棕櫚纖維高性能水工混凝土復合材料實驗研究

吳海生

(梅州市威華水利水電建設工程有限公司，廣東 梅州 514000)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)被用來描述由硅灰、細砂和高劑量的高濃度減水劑組成的鋼纖維增強的水泥基復合材料，其水膠比極低。由于其出色的機械性能，如抗壓強度超過150MPa，抗折強度超過30MPa，它是20世紀混凝土技術中最重要的突破之一。然而，UHPC相對較高的初始成本限制了它在建筑行業的廣泛使用。其主要材料中，硅灰和鋼纖維的采購成本高，這為研究人員尋找適合開發水泥基復合材料的替代材料打開了大門。大量的補充膠凝材料，如粉煤灰等，被用來部分替代水泥或硅灰，以生產低成本、耐用和可持續的混凝土。

目前，許多研究正在尋找鋼纖維和硅灰的替代材料，以便開始開發低成本的UHPC。許多研究人員已經調查了利用替代纖維材料(如天然或人造纖維)來替代鋼纖維的情況。潘等人[4]研究了使用棕櫚油纖維的混凝土強度。研究發現，在纖維含量為0.25%和0.50%時，實現強度顯著增加的最佳長度分別為5cm和3cm。吳等人[5]研究了含有不同體積分數的棕櫚纖維的粉質黏土的特性。他們得出結論，棕櫚纖維與輕質碎磚混凝土的使用提高了混凝土的機械性能(抗壓強度和抗折強度)。俞等人[6]研究了從棕櫚樹中提取的各種纖維的化學和物理特性。棕櫚樹纖維的密度明顯低于其他任何天然纖維，給予更好的抗壓強度、抗拉強度和楊氏模量，證實了使用棕櫚纖維來制造可持續纖維增強聚合物復合材料的可能性。本文的利用棕櫚纖維作為鋼纖維的部分替代物，開發綠色、低成本和可持續的超高密度復合材料的可行性。

1 試驗方案

1.1 材料

本研究中使用了PO42.5R普通硅酸鹽水泥和硅灰，水泥和硅灰的比重分別為3.15和2.25，材料的化學成分見表1。用比重為2.56、吸水率為0.4%的細骨料(沙丘砂)來制備混合物，添加的減水劑為聚羧酸系減水劑。在水泥基復合材料中使用了長度為12.7mm、直徑為0.15mm、長寬比為84的光滑普通銅涂層鋼纖維作為增強劑。根據制造商的報告，鋼纖維的抗拉強度為2500MPa。棕櫚纖維是從當地市場購買的原始棕櫚纖維剔除雜志后制備獲得。圖1展示了從原始棕櫚外皮上提取棕櫚纖維的過程。用水清洗纖維并在室溫下儲存一周，然后將纖維切成較小的尺寸，與傳統鋼纖維的長度相似。本研究中的棕櫚纖維平均直徑和長度分別為0.85mm和12mm。在用3%的氫氧化鈉進行堿性處理后，對棕櫚纖維的物理和機械性能進行了測試，去除覆蓋在纖維上表面的任何蠟層、油和其他雜質，以及減少纖維的吸水率。研究發現，單個棕櫚纖維的平均拉伸強度為112MPa。

圖1 棕櫚纖維制備過程

表1 原材料化學成分(質量分數)

1.2 混合和樣品制備

使用絕對體積法設計樣品，參考UHPC復合材料的混合設計(見表2)。所有混合物的水與粘合劑的比例為0.15。鋼纖維被棕櫚纖維取代，鋼纖維的重量比例為5%、10%、15%、20%和25%。首先，將干水泥、硅灰和細砂在中型標準混合器中以低速混合兩分鐘。然后，將減水劑和水分別混合，輕輕地加入到混合物中。直到混合物轉化為具有一定粘度的流體。而后，將纖維緩慢地引入到混合物中攪拌6分鐘，確保纖維在水泥基體中均勻分散。最后，將混凝土澆注到立方體(100mm×100mm×100mm)和棱柱體(100mm×100mm×500mm)的模具中，使用機械振動臺將模具輕輕地振動一分鐘，直到達到完全固結。澆注后，試樣用塑料布覆蓋24小時，并在室溫下儲存(22±2℃)。在室溫下固化24小時后，將試樣脫模并放入高溫蒸養箱中，在90℃下加速固化3天[7]。

表2 試件配合比(kg/m3)

1.3 測試方法

1.3.1物理特性

樣品的密度是根據ASTM C138/C138M—17a的規定，用精度為0.1%的天平用重量法測定。樣品的吸水率按照ASTM C1585—20標準測量。

1.3.2抗壓強度

抗壓試驗是根據ASTM C469標準，使用萬能試驗機對固化后的立方體試樣進行的。

1.3.3彎曲強度

四點彎曲試驗按照ASTM C78的規定，使用萬能試驗機以0.5mm/min的恒定加載速率進行。

1.3.4掃描電子顯微鏡

使用掃描電子顯微觀察樣品的形態以及纖維與水泥基質的界面結合情況。從試樣上輕輕地切下一小部分樣品，用碳膠片將樣品安裝在標準支架上。在5kV的加速電壓下，將樣品以100倍到1000倍的放大率進行掃描并觀察。

2 結果和討論

2.1 抗壓強度

圖2中展示了測試的UHPC立方體的抗壓強度。測試了三個試樣，并報告了平均值。平均抗壓強度隨著棕櫚纖維百分比的增加而下降(例如，25%的棕櫚纖維替代導致抗壓強度比0%替代率的組別下降48%)。這是由于鋼纖維和棕櫚纖維之間長寬比的不同，導致纖維和基體之間的粘結強度差異。長寬比為65的鋼纖維與長寬比為14的普通棕櫚纖維相比具有更高的粘結強度。符合其他研究中報告的鋼纖維的長寬比對UHPC的抗壓強度有很大影響。在鋼纖維替換量不變的情況下，較高的鋼纖維長寬比有著較高的抗壓強度。高長寬比的鋼纖維可以抵抗大的裂縫，提高抗壓強度；相反，低長寬比的棕櫚纖維只能控制微裂縫的開裂和擴展[8]。

圖2 棕櫚纖維UHPC試件抗壓強度

此外，鋼纖維和棕櫚纖維之間的材料特性差異，如比重、密度、吸收率、彈性模量等，都會使抗壓強度下降。同時，隨著纖維體積分數的增加會產生纖維捆綁，導致基體中的薄弱點，降低抗壓強度。

所有含有棕櫚纖維的試樣在試樣表面出現多條小裂縫，顯示出一種具有延展性的破壞模式。在峰值荷載下，試樣仍未發生斷裂，表明添加棕櫚纖維也改善了基體的抗爆裂性能，防止在壓縮荷載下出現脆性破壞。根據抗壓強度的結果，用棕櫚纖維替代鋼纖維的最佳比率是10%，抗壓強度接近于純鋼纖維增強超高性能混凝土。

從圖3中可以看出，無論替換的百分比如何，單軸抗壓強度都呈現出先增后減的趨勢。上升部分只有很小的變化，在應力-應變關系的下降部差異較大。從圖3中還可以看出，纖維替代百分比的變化對峰值應力有巨大的影響，纖維百分比越高越低，最高可達25%。

圖3 棕櫚纖維UHPC試件壓縮應力-應變曲線

2.2 彎曲強度

所有試樣在4點彎曲下的整體抗彎強度結果見圖4，彎曲強度隨著棕櫚纖維替代率的增加而降低。這種降低可以解釋為由于這些混合纖維在混合和澆注試樣時的取向和分散而造成的。此外，兩種纖維的長寬比不同，可能導致纖維在UHPC基體中的不正確排列，如圖6中所示。結果顯示，棕櫚纖維-0的最大抗彎強度為31MPa，最大荷載下的最大撓度為2.3mm，而棕櫚纖維-25的值為18MPa，撓度為1.4mm。該試驗還表明，鋼纖維對棕櫚纖維的最佳替代水平在5%～10%之間。

圖4 棕櫚纖維UHPC試件抗彎強度

如圖5中的荷載-撓度曲線所示，所有混合物的延性破壞模式都表現為軟化破壞模式，變形時間延長。據觀察，在開裂荷載之后，即底部第一條裂縫發展所對應的荷載，試樣繼續隨著撓度的增加，承載更多的負荷，直到達到最大負荷(峰值負荷)。荷載的增加是由于混合纖維的存在，在第一次開裂后，混合纖維被完全調動起來，起到了阻止裂紋的作用。在達到峰值荷載后，發生了軟化坍塌模式，隨著撓度的增加和裂縫的增長，荷載逐漸減少，但由于鋼纖維的橋接作用，試樣保持了良好的完整性。與普通混凝土不同，混雜棕櫚纖維增強的UHPC的破壞是由于纖維存在下的單一垂直裂縫的發展。在彎曲試驗中，所有的試樣都觀察到了單條裂縫在跨中出現并穿過試樣的底部，顯示出具有延性的破壞模式。

圖5 棕櫚纖維UHPC試件荷載-撓度曲線

2.3 密度

計算密度是根據每個配合比中使用的材料數量計算得出的，硬化密度是在固化期結束后測量的。表3顯示了所有配合比的計算和測試密度的差異，這是由于養護制度和配料的類型和含量造成的。據觀察，堆積密度隨著混凝土強度的增加而增加，這是由于堆積密度較高的混凝土材料的孔隙率較低所預期的。隨著替代物百分比的增加，混凝土的密度會降低。由于鋼纖維和棕櫚纖維的密度約為7850kg/m3，而棕櫚纖維的密度約為920kg/m3。在用棕櫚纖維替代鋼纖維的25%時，密度從近2500kg/m3降低到約2349kg/m3。這會導致材料的堆積密度降低，因為這種混合纖維會增加吸水率和降低抗壓強度。

表3 新澆與固化棕櫚纖維UHPC密度(kg/m3)

2.4 吸水率

所有配合比的吸水率結果見圖6。正如預期的那樣，測試結果表明，由于棕櫚纖維的存在，隨著置換水平的提高，吸水率也隨之提高。據觀察，吸水率可以與硬化混凝土的密度相關聯。隨著鋼纖維對棕櫚纖維s的替代水平的增加，UHPC的密度降低，導致吸水率增加。

2.5 棕櫚纖維與基體界面

圖7顯示了用鋼纖維和棕櫚纖維增強的UHPC復合材料的SEM顯微照片。一般來說，水泥基質顯得光滑而致密，表明這是一種堅固的復合材料。含有棕櫚纖維的復合材料的SEM顯微照片(圖7a)清楚地表明，纖維和水泥基質之間的結合很強。這一點從兩個成分之間存在的物理接觸可證明。纖維素材料(如棕櫚纖維)的高表面能量是水泥基質和棕櫚纖維之間牢固結合的原因。相反，含有鋼纖維的復合材料(圖7b)顯示出水泥基質和纖維之間的松散粘連，表明基質和鋼纖維之間缺乏兼容性和接觸。根據SEM的觀察，在UHPC復合材料中引入棕櫚纖維作為增強劑，通常會改善復合材料的纖維與基體界面結合。因此，正如本研究中所觀察到的那樣，用棕櫚纖維增強的UHPC復合材料最有可能獲得更好的延性行為。

圖7 (a)棕櫚纖維UHPC試件(b)鋼纖維UHPC試件

3 結論

本文通過實驗研究了用棕櫚纖維增強的超高性能混凝土(UHPC)的一些物理和機械性能，作為傳統鋼纖維的部分替代。通過掃描電子顯微鏡對UHPC復合材料的形態和纖維與基體的結合進行了研究。結果表明，使用棕櫚纖維作為傳統鋼纖維的部分替代品，可以獲得具有與傳統UHPC相當的物理和機械性能的UHPC復合材料。纖維含量的增加會降低樣品的機械強度。有趣的機械性能是在低棕櫚纖維替代水平下獲得的，范圍在5%～10%之間。棕櫚纖維含量的增加可降低UHPC復合材料的密度。棕櫚纖維增強的UHPC可以很好地作為一種新的生物復合建筑材料使用。