷载作用下，压板的横向应变小于混凝土横向应变，因而上下两板与试件上下表面之间产生的摩檫力对试件横向膨胀起着约束作用使测得混凝土试件强度值高，而图3（b）、（c）、（d）中所示试块并未有明显的环箍效应。

如图4 四种试块的劈裂破坏状态可知，未加入纤维的试块直接劈裂为两半，而掺入纤维的试块并未劈裂为两半，裂开的混凝土部分被纤维连在一起，能够很清晰的看见裂缝中的纤维，处于“藕断丝连”的状态。加入纤维比未加入纤维的试块劈裂强度高的原因为：试块虽然开裂，但是纤维并未拉断使得劈裂强度提高。

4 结论

根据以上实验结果得出以下结论：

①在再生混凝土中掺入PVA 纤维和剑麻纤维，不论是单掺还是双掺都会或多或少的降低抗压的强度。

②双掺纤维使得总的纤维体积率变大，使得双掺的抗压强度最低。

③在再生混凝土中掺入PVA 纤维、剑麻纤维、以及双掺纤维使得劈裂强度增大，且双掺剑麻纤维和PVA 纤维的再生混凝土比另外两种单掺纤维的混凝土的劈裂强度高。