劍麻纖維水泥基復合材料彎曲力學性能

郭培培,黃 俊,2,田國鑫,梁乘瑋

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

20世紀70 年代初,英國和瑞典研究者用劍麻作為砂漿的增強材料,研究了改進劍麻纖維水泥基復合材料的耐久性[1-3]。近年來,國內一些學者對劍麻纖維的表面處理方法、有機雜化材料制備和劍麻纖維復合材料力學性能影響進行了大量的研究[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 SF表面改性,研究了SF表面處理對聚丙烯(PP)/SF復合材料結構和性能的影響；楊桂成等[6]采用熱處理、乙酰化處理以及使用KH-550偶聯劑“搭橋”等方法預處理SF,對SF增強聚氯乙烯復合材料的力學性能和耐水性進行了研究；李肖建[7]研究了劍麻纖維素微晶/八氨基POSS有機無機雜化材料的制備及性能；陸宏新等[8]對劍麻纖維改性瀝青混凝土的復合材料界面進行研究,結果表明,劍麻纖維可以抑制細微裂紋發展,提高復合材料的強度和韌性；包惠明等[9]通過對摻入不同含量劍麻纖維的水泥混凝土進行力學性能試驗發現, 劍麻纖維的摻入可以顯著提高混凝土的早期強度, 隨著劍麻摻量的增加和齡期的增長,提高幅度漸緩,但總體仍呈增長趨勢；董建苗等[10]對劍麻纖維增強礦粉-粉煤灰水泥基砌塊力學性能進行研究。

本文設計不同齡期下劍麻纖維長度對水泥基復合材料的抗折強度的影響試驗。試驗分為7、14、28 d三個齡期,每個齡期根據劍麻纖維長度不同分5組,其中1組試件為不加入劍麻纖維的基準試件,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個試件,共計90個試件。期望能為劍麻纖維在實際工程中運用提供一定的理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥:廣西魚峰水泥股份有限公司生產的魚峰牌P·O 42.5級水泥,各項性能指標滿足規范要求。其主要品質指標如表1所示。

砂:普通中粗河砂,連續級配,含水率5%,各項性能指標滿足相關規范要求。

外加劑:蘇州某公司生產的聚羧酸高效減水劑,減水率≥14%。

水:普通自來水。

劍麻纖維:采用江西鄱陽生產的劍麻纖維絲,天然植物劍麻纖維直徑大小不等(100～200 μm),纖維長度90～130 cm,含雜率<3%,回潮率9.5%,纖維拉力>800 N,伸長率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,增強劍麻與水泥砂漿之間的粘結力。

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,劍麻纖維混凝土幾乎不發生泌水現象[19]。本次試驗劍麻纖維摻入量為3.0 kg/m3,質量分數為0.13%,劍麻纖維長度按照1、2、3、4 cm亂向投放。試驗之前為清除劍麻纖維表面雜質,將不同長度的劍麻纖維分別浸泡在質量濃度為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三個齡期的試件,具體配合比如表2所示(以28 d試件為例編號為A, 7、 14與28 d試件的配合比相同, 7、 14 d編號分別用B和C表示。 文中其他表格編號與此相同)。

絲狀劍麻纖維直接加水攪拌易結團影響其作用效果。試驗中,為使劍麻纖維分散均勻,先將水泥、砂、劍麻纖維放入攪拌機干拌3 min,再加水濕拌6 min。將攪拌后的劍麻纖維水泥基復合材料放入100 mm×100 mm×300 mm模具中,振動3～5 min后抹平放置于室內平整處,24 h后拆模,室內養護。

1.3 試驗步驟

水泥基復合材料試件彎折強度試驗是另一種間接測試抗拉強度的試驗方法。 彎折強度試驗加載方式有兩種：單點集中加荷和三分點加荷[19-20]。 本試驗采用單點集中加荷方法(圖1)，試件的有效受力長度為200 mm。 為了減少誤差確保試驗數據的可靠性, 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。 抗折試驗采用WE-30型液壓式萬能材料試驗機,加載范圍0～300 kN。 試驗過程中觀察試件表面裂縫變化, 記錄試驗數據,試驗數據精確到0.1。

2 結果分析

試件的抗折試驗結果見表3。圖2a是劍麻纖維長度在4 cm時試件的斷截面團,劍麻纖維分布出現不均勻現象,集中現象;圖2b中將摻入劍麻纖維長度為4 cm試件與摻入劍麻纖維長度1 cm試件對照,發現劍麻纖維長度為1 cm的試件中劍麻纖維的分布較均勻,造成這種現象的原因為試件在制備過程中劍麻纖維分散不均勻、攪拌不均勻以及水泥基復合材料的沉降。

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

表1 P·O 42.5級水泥主要性能指標

表2 試件水泥基復合材料配合比

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

表3 試件抗折試驗結果

圖2 試件斷截面Fig.2 Specimen broken section

圖3 齡期對試件抗折強度的影響Fig.3 Influence of ages on flexural strength of the specimens

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

在齡期為7 d時, 摻入劍麻纖維試件的平均抗折強度達到了未摻入劍麻纖維試件28 d齡期的平均抗折強度, 這是因為劍麻纖維表面比較粗糙，與水泥之間產生粘結力,劍麻纖維的抗拉強度較高,

圖4 劍麻纖維長度對試件抗折強度的影響Fig.4 Influence of the length of sisal fiber on the flexural strength of the specimen

進而提高了試件的整體抗拉強度, 所以在齡期為7 d時摻入劍麻纖維試件的抗折強度也得到了很大的提高。

劍麻纖維長度對試件抗折強度增長率的影響如圖5所示。齡期為7 d摻入劍麻纖維試件的抗折強度增長率最大,齡期為28 d摻入劍麻纖維試件的抗折強度增長率最小。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,抗折強度較低,其平均抗折強度是3.3 MPa,標準差是0.2,提高的幅度較大,所以試件抗折強度增長率最大。同時,表明劍麻纖維在試件齡期為7 d時已經與水泥產生了較大的粘結力,可以承受一定的荷載。

圖5 劍麻纖維長度試件抗折強度增長率的影響Fig.5 Influence of the strength growth rate of the tensile strength of sisal fiber

每個齡期中摻入3 cm劍麻纖維試件的抗折強度增長率都是最大的, 齡期為28 d摻入3 cm劍麻纖維試件的抗折強度是6.6 MPa, 標準差是0.2, 是平均抗折強度最大的試件, 與齡期為28 d基準試件相比增長了39.9%。 而齡期為28 d摻入4 cm劍麻纖維試件的抗折強度是6.3 MPa, 標準差是0.3, 與齡期為28 d摻入3 cm劍麻纖維試件相比略有降低, 故試件的抗折強度會隨摻入劍麻纖維長度的增加而增加, 但是摻入劍麻纖維的長度增加到一定程度再繼續增加會使試件的抗折強度增長率減小。

試件抗折強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,當劍麻纖維長度較大時加水攪拌容易纏繞、結團,減少平行于受拉方向的纖維數量,降低試件抗折強度,但是劍麻纖維的長度越長，劍麻纖維與水泥之間的接觸面積增加、粘結力越大。所以,摻入劍麻纖維長度為4 cm的試件的結團現象比摻入3 cm的試件較嚴重,而摻入4 cm的試件中劍麻纖維與水泥之間的粘結力比摻入3 cm的大。兩種情況同時作用下,使得摻入3和4 cm劍麻纖維試件的抗折強度相差不大。

結合圖3～圖5可知,3個齡期的試件抗折強度的增長趨勢相同,劍麻纖維長度水泥基復合材料抗折強度的影響存在一個最優值(劍麻纖維長度為3 cm),當劍麻纖維長度小于3 cm時，隨著劍麻纖維長度增加，劍麻纖維水泥基復合材料試件的抗折強度增長率增加；當劍麻纖維長度大于3 cm時，劍麻纖維水泥基復合材料試件的抗折強度增長率下降,但抗折強度與未摻入劍麻纖維的試件相比還是有所提高。摻入劍麻纖維長度為1、2、3 cm時，3個齡期試件的抗折強度增長率接近平行,由于劍麻纖維長度增加，劍麻纖維與水泥接觸面積大、粘結力增加,試件抗折強度成正比例增長。摻入劍麻長度為4 cm時，試件隨齡期增長，抗折強度增長率相同,與混凝土隨齡期增加，強度增長速度由快到慢的結論不符,這是由于4 cm的劍麻纖維較長，結團現象嚴重抑制試件抗折強度增加。綜上分析,當摻入劍麻纖維長度為3 cm,齡期為28 d劍麻纖維水泥基復合材料破壞荷載最大,承受拉力最強。

摻入不同長度的劍麻纖維水泥基復合材料試件抗折強度呈規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了劍麻纖維與水泥的界面粘結力延緩了界面的破壞, 從而提高水泥基復合材料的抗折強度； ②隨著劍麻長度的增加， 界面粘結力相應增加， 抗折強度也相應提高； ③試件斷面呈現不同長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合材料中分散性較差, 主要原因是劍麻纖維越長越不容易分散, 在攪拌過程中結團、 纏繞的現象越嚴重,試件內部出現薄弱部位從而出現應力集中，試件抗折強度有所下降。

3 結 論

劍麻作為一種節能環保的可再生資源,可有效提高水泥基復合材料的抗折強度,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合材料與普通水泥基復合材料相比抗折強度有所增加。劍麻纖維適中的長度可有效地改善水泥基復合材料抗折強度。本次試驗結果表明:

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

(2)試件的抗折強度會隨摻入劍麻纖維長度的增加而增長,但是摻入劍麻纖維的長度增加到一定程度再繼續增加會使試件中出現纏繞、結團等現象,降低劍麻纖維使用效率,抑制劍麻纖維水泥基復合材料抗折強度的增加。摻入3 cm劍麻纖維試件每個齡期的抗折強度增長率最大。

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