王 倩，李建成

(1.武夷学院土木工程与建筑学院，武夷山 354300；2.闽北山地地质灾害防治福建省高校工程研究中心，武夷山 354300)

随着建筑业的发展，水泥基材料已成为应用最广的建筑材料[1]。水泥基材料抗压强度高，但抗拉强度低、延性小、抗裂性差[2，3]。材料届专家一致认为在水泥基材料中掺加纤维是解决其上述缺点的有效方法。目前全球面临资源短缺和环境恶化等问题，对人类可持续发展带来了巨大威胁。因此，寻找可再生的绿色环保纤维来代替传统纤维成为发展趋势。竹纤维作为一种环保友好型且可再生的资源，与传统的增强纤维相比，具有来源广、密度小、再生快、力学性能高等优点[4，5]。目前竹纤维用于水泥基材料的研究很少。为了研究竹纤维加入水泥基材料的工作性能、干表观密度和力学性能，论文通过设计正交试验的方法，确定三个不同的因素(竹纤维掺量、竹纤维长度、水灰比)，每个因素设置三个水平。通过试验，对其结果进行极差分析，找出对其有显著性影响的因素。探索不同的因素、不同的水平对竹纤维材料的工作性能、干表观密度和力学性能的影响规律，为竹纤维在水泥基材料中进一步使用提供依据。

1 实 验

1.1 原材料

胶凝材料采用江西省玉山万年青水泥股份有限公司生产的PO42.5普通硅酸盐水泥，水泥的比表面积为358 m2/kg。

竹纤维采用福建省海博斯化学技术有限公司生产的竹纤维，平均直径30.5 μm，密度1.57 g/cm3。

砂采用厦门艾斯欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。

1.2 正交试验方案

通过预试验，初步设定竹纤维的掺量为胶凝材料质量的1%、3%、5%三个水平，竹纤维长度为2 mm、5 mm、8 mm三个水平。水灰比为0.5、0.55、0.60三个水平。根据三个因素三水平且不考虑各因素之间的交互作用，该试验采用L9(34)的正交表。正交因素水平表见表1，正交试验设计见表2。

表1 正交因素水平表

表2 正交试验设计

2 物理性能结果及分析

2.1 工作性能

在预试验中，首先试拌竹纤维掺量为3%和5%的水泥基材料试件，在材料搅拌过程中，发现3%和5%掺量的竹纤维水泥基材料扩展度均小于180 mm，且流动性较差，属于偏干性砂浆。故通过添加减水剂来调整材料的流动性，减水剂的量以扩展度达到设计值为准，且同时观察砂浆的流动性和有无泌水情况，以保证材料满足工作性能。正交试验中竹纤维掺量为1%、3%和5%，水灰比均为0.55时，测得的扩展度分别为173 mm、171 mm和164 mm，且无泌水现象，流动性符合要求。

2.2 干表观密度

制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的竹纤维水泥基材料试件，对每组试件标准养护到28 d后进行烘干，测定其干表观密度，其测试结果见表3。

表3 干表观密度试验结果

由表3可知，竹纤维掺量越大，试件的干表观密度越小，同等竹纤维掺量下水灰比越大，试件的干表观密度越小。对干表观密度结果进行极差分析，分析结果见表4。

表4 干表观密度极差分析

由表4可以看出，竹纤维掺量极差最大，然后是水灰比，竹纤维长度极差最小。由此说明，各因素对干表观密度影响的显著性由大到小为竹纤维掺量>水灰比>竹纤维长度。这说明对于干表观密度的影响，A因素竹纤维掺量起主要作用，B因素水灰比起次要作用，竹纤维长度对干表观密度影响不显著。干表观密度越小，材料越轻质。对于干表观密度最小的组合为A3B3C3。

1)竹纤维掺量对水泥基材料干表观密度的影响

由表4可知，对于A因素竹纤维掺量，干表观密度呈现逐渐降低的趋势。竹纤维掺量为1%时，干表观密度为2.112 g/cm3；竹纤维掺量为3%时，干表观密度为2.032 g/cm3；当竹纤维掺量增大至5%时，干表观密度降到最小值，为1.976 g/cm3。这时干表观密度最小值与最大值相比，降低了6.4%。这是因为竹纤维的密度小于水泥基材料的密度，在配制相同体积的试块时，竹纤维越多，取代水泥基材料的体积量就越多，试块的质量越小，干表观密度也越小。

2)竹纤维长度对水泥基材料干表观密度的影响

对于B因素竹纤维长度，对干表观密度的影响最不显著。这主要是因为竹纤维影响水泥基材料的密度是以取代水泥基材料的质量为影响的，竹纤维长度只能略微地影响其在水泥基里的密实性。竹纤维长度越短，其在水泥基材料中分布越均匀，密实性越高，孔隙率越低，干表观密度越大，但竹纤维长度总体上对干表观密度的影响不大[6]。

3)水灰比对水泥基材料干表观密度的影响

对于C因素水灰比，干表观密度随着水灰比的变大逐渐变小，水灰比越大时，干表观密度越小。这是因为水泥水化所用水量是一定的，水灰比越大，水泥水化完成后需蒸发的水分就越多，水分蒸发后在水泥基体中留下的孔洞和孔隙越多，造成材料孔隙率高，密实度小，所以干表观密度就小。

3 力学性能结果及分析

对试件进行7 d、28 d的抗压强度和抗折强度测试，其测试结果见表5。由表5可以看出，总体上竹纤维水泥基材料的强度值都比较高。竹纤维掺量越小，强度值越大；同等竹纤维掺量下，水灰比越小，强度值越大。

表5 材料的抗压强度及抗折强度

3.1 抗压强度影响因素显著性分析

对正交试验中各组试件7 d和28 d抗压强度进行极差分析，分析结果见表6。

表6 抗压强度极差分析

由表6可以看出，对于7 d抗压强度，水灰比的极差最大，然后是竹纤维掺量，竹纤维的长度极差最小。由此说明，各因素对7 d抗压强度影响的显著性由大到小为C>A>B。对于7 d抗压强度最优组合为A1B2C1。

对于28 d抗压强度，竹纤维掺量的极差最大，然后是水灰比，竹纤维的长度极差最小。由此说明，各因素对28 d抗压强度影响的显著性由大到小为A>C>B。对于28 d抗压强度最优组合为A1B2C1。三因素对于7 d和28 d抗压强度影响的显著性虽然不一致，但7 d和28 d抗压强度最优组合均为A1B2C1。

1)竹纤维掺量对水泥基材料抗压强度的影响

7 d、28 d抗压强度随着纤维掺量的增大均呈现降低的趋势。7 d抗压强度最小值与最大值相比，下降了18.9%；28 d抗压强度最小值与最大值相比，下降了26.7%，下降幅度明显。这是因为竹纤维表面含有蜡质，降低了与水泥基材料界面的结合，使得抗压强度变低。竹纤维吸水量大，当水灰比一定时，使得水泥基材料中用于参与水化的水分少，降低了水泥基材料中水泥的水化速率，使得强度降低。竹纤维材料的抗压强度低于水泥基材料的抗压强度，当竹纤维掺量大时，竹纤维取代水泥基材料越多，而竹纤维在水泥基材料中的体积越大，竹纤维水泥基材料承受压应力的能力就越弱，使得抗压强度变小。随着竹纤维掺量的增加，竹纤维与水泥基体之间的粘结处形成界面区，该区域与水泥基体相比，孔隙率高，结构疏松，形成了材料的薄弱区，当材料受到外力作用时，薄弱区首先受到破坏，从而导致材料试件的抗压强度降低。

2)竹纤维长度对水泥基材料抗压强度的影响

7 d、28 d抗压强度呈现先微增再微降的趋势。7 d抗压强度最小值与最大值相比下降了7.3%；28 d抗压强度最大值与最小值相差0.9%，强度变化不大。说明竹纤维长度对于抗压强度指标的影响不大。

3)水灰比(W/C)对水泥基材料抗压强度的影响

水灰比对水泥基材料抗压强度影响很大，7 d、28 d抗压强度随水灰比增大强度呈现明显降低的趋势。7 d抗压强度最小值与最大值相比下降了20.4%；28 d抗压强度最小值与最大值相比下降了16.7%，下降幅度较明显。说明水灰比对于抗压强度指标的影响较显著，对于抗压强度水灰比在测试范围内越小越好。

3.2 抗折强度影响因素显著性分析

对正交试验中各组试件7 d和28 d的抗折强度进行极差分析，具体分析结果见表7。

表7 抗折强度极差分析

由表7可以看出，竹纤维掺量的极差最大，第二是水灰比，极差最小的是竹纤维长度。由此说明，各因素对7 d、28 d抗折强度影响的显著性由大到小为A>C>B。这说明对于抗折强度的影响，竹纤维掺量起主要作用，水灰比起次要作用，竹纤维的长度影响最小。

三因素对于7 d和28 d抗折强度影响的显著性是一致的，均是竹纤维掺量>水灰比>竹纤维长度，7 d和28 d抗折强度最优组合均是A1B2C1。这与抗压强度结果是一致的。

1)竹纤维掺量对材料抗折强度的影响

7 d、28 d抗折强度随纤维掺量的增大呈现降低的趋势。7 d抗折强度最小值与最大值相比下降了28.1%，28 d抗折强度最小值与最大值相比下降了23.2%，下降幅度明显。说明竹纤维掺量对于抗折强度指标的影响很大。

水泥基材料是抗压强度高、抗折强度低的脆性材料，在很小的拉应力下就可以产生裂缝并造成破坏，而竹纤维是一种韧性材料，有比较好的抗拉强度。在试件受到抗折破坏时，竹纤维能吸收部分能量和水泥基共同承担拉应力，抑制裂缝的产生和发展[7]。但竹纤维与钢纤维等这些纤维相比，抗拉强度偏低，且加入竹纤维后，竹纤维与水泥基的交界处容易产生孔隙和缺陷，造成结构疏松的薄弱层，使得竹纤维带来的增强效应小于引起的负面效应，故加入竹纤维后抗折强度也不高。当竹纤维掺量太大时，水泥浆不足以包裹全部的竹纤维，使得竹纤维与水泥基体之间的粘结力降低，使抗折强度进一步降低。

2)竹纤维长度对水泥基材料抗折强度的影响

7 d、28 d抗折强度随着竹纤维长度均呈现先微增再降低的趋势，且抗折强度随竹纤维长度变化幅度不大。说明竹纤维长度对于抗折强度影响不显著，抗折指标的最优选择是长度为5 mm。

3)水灰比对水泥基材料抗折强度的影响

7 d、28 d抗折强度随水灰比增大变化不大，强度均呈现略微降低的趋势。说明水灰比对于抗折强度指标的影响不显著。

4 结 论

a.各因素对力学性能的显著性由大到小为竹纤维掺量、水灰比和竹纤维长度。竹纤维掺量起主要作用，水灰比起次要作用，竹纤维长度影响最小。对于力学性能最优组合为竹纤维掺量为1%、水灰比为0.5、竹纤维长度为2 mm，此时，7 d抗压强度为26.8 MPa，抗折强度为4.8 MPa；28 d抗压强度为43.6 MPa，抗折强度为6.7 MPa，总体上试件强度值都比较高。

b.各因素对干表观密度影响的显著性由大到小依次为竹纤维掺量、水灰比和竹纤维长度。干表观密度最优组合为竹纤维掺量为5%、水灰比为0.6、竹纤维长度为5 mm，此时干表观密度为1.951 g/cm3，可满足降低材料密度，满足轻质的要求。

c.根据正交试验，可得出力学性能最优组合都是A1B2C1，而干表观密度的最优组合与力学性能的最优组合刚好相反，最优组合为A3B3C3。具体的最优组合可在应用时根据满足力学性能要求的前提下，选取最小的干表观密度，满足轻质的要求。