劍麻纖維水泥基復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能

郭培培,黃 俊,2,田國(guó)鑫,梁乘瑋

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006;2.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 溫州 325035)

20世紀(jì)70 年代初,英國(guó)和瑞典研究者用劍麻作為砂漿的增強(qiáng)材料,研究了改進(jìn)劍麻纖維水泥基復(fù)合材料的耐久性[1-3]。近年來,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)劍麻纖維的表面處理方法、有機(jī)雜化材料制備和劍麻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能影響進(jìn)行了大量的研究[4]:周興平等[5]采用堿處理或甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝聚合的方法對(duì) SF表面改性,研究了SF表面處理對(duì)聚丙烯(PP)/SF復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響；楊桂成等[6]采用熱處理、乙?；幚硪约笆褂肒H-550偶聯(lián)劑“搭橋”等方法預(yù)處理SF,對(duì)SF增強(qiáng)聚氯乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐水性進(jìn)行了研究；李肖建[7]研究了劍麻纖維素微晶/八氨基POSS有機(jī)無機(jī)雜化材料的制備及性能；陸宏新等[8]對(duì)劍麻纖維改性瀝青混凝土的復(fù)合材料界面進(jìn)行研究,結(jié)果表明,劍麻纖維可以抑制細(xì)微裂紋發(fā)展,提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性；包惠明等[9]通過對(duì)摻入不同含量劍麻纖維的水泥混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 劍麻纖維的摻入可以顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度, 隨著劍麻摻量的增加和齡期的增長(zhǎng),提高幅度漸緩,但總體仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；董建苗等[10]對(duì)劍麻纖維增強(qiáng)礦粉-粉煤灰水泥基砌塊力學(xué)性能進(jìn)行研究。

本文設(shè)計(jì)不同齡期下劍麻纖維長(zhǎng)度對(duì)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)分為7、14、28 d三個(gè)齡期,每個(gè)齡期根據(jù)劍麻纖維長(zhǎng)度不同分5組,其中1組試件為不加入劍麻纖維的基準(zhǔn)試件,其余4組分別加入1、2、3和4 cm的劍麻纖維,每組分別有6個(gè)試件,共計(jì)90個(gè)試件。期望能為劍麻纖維在實(shí)際工程中運(yùn)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的魚峰牌P·O 42.5級(jí)水泥,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。其主要品質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

砂:普通中粗河砂,連續(xù)級(jí)配,含水率5%,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

外加劑:蘇州某公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,減水率≥14%。

水:普通自來水。

劍麻纖維:采用江西鄱陽(yáng)生產(chǎn)的劍麻纖維絲,天然植物劍麻纖維直徑大小不等(100～200 μm),纖維長(zhǎng)度90～130 cm,含雜率<3%,回潮率9.5%,纖維拉力>800 N,伸長(zhǎng)率5%,密度1.34 g/cm3,劍麻纖維外表面粗糙可以增大劍麻與水泥砂漿的接觸面積,增強(qiáng)劍麻與水泥砂漿之間的粘結(jié)力。

1.2 試件制備

隨著劍麻纖維摻量增加,劍麻纖維水泥基復(fù)合材料的含氣量有所增大,所以劍麻纖維混凝土的密度比普通水泥混凝土略有下降,但影響不顯著[18]。劍麻纖維摻量大于 3.0 kg/m3時(shí),劍麻纖維混凝土幾乎不發(fā)生泌水現(xiàn)象[19]。本次試驗(yàn)劍麻纖維摻入量為3.0 kg/m3,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%,劍麻纖維長(zhǎng)度按照1、2、3、4 cm亂向投放。試驗(yàn)之前為清除劍麻纖維表面雜質(zhì),將不同長(zhǎng)度的劍麻纖維分別浸泡在質(zhì)量濃度為1%的NaOH溶液中24 h之后撈出,并用清水洗滌、晾曬。制作7、14、28 d三個(gè)齡期的試件,具體配合比如表2所示(以28 d試件為例編號(hào)為A, 7、 14與28 d試件的配合比相同, 7、 14 d編號(hào)分別用B和C表示。 文中其他表格編號(hào)與此相同)。

絲狀劍麻纖維直接加水?dāng)嚢枰捉Y(jié)團(tuán)影響其作用效果。試驗(yàn)中,為使劍麻纖維分散均勻,先將水泥、砂、劍麻纖維放入攪拌機(jī)干拌3 min,再加水濕拌6 min。將攪拌后的劍麻纖維水泥基復(fù)合材料放入100 mm×100 mm×300 mm模具中,振動(dòng)3～5 min后抹平放置于室內(nèi)平整處,24 h后拆模,室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)步驟

水泥基復(fù)合材料試件彎折強(qiáng)度試驗(yàn)是另一種間接測(cè)試抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。 彎折強(qiáng)度試驗(yàn)加載方式有兩種：?jiǎn)吸c(diǎn)集中加荷和三分點(diǎn)加荷[19-20]。 本試驗(yàn)采用單點(diǎn)集中加荷方法(圖1)，試件的有效受力長(zhǎng)度為200 mm。 為了減少誤差確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性, 以及加載過程中能夠更好地觀察試件的變化, 加載速度一直保持在0.1～0.2 kN/s。 抗折試驗(yàn)采用WE-30型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī),加載范圍0～300 kN。 試驗(yàn)過程中觀察試件表面裂縫變化, 記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確到0.1。

2 結(jié)果分析

試件的抗折試驗(yàn)結(jié)果見表3。圖2a是劍麻纖維長(zhǎng)度在4 cm時(shí)試件的斷截面團(tuán),劍麻纖維分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,集中現(xiàn)象;圖2b中將摻入劍麻纖維長(zhǎng)度為4 cm試件與摻入劍麻纖維長(zhǎng)度1 cm試件對(duì)照,發(fā)現(xiàn)劍麻纖維長(zhǎng)度為1 cm的試件中劍麻纖維的分布較均勻,造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)樵嚰谥苽溥^程中劍麻纖維分散不均勻、攪拌不均勻以及水泥基復(fù)合材料的沉降。

齡期對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響如圖3所示。 摻入劍麻纖維長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著齡期增加,水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度提高, 增長(zhǎng)率逐漸降低 (將試件成型增長(zhǎng)到7 d的階段稱為早期, 7 d增長(zhǎng)到14 d的階段為中期, 14 d增長(zhǎng)到28 d為后期)。 未摻入劍麻纖維的試件中期抗折強(qiáng)度由3.3 MPa提升到4.3 MPa, 提高幅度為30.3%; 后期抗折強(qiáng)度由4.3 MPa提升到4.7 MPa, 提高幅度9.3%。 當(dāng)摻入劍麻纖維長(zhǎng)度為3 cm時(shí), 試件中期抗折強(qiáng)度由5.5 MPa提升到6.3 MPa, 提高幅度為14.5%; 后期抗折強(qiáng)度由6.3 MPa提升到6.6 MPa, 提高幅度4.8%。 可以看出， 摻入其他長(zhǎng)度的劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度與未摻入劍麻試件的抗折強(qiáng)度提升趨勢(shì)基本一致。

表1 P·O 42.5級(jí)水泥主要性能指標(biāo)

表2 試件水泥基復(fù)合材料配合比

圖1 單點(diǎn)集中加荷法Fig.1 Single point concentration and charge adding method

表3 試件抗折試驗(yàn)結(jié)果

圖2 試件斷截面Fig.2 Specimen broken section

圖3 齡期對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of ages on flexural strength of the specimens

劍麻纖維長(zhǎng)度對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響如圖4所示。未摻入劍麻纖維的試件28 d抗折強(qiáng)度為4.7 MPa,摻入劍麻纖維(長(zhǎng)度為1、 2、 3、 4 cm)的試件抗折強(qiáng)度分別為4.8、5.1、5.5、5.2 MPa,沒有摻入劍麻纖維的28 d試件的平均抗折強(qiáng)度低于摻入劍麻纖維的7 d試件的平均抗折強(qiáng)度。這說明劍麻纖維能夠有效地提高試件的抗折強(qiáng)度,并且劍麻纖維能夠加快試件的抗折強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的增長(zhǎng)速度?？梢钥闯?隨著齡期的增長(zhǎng),試件抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì),這與混凝土的強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)規(guī)律相同。

在齡期為7 d時(shí), 摻入劍麻纖維試件的平均抗折強(qiáng)度達(dá)到了未摻入劍麻纖維試件28 d齡期的平均抗折強(qiáng)度, 這是因?yàn)閯β槔w維表面比較粗糙，與水泥之間產(chǎn)生粘結(jié)力,劍麻纖維的抗拉強(qiáng)度較高,

圖4 劍麻纖維長(zhǎng)度對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of the length of sisal fiber on the flexural strength of the specimen

進(jìn)而提高了試件的整體抗拉強(qiáng)度, 所以在齡期為7 d時(shí)摻入劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度也得到了很大的提高。

劍麻纖維長(zhǎng)度對(duì)試件抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響如圖5所示。齡期為7 d摻入劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大,齡期為28 d摻入劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率最小。這是由于齡期為7 d未摻入劍麻纖維的試件沒有完全硬化,抗折強(qiáng)度較低,其平均抗折強(qiáng)度是3.3 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差是0.2,提高的幅度較大,所以試件抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大。同時(shí),表明劍麻纖維在試件齡期為7 d時(shí)已經(jīng)與水泥產(chǎn)生了較大的粘結(jié)力,可以承受一定的荷載。

圖5 劍麻纖維長(zhǎng)度試件抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響Fig.5 Influence of the strength growth rate of the tensile strength of sisal fiber

每個(gè)齡期中摻入3 cm劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率都是最大的, 齡期為28 d摻入3 cm劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度是6.6 MPa, 標(biāo)準(zhǔn)差是0.2, 是平均抗折強(qiáng)度最大的試件, 與齡期為28 d基準(zhǔn)試件相比增長(zhǎng)了39.9%。 而齡期為28 d摻入4 cm劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度是6.3 MPa, 標(biāo)準(zhǔn)差是0.3, 與齡期為28 d摻入3 cm劍麻纖維試件相比略有降低, 故試件的抗折強(qiáng)度會(huì)隨摻入劍麻纖維長(zhǎng)度的增加而增加, 但是摻入劍麻纖維的長(zhǎng)度增加到一定程度再繼續(xù)增加會(huì)使試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率減小。

試件抗折強(qiáng)度的提高主要依賴于平行于受拉方向的劍麻纖維,而單根劍麻纖維的直徑較小,當(dāng)劍麻纖維長(zhǎng)度較大時(shí)加水?dāng)嚢枞菀桌p繞、結(jié)團(tuán),減少平行于受拉方向的纖維數(shù)量,降低試件抗折強(qiáng)度,但是劍麻纖維的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，劍麻纖維與水泥之間的接觸面積增加、粘結(jié)力越大。所以,摻入劍麻纖維長(zhǎng)度為4 cm的試件的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象比摻入3 cm的試件較嚴(yán)重,而摻入4 cm的試件中劍麻纖維與水泥之間的粘結(jié)力比摻入3 cm的大。兩種情況同時(shí)作用下,使得摻入3和4 cm劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)度相差不大。

結(jié)合圖3～圖5可知,3個(gè)齡期的試件抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同,劍麻纖維長(zhǎng)度水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響存在一個(gè)最優(yōu)值(劍麻纖維長(zhǎng)度為3 cm),當(dāng)劍麻纖維長(zhǎng)度小于3 cm時(shí)，隨著劍麻纖維長(zhǎng)度增加，劍麻纖維水泥基復(fù)合材料試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率增加；當(dāng)劍麻纖維長(zhǎng)度大于3 cm時(shí)，劍麻纖維水泥基復(fù)合材料試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率下降,但抗折強(qiáng)度與未摻入劍麻纖維的試件相比還是有所提高。摻入劍麻纖維長(zhǎng)度為1、2、3 cm時(shí)，3個(gè)齡期試件的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率接近平行,由于劍麻纖維長(zhǎng)度增加，劍麻纖維與水泥接觸面積大、粘結(jié)力增加,試件抗折強(qiáng)度成正比例增長(zhǎng)。摻入劍麻長(zhǎng)度為4 cm時(shí)，試件隨齡期增長(zhǎng)，抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率相同,與混凝土隨齡期增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度由快到慢的結(jié)論不符,這是由于4 cm的劍麻纖維較長(zhǎng)，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重抑制試件抗折強(qiáng)度增加。綜上分析,當(dāng)摻入劍麻纖維長(zhǎng)度為3 cm,齡期為28 d劍麻纖維水泥基復(fù)合材料破壞荷載最大,承受拉力最強(qiáng)。

摻入不同長(zhǎng)度的劍麻纖維水泥基復(fù)合材料試件抗折強(qiáng)度呈規(guī)律性變化的主要原因有以下幾種:①表面粗糙的劍麻纖維增強(qiáng)了劍麻纖維與水泥的界面粘結(jié)力延緩了界面的破壞, 從而提高水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度； ②隨著劍麻長(zhǎng)度的增加， 界面粘結(jié)力相應(yīng)增加， 抗折強(qiáng)度也相應(yīng)提高； ③試件斷面呈現(xiàn)不同長(zhǎng)度的劍麻纖維在試件中分散性不同。 1 cm的劍麻纖維分散比較均勻, 4 cm的劍麻纖維在水泥基復(fù)合材料中分散性較差, 主要原因是劍麻纖維越長(zhǎng)越不容易分散, 在攪拌過程中結(jié)團(tuán)、 纏繞的現(xiàn)象越嚴(yán)重,試件內(nèi)部出現(xiàn)薄弱部位從而出現(xiàn)應(yīng)力集中，試件抗折強(qiáng)度有所下降。

3 結(jié) 論

劍麻作為一種節(jié)能環(huán)保的可再生資源,可有效提高水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度,在建筑材料中可作為一種添加劑使用。摻入劍麻纖維的水泥基復(fù)合材料與普通水泥基復(fù)合材料相比抗折強(qiáng)度有所增加。劍麻纖維適中的長(zhǎng)度可有效地改善水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度。本次試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)摻入劍麻纖維可有效地抑制試件中的細(xì)微裂縫,并且其表面粗糙，增強(qiáng)了劍麻纖維與水泥基的界面粘結(jié)力，延緩界面的破壞。所以摻入劍麻纖維時(shí)，劍麻纖維水泥基復(fù)合材料比未摻入劍麻纖維水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度明顯增加。

(2)試件的抗折強(qiáng)度會(huì)隨摻入劍麻纖維長(zhǎng)度的增加而增長(zhǎng),但是摻入劍麻纖維的長(zhǎng)度增加到一定程度再繼續(xù)增加會(huì)使試件中出現(xiàn)纏繞、結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象,降低劍麻纖維使用效率,抑制劍麻纖維水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的增加。摻入3 cm劍麻纖維試件每個(gè)齡期的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大。

(3)劍麻纖維能夠有效提高試件的抗折強(qiáng)度,并且劍麻纖維能夠加快試件的抗折強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的增長(zhǎng)速度。隨著齡期增加劍麻纖維水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度增加,增長(zhǎng)幅度下降,與混凝土隨齡期增長(zhǎng)幅度相符。