木纤维混凝土空心砌块的力学性能试验研究

张艳霞，宁广，徐斌，张贺昕

（1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；

2.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044；

3.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045）

木纤维混凝土空心砌块的力学性能试验研究

张艳霞1，2，宁广1，徐斌3，张贺昕1

（1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；

2.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044；

3.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045）

针对15%体积掺量的木纤维混凝土分别进行了立方体试块与空心砌块的试验研究，变掺量的分析木纤维混凝土的材料配合比，测试不同水灰比、CR乳胶、减水剂含量下多组木纤维混凝土试块的力学性能。通过试验分析不同的水灰比、CR乳胶掺量与砌块尺寸对木纤维混凝土力学性能的影响。试验结果表明，15%体积掺量的木纤维混凝土经碱液预处理后，在水灰比0.2，CR乳胶掺量5%条件下制备的空心砌块成型较好，密度较小，符合JG/T 327—2011《植物纤维工业灰渣混凝土砌块》中承重砌块的强度要求，实现了大掺量植物纤维混凝土作为承重砌块的目标。

木纤维混凝土；水灰比；CR乳胶；强度试验

我国是一个发展中大国，又是一个建筑大国，每年新建房屋面积高达20亿m2，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。如何实行建筑节能，降低能源消耗和环境污染，提高能源利用率,已成为我国可持续发展必须研究解决的重大课题。植物纤维广泛存在于自然界中，是一种取材方便、可再循环的资源，植物纤维混凝土既适应了国家建设节能型社会的需求，发展节约资源的可循环经济，又同时改善了混凝土的材料性能。目前国内外有关专家对混凝土中掺加秸秆、剑麻、木屑等植物纤维皆有一定的研究[1-7]，但大部分都是为提高混凝土性能进行的植物纤维小掺量的研究。对大体积比的掺加植物纤维的混凝土性能研究较少。大体积地掺加植物纤维可使混凝土的自重大大减轻，材料保温性能提高，造价降低，具有重要的研究意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥：北京金隅集团生产的P·O42.5水泥；木纤维：干燥松木屑，细度16目以下，密度为930 kg/m3，饱和吸水率为1.94%；粉煤灰：Ⅰ级；减水剂：高性能聚羧酸减水剂；CR乳胶：主要用于增加材料的粘性与防水性能。

1.2 试验步骤

（1）变掺量的研究木纤维混凝土的配合比。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，使用卧轴式强制搅拌机制作100 mm×100 mm×100 mm立方体试块。为避免木纤维混凝土出现结团现象，在制作过程中，先将木屑浸水搅拌至充分饱和，再加入水泥与粉煤灰一同搅拌至均匀，最后加入剩余的胶水混合物充分搅拌，使木纤维、CR乳胶与水泥粉煤灰搅拌均匀；将混合料装入模具中，边装边压实至模具上沿处，放在振动台上振实；试块制作成型后静置2～3 d后进行编号脱模，并立即放入温度为（20±1）℃、湿度为90%以上的标准养护室中养护。

（2）参考立方体试块的试验结果，并依据GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》制作并研究木纤维空心砌块的抗压性能。试验参考立方体试块的制作流程配制混合料，采用多功能制砖设备，如图1所示，分别制作了390 mm×190 mm×190 mm、壁厚25 mm、肋厚35 mm和390 mm×190 mm× 190 mm、壁厚30 mm、肋厚40 mm的2种尺寸空心砌块。脱模后送入标准养护室养护。

图1 多功能制砖设备

2 立方体试块的性能研究

[8]，分别按体积掺量15%、20%掺入木纤维。为取得最佳形态的混合料,研究了不同水灰比对木纤维混凝土的影响，配合比如表1所示。此外，为了研究加入CR乳胶对木纤维混凝土的影响，按如表1相同配比制作了一批不含CR乳胶的15%木纤维混凝土。每组配合比制作至少6块试块。15%木纤维含量的混凝土形态良好，搅拌后的混合料如图2所示，混合料具有一定的粘结力，2～3 d之后拆模成型较好。

表1 木纤维混凝土立方体试块配合比

图2 木纤维体积掺量15%的木纤维混凝土

参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，对养护时间7、28 d的立方体试块分别进行抗压强度试验，采用30 t恒加载压力试验机进行。表2为15%木纤维混凝土的抗压试验强度测试结果，其中未掺CR乳胶的试块7、28 d的抗压强度均低于1 MPa，在此不予讨论。

表2 木纤维体积掺量15%的混凝土抗压强度

由表2可见，水灰比0.35的试块密度明显小于水灰比0.20的试块，但随着水灰比的增大，试块的抗压强度也大幅降低。水灰比0.25、0.30、0.35的试块28 d抗压强度均低于1 MPa。水灰比0.20的试块含水量适中，试块成型较好，28 d抗压强度较高。

图3为不同水灰比试块的破坏情况。通过破坏面的观测可知，水灰比为0.20的立方体试块水泥水化充分，内部材料密实，无木屑剥落现象，而其它水灰比的试块由于含水量较高，水泥颗粒间距较大，内部潮湿，材料间的粘结性能较差。

图3 不同水灰比试块的破坏情况

3 空心砌块的性能研究

参考立方体试块的制作流程与强度试验结果，选取了木纤维体积掺量为15%，水灰比为0.2的配合比制作空心砌块，并进一步考虑了不同CR乳胶掺量及空心砌块壁厚对植纤混凝土性能的影响，制作了2种不同壁厚尺寸的混凝土空心砌块，配合比见表3。

表3 空心砌块的配合比

为使空心砌块强度可以得到进一步的提高，针对木纤维与水泥接触面的材料机理进行了改善。参考国内外学者的研究，目前纤维与水泥的接触面存在以下问题：

（1）纤维遭受水泥水化物的碱性侵蚀。Gram[9]认为水泥基材的孔隙中的高碱性液相对纤维有侵蚀作用，波特兰水泥基材孔隙中的高碱液相使纤维细胞中的半纤维素与木质素被溶解出来，使各个纤维细胞间的连接减弱，因而大大降低了基材的增强作用。

（2）纤维的“矿物化”。Gram等[10]认为纤维的“矿物化”是由于Ca（OH）2沉积在纤维细胞的内腔与孔隙内，使纤维的刚性与脆性增加，并认为纤维的“矿物化”是植物纤维增强水泥基材料老化后变脆的主要原因。

针对以上的问题，进一步提出一种改进方案。2-9号空心砌块在木纤维与水泥混合搅拌之前，先将木纤维浸入加有部分水泥的碱性液体中浸泡30 min，主要目的是通过碱液先对木纤维进行表面处理，去除了天然纤维中的大部分半纤维素木质素、果胶等低分子杂质，提高了其分子取向，改善了其表面性能。再将浸泡后的木纤维泌水后倒入搅拌桶中与混合料一同搅拌均匀后加入5%的CR乳胶。并与未预处理的2-8号试块进行对比分析。

空心砌块的制作过程与立方体试块的制作过程有所差异。空心砌块无法预先带模养护，这就要求搅拌好的混凝土必须是干硬性的，坍落度等于0。在试验初期，我们研究了不同的加水量对空心砌块成型的影响。研究发现，当水灰比大于0.20时，木纤维混凝土过湿，初期强度较低脱模后无法抵抗变形，导致空心砌块成型困难。当水灰比小于0.15时，木纤维混凝土较干，水泥没有水化完全，材料间粘结性能低，在出模时发生分层现象。当水灰比在0.15～0.20时，空心砌块的成型情况良好，加压振动压模时，底部会有轻微泌水现象。试验制作的空心砌块如图4所示。

图4 空心砌块

参考GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》对木纤维混凝土空心砌块进行抗压试验，结果如表4所示。

表4 空心砌块的密度及抗压强度试验结果

1-1号与1-3号配比砌块容重基本相同，随着砌块中CR乳胶含量的升高，空心砌块的抗压强度显著上升。由此可见CR乳胶起到了提高木纤维混凝土强度、提高材料粘性的作用。此外CR乳胶还具有防水的功效。但1号系列空心砌块壁厚与肋厚都较薄，导致砌块的强度提升空间有限。1-1号与1-3号配比砌块的破坏情况分别如图5、图6所示。

图5 1-1号木纤维混凝土空心砌块抗压试验破坏情况

图6 1-3号木纤维混凝土空心砌块抗压试验破坏情况

由表4可以看出，2号系列空心砌块壁厚、肋厚加宽之后空心砌块的容重有所增加，因为制砖机本身的问题，制成的砌块底部有较厚的沉积。但抗压强度有了明显提高，其中未经过过碱处理的2-8号砌块抗压强度符合JG/T 327—2011《植物纤维工业灰渣混凝土砌块》中非承重砌块强度高于MU3.5低于MU5.0的要求。经过过碱处理的2-9号砌块平均抗压强度较2-8号砌块提高21%，强度上升明显，并且符合JG/T 327—2011中承重砌块强度高于MU5.0的要求。2-8号与2-9号配比空心砌块的破坏情况分别如图7、图8所示。

图7 2-8号木纤维混凝土空心砌块破坏情况

图8 2-9号木纤维混凝土空心砌块破坏情况

从图7、图8可以看出，木纤维经过预先碱处理的空心砌块在压坏后表面并没有明显剥落现象，块体坚硬，在压块初期局部出现裂缝后依然不影响砌块的抗压能力，直到最后出现贯通裂缝时空心砌块才破坏。由此可见，木纤维经碱处理可以有效改善木纤维与水泥之间的接触界面，使木纤维混凝土整体性与强度都有所改善。

4 结语

（1）木纤维混凝土强度性能试验结果表明，水灰比为0.20 时15%木纤维混凝土的空心砌块成型良好。

（2）CR乳胶掺入可有效地提高植纤混凝土强度和材料粘性性能，考虑砌块制作的成本等综合因素，推荐CR乳胶的最佳掺量为5%。

（3）空心砌块的壁厚对砌块强度有较大的影响，经过试验对比可见，390 mm×190 mm×190 mm，壁厚30 mm可以满足15%木纤维混凝土空心砌块对强度的要求。

（4）15%木纤维混凝土在养护过程中需要极高的湿度环境才可使木纤维混凝土在养护过程中得到充分水化反应，使后期强度得到提高。在制作过程中，通过碱液对木纤维进行表面处理，去除天然纤维中的大部分半纤维素、木质素、果胶等低分子杂质，能够提高其分子取向，改善表面性能。

（5）JG/T 327—2011中，对承重砌块的植物纤维掺量要求不大于质量的5%。但15%体积比的木纤维空心砌块中木纤维的掺量约在6%～8%，已超出规范的要求，属于大掺量植物纤维混凝土砌块，但试验中选取的2-9号配合比制作的试块，已能够满足JG/T 327—2011中MU5.0承重砌块的强度要求。

在本文的研究基础上，作者今后还将进一步地深入研究木纤维与水泥接触面的微观形态，并作进一步的改善。此外，还将研究大掺量木纤维空心砌块墙体在保温、防火与抗震方面的性能。

参考文献：

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[2]NesibeGozdeOzerkan，BappyAhsan，SaidMansour，etal. Mechanical performance and durability of treated palm fiber reinforced mortars[J].International Journal of Sustainable Built Environment，2014（2）：131-142.

[3]于湖生.黄麻纤维用于混凝土增强的研究[D].上海：东华大学，2010.

[4]贾哲.纤维增强水泥基复合材料研究进展[J].混凝土，2007（8）：65-68.

[5]李超飞.植物纤维混凝土的研究现状[J].混凝土，2013（5）：55-61.

[6]叶颖薇.竹纤维和椰纤维增强水泥复合材料[J].复合材料学报，1998（3）：92-98.

[7]邹君.蔗渣纤维增强水泥基复合材料的研究及发展前景[J].广西轻工业，2011（11）：26-27.

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[10]G.H.D.Tonoli，H.Savastano Jr.，E.Fuentec，et al.Eucalyptus pulp fibres as alternative reinforcement to engineered cementbased composites[J].Industrial Crops and Products，2010，31：225-232.

Testing research towards the mechanical performance of the plant fiber concrete block

ZHANG Yanxia1，2，NING Guang1，XU Bin3，ZHANG Hexin1
（1.School of Civil and Transportation Engineering，University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；
2.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Structural Engineering and New Materials，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；
3.Beijing Institute of Architecture Design，Beijing 100045，China）

In this thesis，the experimental research towards the concrete combined 15%plant fiber were carried out to the test cube and hollow block separately；analyze the material mixing ratio of the plant fiber concrete through various contents；test the mechanical performance to multiple sets of plant fiber concrete blocks varies different water cement ratio，contents of the CR latex and water reducing agent；analyze the impacts that various contents such as water cement ratio，the CR latex and water reducing agent would exact to the mechanical performance of the plant fiber concrete.The tests indicate that with the use of 15%volume content of plant fiber concrete，pre-treated by the alkali liquor，with 0.2 water cement ratio and 5%contents of CR latex，the formability of the hollow blocks is better，the density is lower，which would satisfy the standards of JG/T 327—2011"Plant fiberindustrial waste slag concrete block"and realized the target of being load-bearing blocks with a large amount of plant fiber.

the plant fiber concrete，water cement ratio，CR latex，strength experiment

TU522.3

A

1001-702X（2016）09-0043-04

国家自然科学基金面上项目（51278027）；科技成果转化-提升计划项目（2015年）（PXM2015_014210_000005）

2016-02-18

张艳霞，女，1970年生，吉林珲春人，博士，副教授。