土木工程中竹纤维混凝土材料的性能分析_康春祥.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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/m
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