植物纳米纤维混凝土力学性能试验

摘要：按照纳米纤维掺量为0.1%、1%、3%，制作了36个150mm×150mm×150mm立方体试块和12个100mm×100mm×400mm小梁，分别进行抗压、劈裂和抗折试验。结果表明纳米纤维对抗压和劈裂强度提高明显，最高分别达到15.7%、19.2%；而抗折强度提升不大，且略有波动。后期掺纳米纤维混凝土力学性能及耐久性研究提供了一定参考。

关键词：纳米纤维；力学性能；混凝土

引言

从波特兰水泥诞生到混凝土产生[1]，混凝土广泛应用到建筑、水利等大型基础设施建设之中，在国民经济建设中发挥着重要作用[2-3]。但是，普通混凝土具有抗压性强、抗拉抗裂性差、易于干缩开裂、韧性差、抗疲劳能力差等特性，如何提高混凝土的抗裂、抗拉等方面的性能是很长一段时间科研工作者研究的课题。文献[4-10]研究钢管混凝土、外包碳纤维混凝土等提高混凝土的抗裂等性能；文献[11-14]研究钢纤维混凝土提高混凝土的力学性能。上述都是从宏观和细观方面，改善混凝土的力学特性。Obinna等[15-17]把纳米纤维掺入水泥基当中，研究其力学特性改善情况，但是把植物纳米纤维掺入到混凝土中除了Peters等[18]作了初步研究之外，尚未发现其他研究。为了探讨纳米纤维掺入混凝土对其力学性能的改善情况，本试验设计了植物纳米纤维混凝土力学性能试验，以期研究混凝土微观复合下力学性能的改善情况。

1原材料及配合比设计

1.1水泥

本次试验水泥采用新乡水泥厂生产的强度等级为P•O42.5R级水泥，其性能指标如表1。

1.2砂和石子

本试验采用开封市龙亭区建材市场的黄河砂，其级配如表所示，其物理性能指标如表2、3所示。本试验采用的粗骨料是开封市龙亭区建材市场的机械碎石，其性能指标如表4所示。

1.3纳米纤维

本试验采用的外加剂是纳米纤维素是从甘蔗渣等中提取而成，是一种无色的胶状液体。

1.4配合比设计

本次试验采用质量计量法对混凝土配合比配制[19]，混凝土强度包括C20和C25。纳米纤维按照外加剂掺入，其掺量按水泥质量的0.1%、1%、3%三种情况计算，具体配合比如表5所示。

2试验方案及试验结果

2.1试件编号

为了更好的开展抗压、劈裂和抗折试验，对混凝土试块进行了编号，具体编码见表6。

2.2试验方法

按照试验设计方案，进行立方体抗压强度，劈裂强度和抗折强度试验，具体操作方法见《普通混凝土力学性能和数字为纳米纤维的产量，F1为0.1%，F2为1%，F3为3%；第三个字母为试验方法，C为抗压试验，S为劈裂试验，F为抗折试验。

3试验结果分析

图1、2为C20和C25混凝土掺入纳米纤维抗压强度对比图，从图中可以看出添加浓度为0.1%的纳米纤维素对强度等级为C20混凝土抗压能力提升最多，增幅达15.7%；添加浓度为1%的纳米纤维素对混凝土抗压能力提升12.8%；添加浓度为3%的纳米纤维素对混凝土抗压能力提升9.2%。在本试验中添加浓度为1%的纳米纤维素对强度等级为C25混凝土抗压能力提升3.3%。总之，纳米纤维素的添加能够提高混凝土抗压能力。图3、4为C20和C25混凝土掺入纳米纤维劈裂强度对比图，从图中可以看出添加浓度为1%的纳米纤维素对强度等级为C25混凝土抗压能力提升最多，增幅达19.2%；添加浓度为0.1%的纳米纤维素对强度等级为C20混凝土抗压能力提升1.4%，添加浓度为3%的纳米纤维素对强度等级为C20混凝土抗压能力提升7.7%，而添加浓度为1%的纳米纤维素对强度等级为C20混凝土抗压能力却略有降低4.5%。总之，纳米纤维素的添加对混凝土劈裂抗拉能力有提升作用，但在掺量为1%的C20混凝土中出现略有降低现象。图5为C20混凝土掺入纳米纤维抗折强度对比图，从图中可以看出添加浓度为0.1%的纳米纤维素会使强度等级为C20混凝土抗折能力提升6.7%；添加浓度为1%的纳米纤维素会使混凝土抗折能力降低5.7%；添加浓度为3%的纳米纤维素会使混凝土抗压能力提升3.4%。总之，效果波动，提升不很明显。

4结论

（1）掺入植物纳米纤维混凝土的抗压强度明显提高，掺量0.1%的纳米纤维素对强度等级为C20混凝土抗压能力提升最多，增幅达15.7%。（2）掺入植物纳米纤维混凝土的劈裂强度明显提高，掺量1%的纳米纤维素对强度等级为C25混凝土抗压能力提升最多，增幅达19.2%，但对于C20混凝土该值略有降低，需进一步试验验证。（3）掺入植物纳米纤维混凝土的抗折强度略有提高，但是浓度为1%的纳米纤维素会使C20混凝土抗折能力降低5.7%，需进一步试验验证。（4）随着混凝土强度提高，同一浓度的纳米纤维混凝土抗压和劈裂强度改善明显。

作者：闫国新 孙红霞 张晓磊 周宜红 朱士江 单位：黄河水利职业技术学院