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、乙酰化處理以及使用KH-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,提高幅度漸緩,但總體仍呈增長趨勢；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(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：單點(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度為4 cm試件與摻入劍麻纖維長度1 cm試件對(duì)照,發(fā)現(xiàn)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(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(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)度隨齡期增長的增長速度。可以看出,隨著齡期的增長,試件抗折強(qiáng)度增長速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢,這與混凝土的強(qiáng)度隨齡期的增長規(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。

劍麻纖維長度對(duì)試件抗折強(qiáng)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(qiáng)度增長率最大,齡期為28 d摻入劍麻纖維試件的抗折強(qiáng)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(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 劍麻纖維長度試件抗折強(qiáng)度增長率的影響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(xù)增加會(huì)使試件的抗折強(qiáng)度增長率減小。

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,但是劍麻纖維的長度越長，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)度的增長趨勢相同,劍麻纖維長度水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響存在一個(gè)最優(yōu)值(劍麻纖維長度為3 cm),當(dāng)劍麻纖維長度小于3 cm時(shí)，隨著劍麻纖維長度增加，劍麻纖維水泥基復(fù)合材料試件的抗折強(qiáng)度增長率增加；當(dāng)劍麻纖維長度大于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。摻入劍麻纖維長度為1、2、3 cm時(shí)，3個(gè)齡期試件的抗折強(qiáng)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(jié)力增加,試件抗折強(qiáng)度成正比例增長。摻入劍麻長度為4 cm時(shí)，試件隨齡期增長，抗折強(qiáng)度增長率相同,與混凝土隨齡期增加，強(qiáng)度增長速度由快到慢的結(jié)論不符,這是由于4 cm的劍麻纖維較長，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(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)度隨齡期增長的增長速度。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,增長幅度下降,與混凝土隨齡期增長幅度相符。