椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究★

黃小琴 宋昊天 林志欽 區(qū)偉聰 羊德盛 張開國

(三亞學(xué)院,海南 三亞 572011)

·建筑材料及應(yīng)用·

椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究★

黃小琴 宋昊天 林志欽 區(qū)偉聰 羊德盛 張開國

(三亞學(xué)院,海南 三亞 572011)

制備椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料，分析其物理和力學(xué)性能,結(jié)果表明：材料抗壓強度隨椰殼含量增加下降幅度較大，而抗彎強度下降不明顯，并出現(xiàn)假塑性破壞的斷裂特征,指出該材料在輕質(zhì)填充材料上具有一定的工程應(yīng)用前景。

椰殼纖維，水泥基體，力學(xué)性能，斷裂機理

1 概述

椰殼纖維屬于天然植物纖維，來源廣泛，價格低廉，具有良好的拉伸性能，是一種較為理想的天然植物纖維增強材料。水泥基體本身的抗壓性能很好，而抗拉性能只有抗壓的1/10～1/20，在斷裂時一般是明顯的脆性破壞，受力下裂紋迅速擴展，直至整個工程構(gòu)件發(fā)生破壞，留給工程處理的反應(yīng)時間很短，具有較大的危險性。通過復(fù)合材料原理，可以將椰殼纖維加入到水泥基體中，制備椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料，有望改善水泥基體脆性破壞形態(tài)，提高工程構(gòu)建的安全性；另外，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的制備可以減少混凝土中砂石的使用，節(jié)約建筑材料，有利于環(huán)境保護。椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的性質(zhì)主要決定于水泥基體的強度、椰殼纖維的性質(zhì)以及纖維和基體材料之間的界面強度，是一個系統(tǒng)優(yōu)化的問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者做了許多研究[1-5]。本研究旨在采用普通硅酸鹽水泥制備纖維含量不同的椰殼纖維輕質(zhì)水泥基復(fù)合材料，研究其力學(xué)性能表現(xiàn)，具有一定新型工程材料開發(fā)指導(dǎo)意義。

2 試樣制備與檢測

本實驗采用的水泥為P.O42.5，水∶中砂∶水泥=1∶4.5∶1，采用三亞力源椰糠廠提供的天然椰殼纖維，椰殼纖維長度分布為(0～6)cm。制備椰殼纖維添加量分別為0.0,0.16,0.32,0.48,0.64,0.80(wt%)的六組試樣，分別編號為1,2,3,4,5,6。工藝流程：拌合漿體→加入椰殼纖維→攪拌均勻→制模→24 h脫?！鷺?biāo)準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，采用砂漿稠度儀、RFP-03型智能測力儀、電液式壓力試驗機測試材料的性能。

3 材料的性能分析

3.1漿體流動性分析

新拌漿體的流動性如圖1所示。

從圖1中可看出，加入椰殼纖維后，新拌漿體的流動性大幅降低，并且新拌漿體的流動性隨著椰殼含量的增加呈降低趨勢，一方面，這是由于椰殼加入到水泥基體中，起到骨架支撐作用，降低漿體的流動性，阻礙試錐的重力下沉；另一方面，椰殼纖維加入后消耗水泥基體中的水分，使得新拌漿體水分減少而導(dǎo)致流動性降低。這一現(xiàn)象表明，加入椰殼纖維后，新拌漿體的流動性降低較多，在水泥基體中摻入椰殼纖維的含量具有一個限制值，否則將會導(dǎo)致砂漿和易性受到嚴重影響而限制其工程使用。

3.2材料密度分析

測試六組試樣的表觀密度，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，加入椰殼纖維后，材料密度明顯降低，并且，隨著纖維含量的增加，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的密度呈下降趨勢。這是由于椰殼纖維本身密度較低，將其加入到水泥基體中，降低了復(fù)合材料的整體密度；另外，加入椰殼纖維后，破壞水泥基體的連續(xù)性和均勻性，在水泥基體和椰殼纖維的界面處引入大量孔隙，導(dǎo)致材料的孔隙率提高，密度降低。對于水泥基復(fù)合材料而言，由于密度是影響抗壓強度的重要因素，密度的下降必然導(dǎo)致材料抗壓強度的降低。故椰殼纖維水泥基復(fù)合材料基本不能作為承重構(gòu)件使用，而應(yīng)研究其輕質(zhì)填充材料方向的適用性。

3.3材料的吸濕性分析

分別測定六組試樣的含水率，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，添加椰殼纖維后，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的吸濕性增強，并且隨著椰殼纖維添加量的增多，材料含水率不斷上升。一方面，這是因為椰殼纖維加入水泥基體中，椰殼纖維屬于天然纖維，孔隙率高，吸濕性強；另一方面，加入椰殼纖維后，破壞水泥基體的連續(xù)性和整體性，在水泥基體與纖維界面中引入大量的孔隙，材料孔隙率增加，空氣中水分子附著點增多，吸濕性增強。這表明，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的吸濕性較好，若用作室內(nèi)輕質(zhì)隔墻材料，對于室內(nèi)溫濕環(huán)境具有一定的調(diào)節(jié)作用，增強居住舒適感。

3.4材料吸水性分析

測量試樣的吸水率，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，添加椰殼纖維后，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的吸水性大大提高，并且隨著椰殼纖維含量的增多吸水性不斷增強。一方面，這是因為椰殼纖維本身具有較高的吸水性，加入椰殼纖維，復(fù)合材料吸水率必然提高。另一方面，加入椰殼纖維后，椰殼纖維與水泥基體間的界面引入大量孔隙，復(fù)合材料孔隙率增大，材料的吸水性增強。這表明，椰殼纖維水泥基復(fù)合材料不適合長期服役于水下環(huán)境，因為即使軟水也會對水泥基體產(chǎn)生腐蝕作用，降低水泥的堿性環(huán)境，破壞水泥基體結(jié)構(gòu)。

3.5材料抗壓強度分析

對六組試樣進行抗壓強度測試，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可看出，加入椰殼纖維后，材料的抗壓強度下降幅度較大，并且隨著椰殼纖維含量的增加，抗壓強度不斷下降。這是因為加入椰殼纖維破壞水泥基體的連續(xù)性，引入大量孔隙，材料密度降低，密度是影響水泥基復(fù)合材料抗壓強度的重要因素，故抗壓強度下降。椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的抗壓強度較低，這表明該材料不適合作為承重的結(jié)構(gòu)材料使用。

3.6材料抗彎強度分析

分別對六組試樣進行抗彎強度測試，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，加入椰殼纖維后，材料的抗彎強度沒有明顯下降，甚至當(dāng)纖維的添加量為0.48(wt%)時，加入椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的抗彎強度比素水泥基體的抗彎強度高。這表明，加入椰殼纖維對水泥基體的抗彎性能影響較小，當(dāng)椰殼添加量最優(yōu)時甚至可以提高水泥基體的抗彎強度。

3.7材料破壞機理分析

3.7.1材料抗壓破壞機理分析

圖7為抗壓試樣破壞形貌圖。

從圖7a)中可以看出，未加入纖維的水泥基體試樣，其破壞為典型的素水泥砂漿脆性破壞，試樣不能保持原有正方體塊狀形貌。

從圖7b)中可看出，加入椰殼纖維后，試樣在達到抗壓極限后仍能夠保持原有塊狀形貌。這表明，椰殼纖維的加入，能夠改變材料受力失效后的破壞形貌，使材料的破壞機理從完全脆性破壞向假塑性破壞轉(zhuǎn)變。這在工程運用中具有較大意義，構(gòu)件失效后仍能保持原有結(jié)構(gòu)，能夠延長危機處理時間，增強工程材料的安全性。

3.7.2材料抗彎破壞機理分析

圖8為彎曲試樣的斷裂形貌圖。

從圖8a)中可看出，未加入椰殼纖維的素水泥基體試樣，其斷裂特征為明顯的脆性破壞，試樣在受剪力最大處斷開，斷口平整。從圖8b)中可以看出，加入椰殼纖維后，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的斷裂形貌發(fā)生了變化，試樣斷口表明出現(xiàn)較多凹坑和凸起形貌，并有較多椰殼纖維拔出，其斷口表現(xiàn)出假塑性斷裂特征。從圖8c)中可以看出，上部素水泥基體試樣受彎后斷裂，一分為二，不能保持構(gòu)件原有整體塊狀形貌，而加入0.48(wt%)椰殼纖維的試樣在受力失效后仍能保持原有的塊狀形態(tài)，不發(fā)生斷裂。

4 結(jié)語

1)加入椰殼纖維后，椰殼纖維水泥基復(fù)合材料新拌漿體的流動性大幅降低硬化后材料密度明顯降低、吸濕性和吸水性增大。

2)加入椰殼纖維后，材料的抗壓強度下降幅度較大，并且隨著椰殼纖維含量的增加，抗壓強度不斷下降；而抗彎強度下降不明顯。

3)加入椰殼纖維后，椰殼纖維增強水泥基復(fù)合材料的斷裂形貌發(fā)生了變化，出現(xiàn)由完全脆性破壞向假塑性破壞的斷裂特征。

[1] S.Pardeshi,M.Y.Gudiyawar,P.M.Katkar,et al.纖維—混凝土復(fù)合材料研究[J].國際紡織導(dǎo)報,2014,42(12):46-48.

[2] P.M.Katkar,C.A.Patil,P.A.Khude,et al.椰殼纖維/水泥復(fù)合材料[J].國際紡織導(dǎo)報,2013,41(2):56,58-59.

[3] 王 威,黃 故.堿處理對椰殼纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響[J].上海紡織科技,2008,36(10):20-22.

[4] 李麗平,譚洪生,劉永健,等.天然植物纖維增強水泥基復(fù)合材料的耐久性改善措施研究[J].新型建筑材料,2008(13):244-246.

[5] 郭 斌.天然植物纖維增強水泥復(fù)合物綜述[J].江蘇建材,2005(3):49-52.

Studyonmechanicalpropertiesofcoconutfiberreinforcedcement-basedcomposites★

HuangXiaoqinSongHaotianLinZhiqinQuWeicongYangDeshengZhangKaiguo

(SanyaCollege,Sanya572011,China)

The coconut fiber reinforced cement-based composites were prepared and their physical and mechanical properties were analyzed. The results shows that with the increase of fiber content, compressive strength of the material decreases otherwise bending strength decreases slightly, also pseudoplastic fracture characteristics was appeared. It is pointed out that the material has a certain engineering application prospect on the light filling material.

coconut fiber, cement matrix, mechanical properties, fracture mechanism

1009-6825(2017)29-0120-02

2017-08-05 ★:大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(項目編號：20160243)

黃小琴(1987- )，女，助教

TU528.58

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