天然植物纖維水泥基復(fù)合材料力學(xué)特性分析★

張耀躍 李昀陽(yáng) 張忠強(qiáng) 崔 兵

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定 071000)

天然植物纖維水泥基復(fù)合材料力學(xué)特性分析★

張耀躍 李昀陽(yáng) 張忠強(qiáng) 崔 兵

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定 071000)

指出植物纖維具有環(huán)保節(jié)能、保溫防火、輕體防雷等優(yōu)點(diǎn)，將其摻入混凝土中可以改善其脆性，延緩開裂，改變水泥基稻草纖維復(fù)合材料的水灰比和纖灰比并加入CaCl2作為外加劑來制作試件，通過測(cè)量試件的靜曲強(qiáng)度和觀察試件斷面的顯微圖像來確定最優(yōu)配合比，并分析了CaCl2對(duì)稻草纖維水泥基復(fù)合板材的微觀影響，得出了一些結(jié)論。

植物纖維，靜曲強(qiáng)度，水灰比，纖灰比

0 引言

改革開放以來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了巨大成就的同時(shí)，資源的消耗也在進(jìn)一步上升，隨著資源消耗進(jìn)一步加大，我國(guó)的污染問題也變得更加的嚴(yán)峻，不僅使我國(guó)的環(huán)境變得更加惡劣，而且又制約著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。建材工業(yè)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了舉足輕重的作用，大力發(fā)展建材工業(yè)還可以緩解我國(guó)的就業(yè)壓力，提供更多的工作崗位。但是建材工業(yè)也消耗了大量的化石能源以及寶貴的土地資源，同時(shí)還產(chǎn)生了大量的污染，所以發(fā)展新型材料成了建筑工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。新型材料的生產(chǎn)以及使用應(yīng)該包括以下幾點(diǎn)要求：首先，原材料應(yīng)該多使用建筑廢渣，以及生活垃圾，從而可以減少使用天然資源；其次，在新型材料的生產(chǎn)加工過程中，應(yīng)該使用最新的生產(chǎn)技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，以及不使用有毒害的物質(zhì)，以減少對(duì)環(huán)境的污染；最后，新型材料不能對(duì)人體構(gòu)成傷害，在滿足經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)，還要保證材料的其他使用功能[1-3]。

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年秋收以后，都會(huì)產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的農(nóng)作物廢料。據(jù)官方的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，一部分農(nóng)作物廢料當(dāng)成牲口的飼料，另一部分的農(nóng)作物廢料則當(dāng)成了燃料，而絕大部分的農(nóng)作物廢料幾乎是直接焚燒，造成了巨大的環(huán)境污染。新型材料可以由現(xiàn)有的材料中加入一定量的植物纖維，不僅節(jié)約了資源，而且還可以減少能源的消耗，對(duì)保護(hù)環(huán)境也起到了積極的作用。對(duì)植物纖維水泥復(fù)合材料[4，5]及其性能進(jìn)行研究，意義重大。相比較現(xiàn)有的纖維材料，如鋼纖維，聚丙烯纖維，碳纖維等其他纖維，植物纖維最大的特點(diǎn)就是取材方便，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)量大。隨著我國(guó)經(jīng)

濟(jì)的發(fā)展，有大量的建筑物需要拆遷，會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾無法處理，不僅造成了巨大的浪費(fèi)，還占用了寶貴的土地資源，使用植物纖維水泥復(fù)合材料，可以對(duì)建筑垃圾進(jìn)行回收處理，不僅節(jié)約資源，還可以對(duì)建筑垃圾做到無害化處理，減少對(duì)環(huán)境的污染。發(fā)展植物纖維材料，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義，植物纖維水泥復(fù)合材料必定會(huì)成為我國(guó)新型材料發(fā)展的趨勢(shì)[6-9]。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

表1 試件配合比 kg

依照表1中的配合比稱量材料，然后將稱量后的水與稻草纖維在JS195A攪拌機(jī)中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?再與水泥漿料混合,直到漿料均勻無結(jié)塊為止。將混合漿料倒入試模中鋪平,待板坯初步成型后,將其放入50-C-1成型壓機(jī)中壓至10 mm厚。板坯定型后再放入夾緊框內(nèi)，用保鮮膜封裝,在DECD-80e干燥箱中放置8 h,拆除夾緊框后置于蒸養(yǎng)釜內(nèi)蒸養(yǎng)8 h，再在室溫條件下自然干燥一周(見圖1)[10,11]。

1.2 試驗(yàn)過程

將養(yǎng)護(hù)好的試件送入土工實(shí)驗(yàn)室1 000 kN液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中測(cè)其試靜曲強(qiáng)度，探究水灰比與纖灰比對(duì)稻草纖維水泥復(fù)合板抗折性能的影響。再用電子顯微鏡掃描試件斷面，探究外加劑和稻草纖維對(duì)纖維水泥基復(fù)合板材的微觀影響[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

水灰比和纖灰比是影響水泥水化和水泥與纖維混合的重要參數(shù)。

由圖2可見：當(dāng)纖灰比一定，水灰比小于0.42時(shí)，試件的靜曲強(qiáng)度隨著水灰比的上升而呈明顯上升趨勢(shì)。這由于水灰比過小而導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán)而不易打散，從而降低了混凝土的和易性，導(dǎo)致板坯鋪裝不勻，影響了水泥與纖維之間的充分結(jié)合，而當(dāng)水灰比達(dá)到0.42以上，試樣測(cè)得的靜曲強(qiáng)度波動(dòng)不大，且略有降低。這是因?yàn)樗冶冗^大時(shí)，板的內(nèi)部存在大量的自由水，這些水分揮發(fā)以后會(huì)在板的內(nèi)部形成蜂窩狀小孔，使板內(nèi)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致稻草纖維水泥基復(fù)合板的強(qiáng)度略有降低。由圖2可知本試驗(yàn)條件下適宜的水灰比為0.42。

分析圖2可知，纖灰比為0.35時(shí)靜曲強(qiáng)度高于0.045和0.45的纖灰比，這是由于纖灰比過小時(shí)，纖維所占的比例不足以影響混凝土的靜曲強(qiáng)度，而纖灰比過大則會(huì)影響硅酸鹽水泥分子間的有效結(jié)合。因此可以得出水灰比在0.42纖灰比在0.35時(shí)稻草纖維水泥基復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度最高。

在攪拌稻草纖維水泥基復(fù)合材料的過程中加入CaCl2，因?yàn)榈静堇w維對(duì)混凝土有阻凝的不利影響，而CaCl2的水化反應(yīng)放熱，在一定程度上又促進(jìn)了混凝土的固化，進(jìn)而削弱了稻草纖維對(duì)混凝土固化的不利影響。利用電子顯微鏡掃描的斷面圖像(如圖3所示)，分析CaCl2和稻草纖維共同作用下對(duì)混凝土的微觀影響。

圖3a)為稻草水泥基復(fù)合材料試件斷面放大300倍后的掃描電鏡照片，從圖中可以看出稻草與常規(guī)混凝土配料結(jié)合比較緊密，可以看到有細(xì)微的稻草斷裂跡象，能夠說明稻草與混凝土具有較好的粘結(jié)力，使混凝土的強(qiáng)度得到了提高。圖3b)為復(fù)合材料斷面被掃描電鏡放大1 000倍后的照片，從照片中觀察到混凝土表面水泥與稻草相互交錯(cuò)，形成機(jī)械咬合的狀態(tài)，對(duì)混凝土施加外力，在混凝土從開始受力到被壓壞的過程中，稻草被拉斷，稻草起到了連接混凝土骨料的作用，在復(fù)合材料局部斷面被放大10 000倍后，從圖3c)中可看到有CaCl2的晶體鑲嵌在混凝土骨料之間，CaCl2遇水后會(huì)放熱，在一定程度上加速了混凝土的固化。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，確定了水泥基稻草纖維復(fù)合材料水灰比和纖灰比的最優(yōu)值分別為0.42和0.35。在這個(gè)配合比下稻草水泥基復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度最高，為1.4 MPa。

CaCl2作為外加劑不僅能夠?qū)Φ静菟嗷鶑?fù)合板固化起到催化的作用，而且其取材方便，價(jià)格低廉，適合在工程上推廣應(yīng)用。

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Analysis on mechanical property of natural plant fiber cement matrix composites★

Zhang Yaoyue Li Yunyang Zhang Zhongqiang Cui Bing

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

Point out plant fibers have lots of advantage such as: fire prevention, environmental protection, energy conservation, heat preservation, light and lightning protection. Incorporated in the concrete can improve its brittleness and delay cracking. Change water cement ratio of cement matrix straw fiber composites and fiber cement ratio to make the specimen. In addition, joining CaCl2as admixture, measured in the cross section of the specimen static music intensity, observed the microscopic image of specimen to determine the optimal mixture ratio and analysis the micro impact of CaCl2for straw fiber cement matrix composite, obtains some conclusions.

plant fiber, static music intensity, water cement ratio, fiber cement ratio

2015-08-23★：河北大學(xué)研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目

張耀躍(1990- )，男，在讀碩士； 李昀陽(yáng)(1989- )，男，在讀碩士； 張忠強(qiáng)(1990- )，男，在讀碩士； 崔 兵(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)31-0171-03

TU201.5

A