基于響應面法的玉米秸稈纖維混凝土性能*

范靈芝

(楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100)

水泥混凝土是目前土木工程施工中使用最多的建筑材料之一,具有成本低、耐久性好、抗壓強度高、安全性高、穩定性高等優勢[1]。但其韌性差、抗拉強度低、易開裂等缺點制約了發展,為了提高混凝土的延展性和韌性,可以添加纖維進行改善,如鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維等,但這些纖維在生產和使用過程中增加了碳排放和工程造價[2-4]。因此,需要尋找廉價的可替代纖維材料。研究表明秸稈纖維代替傳統纖維摻入混凝土中,具有類似的改性效果,同時為緩解秸稈資源利用不足提供了新途徑。Xie等[5]研究了稻草秸稈纖維不同預處理方式對纖維混凝土性能的影響;Ammari等[6]對比分析了小麥秸稈纖維和鋼纖維對混凝土力學性能的影響,指出經處理的小麥秸稈纖維混凝土具有與鋼纖維混凝土相似的力學性能;蘇強等[7]探討了棉花秸稈纖維在混凝土中應用的可行性,建立了棉花秸稈纖維混凝土強度預測方程;張文俊等[8]分析了油菜秸稈纖維混凝土的微觀結構,認為纖維對混凝土性能的改善主要取決于纖維與水泥砂漿之間良好的附著力和加筋效果;王雪等[9]研究了劍麻纖維摻量、長徑比對混凝土力學強度的影響,指出劍麻纖維可顯著提高混凝土的力學性能,并提出了劍麻纖維在混凝土中應用的最優摻量。

上述研究為天然纖維混凝土的推廣應用奠定了堅實的理論基礎,但鮮有研究涉及玉米秸稈纖維在混凝土中的應用。鑒于此,作者研究了玉米秸稈纖維在混凝土中應用的可行性及最優工藝參數,采用該參數成型纖維混凝土試件,與普通混凝土進行對比分析,結果證明秸稈纖維可有效增強混凝土延展性和韌性,可為秸稈纖維混凝土的推廣應用提供一定指導。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

玉米秸稈：10月份寶雞市野外采集,干燥,浸水后制作玉米秸稈纖維。

NaOH溶液：天津市康科德科技有限公司。

液壓萬能試驗機：WAW-600D,勤志達(山東)試驗儀器有限公司;高速剪切破碎機：GF3855,江陰市廣福機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米秸稈纖維的制備

玉米秸稈纖維的制備通常采用機械破碎法,對收集的玉米秸稈去皮去芯后浸水3～4 h備用,使用高速剪切破碎機提取玉米秸稈纖維。將玉米秸稈纖維制備為5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm3種長度,使用不同質量分數NaOH溶液浸泡18h后取出晾干備用。

1.2.2 纖維混凝土的制備

參照《普通混凝土配合比設計規程》[10]進行水泥混凝土配合比設計,按以下3個步驟制備玉米秸稈纖維混凝土。(1)將水泥和集料混合,40 r/min攪拌1 min;(2)將一半的減水劑和水加入水泥和集料中,40 r/min攪拌1 min,將剩余的一半水和減水劑加入到混合物中,60 r/min攪拌1 min;(3)根據實驗方案將纖維加入到混合物中,80 r/min攪拌3 min?；旌狭贤瓿珊?立即進行坍落度測試以檢查水泥混合料的施工和易性。

1.2.3 實驗方案

以秸稈纖維長度(A)、φ(纖維)(B)、w(NaOH)(C)為變量構建三因素三水平響應面實驗,水平因素設計見表1。參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[11]成型試件測試混凝土抗彎拉強度,分析玉米秸稈纖維混凝土最佳參數工藝?；谧罴褏禍y試混凝土的抗壓強度、抗折強度,并與未摻纖維的普通水泥混凝土進行對比,所有力學實驗選用液壓萬能試驗機進行測試。

表1 水平因素設計表

2 結果與討論

2.1 響應面實驗

橋面和路面混凝土使用時一般要求混凝土材料能夠承受足夠的彎曲應力,而韌性差、抗拉強度低是混凝土顯著的缺點[12-13]。與此同時,纖維的阻裂作用可以抑制混凝土中微小裂縫的發展,吸收裂縫繼續擴大所需的能量,從而提高混凝土的彎曲性能,因此以抗彎拉強度為響應指標進行工藝參數優化。通過Design-Expert軟件的Box-Behnken設計尋求3種影響因素最優組合方案,實驗結果見表2。

表2 玉米秸稈纖維強度Box-Behnken優化實驗結果

借助Design-Expert軟件對表2中實驗結果進行擬合,殘差正態概率分布及實際預測值相關性見圖1。由圖1可知,擬合方程預測R2和調整后R2均大于0.95,且響應值的殘差序列點呈正態分布在一條直線附近,模型預測值與實際值線性相關,說明構建的響應模型擬合效果較好,具有良好的可靠性。

a 內部標準化殘差

不同工藝參數對玉米秸稈纖維混凝土抗彎拉強度交互影響的響應面曲線見圖2。

a 纖維長度與φ(纖維)的交互作用

由圖2可知,每2種因素對混凝土抗彎拉強度的交叉影響均較顯著,3種響應面均呈凸形且等高線為閉合的橢圓形,說明任意兩者之間對混合料抗彎拉強度均有較強的交互作用并存在極值。分析原因可知,適當長度及適量的玉米秸稈纖維均勻分布在混凝土中,在其內部形成的網狀結構起到了良好的加筋作用,增大了混凝土集料水泥石界面的內摩阻力和斷裂能,并經過適量的NaOH溶液改性后,與水泥具有了更好的黏結性,說明堿溶液處理后的秸稈纖維有助于傳遞和分散混凝土在受力過程中的應力,阻礙裂縫的發展,有效提高混凝土的抗彎拉強度。而過長或過量的玉米秸稈纖維易在拌合過程中結團,不利于纖維在混凝土中的加筋效果,甚至對混凝土施工和易性造成嚴重負面影響。

使用NaOH改性后,玉米秸稈纖維可以細化孔隙結構,提高秸稈纖維的纖維素比、長徑比和拉伸強度,降低纖維的吸水率,w(NaOH)>2.6%,過量的NaOH存在于反應后的界面過渡區,導致致密性降低、松散性提高,降低纖維混凝土的抗彎拉強度。w(NaOH)恒定時,混凝土的28 d抗彎拉強度隨φ(纖維)增加先增大而降低。另一方面,NaOH處理后可以緩解混凝土抗彎拉強度隨φ(纖維)增加而降低的現象。

根據響應面實驗及三維曲面結果,綜合分析3種因素對抗彎拉強度的影響,Design-Expert軟件確定的最優參數為φ(纖維)=2.9%、纖維長度10.5 mm、w(NaOH)=2.6%,此時抗彎拉強度為5.1 MPa。以此參數成型試件進行力學實驗,研究纖維改性水泥混凝土力學性能。

2.2 力學性能測試

2.2.1 抗壓強度

最佳工藝參數下玉米秸稈纖維對混凝土抗壓強度的影響見圖3。

養生齡期/d圖3 玉米秸稈纖維對混凝土抗壓強度的影響

由圖3可知,與普通混凝土相比,纖維混凝土的抗壓強度略有下降,但下降幅度較小。主要原因在于立方體抗壓實驗過程中,混凝土內部的薄弱面會率先產生應力集中導致試件破碎,而玉米秸稈纖維的摻入在一定程度上擴大了薄弱區域。同時水泥水化過程產生的高堿性環境會破壞秸稈纖維的結構。此外,秸稈纖維具有光滑的蠟質層和很強的吸水性,水泥水化完成后,纖維在水泥水化和硬化過程中的收縮率擴大,導致纖維-水泥界面過渡區的孔隙率較大,水泥基的界面位置出現較大的干燥收縮裂紋,纖維-水泥界面過渡區密度低,會削弱纖維與水泥基體的結合,導致混凝土的抗壓強度降低。有研究表明,與傳統的人造纖維相比,秸稈纖維由于其固有的多孔結構和抑制水泥水化而降低了纖維增強混凝土的力學性能[14-17]。

2.2.2 抗折強度

最佳工藝參數下玉米秸稈纖維對混凝土抗折強度的影響見圖4。

養生齡期/d圖4 玉米秸稈纖維對混凝土抗折強度的影響

由圖4可知,與普通混凝土相比,各齡期下纖維混凝土的抗折強度均有明顯提升,3、7和28 d齡期下纖維混凝土的抗折強度分別提升12.9%、13.9%及14.3%。盡管纖維的摻入會增大混凝土內部薄弱界面,理論上會對抗折強度產生負面影響,但抗折強度仍有提升可歸因于纖維形成的網狀結構為混凝土提供了更強的延展性,同時水化產物水化硅酸鈣(CSH)凝膠緊緊包裹在秸稈纖維表面,有效地彌補了秸稈纖維摻入引起的內部孔隙增加和混凝土密度低的缺陷。秸稈纖維和水泥緊密結合,可以提高復合材料的整體密度。此外,NaOH溶液的改性為纖維提供了強大的表面,可以促進界面過渡區水泥的水化,在界面過渡區生成更致密的CSH凝膠材料。當混凝土承受彎曲荷載時,由均勻分布的秸稈纖維在混凝土中組成的網狀結構可以消耗部分能量延緩裂縫尺寸的發展,并從宏觀上進一步增強混凝土的抗折性能。

3 結 論

通過響應面實驗討論了玉米秸稈纖維對水泥混凝土抗彎拉強度的影響,并基于優化的工藝參數研究了秸稈纖維對混凝土力學性能的影響,結論如下。

(1)以抗彎拉強度為響應指標,w(NaOH)、秸稈纖維長度和φ(纖維)為變量,構建的三因素三水平響應模型擬合效果較好,具有良好的可靠性,可用于評價不同因素對混凝土延展性的交互影響規律。

(2)根據響應面實驗,確定最優參數為φ(纖維)=2.9%、纖維長度10.5 mm、w(NaOH)=2.6%,此時抗彎拉強度為5.1 MPa。

(3)在最優參數下,與普通混凝土相比,纖維混凝土立方體抗壓強度有所下降,但平均抗折強度顯著提高約13.7%。