復合混凝土材料及不同蜂窩夾芯結構的力學性能綜述

徐靜怡,甘金淼,張景顥,李文月,屈恩相

(齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

蜂窩夾芯板的結構可分為3部分,即上下面板、蜂窩芯及膠膜。上下面板起承力作用,蜂窩芯起支撐作用,膠膜起黏接作用。蜂窩芯的結構形式有正六邊形、正方形、菱形等,常用的是仿造蜂巢的正六邊形夾層結構,該結構源自著名的蜂窩猜想,具有較高的結構效率、穩定性及良好的抗疲勞性[1-2]。稻草纖維與其他纖維相比,具有價格低廉、綠色環保、取材便捷等優勢,其制備的稻草纖維混凝土是綠色環保的新型混凝土。納米二氧化硅是一種無機化工材料,可提高其他材料的抗老化、強度及耐化學性能等。蜂窩夾芯板的制備多使用金屬[3-6]、塑料[7-8]、木質[9]等材料,很少使用混凝土材料。目前國內外對復合混凝土材料蜂窩夾芯板的力學性能研究較少,因此進行稻草秸稈纖維與納米二氧化硅復合混凝土材料及蜂窩夾芯結構的探索具有重要意義。本研究綜述了國內外關于稻草秸稈纖維與納米二氧化硅復合混凝土材料及不同蜂窩夾芯結構在力學性能方面的研究。

1 不同復合混凝土材料分析

1.1 稻草纖維混凝土

稻草纖維是應用于建筑材料中的植物纖維,應用歷史達數百年。李超飛等[10]通過一系列試驗得到了相同摻料配比、不同比例、不同形狀的秸稈纖維混凝土的加工性、抗彎強度、重量、抗壓強度、劈裂抗拉強度等性能規律。研究表明,混凝土韌性增大、秸稈纖維摻量增加的同時抗壓強度與拉彎強度降低?？箟簭姸扰c抗彎強度的比率在開始時升高而后降低。秸稈纖維可提高混凝土性能,降低施工成本。Ataie, F[11]探討了稻草纖維添加量(RSF)對混凝土抗壓抗彎強度、干燥收縮率及水泥水化熱的影響,結果表明,在混合和樣品固結過程中從RSF中擠出的水增加了有效水灰比(w/c),導致混凝土強度降低及干燥收縮率增加,因此合適的稻草纖維添加量對于混凝土力學性能來說至關重要。

稻草纖維的不同形狀、長度對混凝土力學性能也有很重要的影響。譚曦等[12]對稻草纖維混凝土物理力學性能方面展開了研究,認為絲狀纖維比桿狀纖維對混凝土的坍落度、凝結時間、表觀密度的影響更大。稻草纖維摻量增加時,混凝土的抗壓強度、抗折強度及劈裂抗拉強度均下降,混凝土的抗沖擊性能及抗變形能力增強。張學元等[13]進行了稻草纖維摻入下輕骨料混凝土力學性能試驗研究,探索了相同條件下不同因素對輕骨料混凝土力學性能的影響,得出纖維長度對混凝土的影響：在同一配合比下,纖維長度對混凝土抗壓強度存在一定的影響,但影響不顯著;一定長度范圍內,纖維越短劈裂抗拉強度越高,纖維越長抗沖擊強度越高。

圖1 (a)原生態稻草秸稈纖維 (b)桿狀稻草秸稈纖維 (c)絲狀稻草秸稈纖維

混凝土強度等級越高,脆性越大,采用碳纖維、鋼纖維[14]、石墨烯[15]等材料增韌混凝土有一定的作用,但這種材料使用成本高,不易制備,因此需采用價格低廉、綠色環保、取材便捷的植物纖維對混凝土進行增韌。

1.2 摻納米二氧化硅混凝土

納米二氧化硅(no-silica,簡稱NS)具有優良的火山灰活性,可降低混凝土的坍落度及擴展度,摻入適量納米二氧化硅能使混凝土的各齡期強度均有所提高。陳豐[16]探究了納米SiO2、納米CaCO3和納米Al2O3強化再生骨料對混凝土工作性能、力學性能及耐久性能的影響。研究表明,普通再生粗骨料部分替代天然粗骨料制備的混凝土強度高、坍落度小、耐久性能差。納米SiO2、納米CaCO3和納米Al2O3強化粗骨料對再生骨料混凝土坍落度及抗離子滲透性能有較大的提升作用,其中納米SiO2對再生骨料混凝土性能的提升作用最為明顯。鄭俊穎等[17]通過改變納米二氧化硅摻量研究納米二氧化硅對混凝土力學性能的影響。結果表明,摻入納米二氧化硅會顯著降低混凝土拌和物的流動性。在水膠比為0.4、納米二氧化硅為0%～1.5%時,納米二氧化硅能有效提高混凝土的抗壓強度及軸壓峰值應變,且隨納米二氧化硅摻量的增加混凝土抗壓強度和峰值應變逐漸提高,當納米二氧化硅摻量為1.5%時強度提高效果最為顯著。

綜上所述,在混凝土中摻入納米二氧化硅可提高混凝土的抗壓強度、抗折強度及劈裂抗拉強度,但在混凝土中摻入過量的納米二氧化硅會造成強度下降[18]。

1.3 改性稻草秸稈纖維混凝土

稻草秸稈纖維可提高混凝土的力學性能,但改性后的稻草秸稈纖維對混凝土力學性能的影響更加顯著。X Shang等[19]在室溫(20 ℃)堿性(氫氧化鈉)處理和高溫(90 ℃)堿性處理條件下對稻草秸稈纖維和改性秸稈纖維進行分析,結果表明,堿處理可提高纖維的纖維素比例、長徑比、拉伸強度,降低纖維的吸水率,在等溫量熱儀分析驗證下得到纖維改性消除了秸稈纖維對水泥水化的抑制作用,改性纖維的摻入使復合材料的彎曲強度及抗壓強度分別提高了12.5%～22.3%、4.7%～14.6%。

稻草秸稈纖維與納米二氧化硅均可提高混凝土力學性能。將稻草秸稈纖維與納米二氧化硅一同加入到混凝土中可發揮雙重作用。邵偉華等[20]通過氫氧化鈉對稻草秸稈纖維進行預處理,研究了不同納米二氧化硅濃度和稻草秸稈纖維摻量對混凝土力學性能的影響,結果表明,不同濃度的納米二氧化硅對改性稻草秸稈纖維混凝土的強度作用不同,適量濃度的納米二氧化硅可有效提高稻草秸稈纖維混凝土的抗壓性能及抗折強度。

圖2 稻草秸稈纖維混凝土7 d 和 28 d 抗壓強度

圖3 稻草秸稈纖維混凝土 28 d抗折強度

納米二氧化硅接枝于稻草秸稈纖維表面后加入水泥基材料中,可促進界面過渡區水泥水化,生成C-S-H凝膠物質,提高纖維與水泥基界面的黏結能力。在荷載作用下,混凝土內部骨架結構可消耗部分能量阻止裂縫發展,增強稻草秸稈纖維混凝土的力學性能。

2 不同蜂窩夾芯結構、蜂窩芯對蜂窩夾芯板的影響

蜂窩夾芯結構的設計靈感來源于大自然蜜蜂筑巢的結構形式,是最早被人們發現并應用的夾芯結構具有比剛度大、比強度大、優異的抗彎及抗沖擊性能,還具有減震保溫、隔音及阻燃的特性,性能穩定,已廣泛應用于航天飛機、船舶、汽車等運載工具,具有廣闊的市場前景。

2.1 不同蜂窩夾芯結構對力學性能的影響

2.1.1 類蜂窩夾芯結構與組合型類蜂窩夾芯結構

李響等[21]以衛星結構的蜂窩夾層板作為應用實例,對類蜂窩和正六邊形蜂窩夾芯結構的等效力學常數進行計算比較,得出兩者的等效彈性模量相似,但類蜂窩夾芯結構(如圖4所示)的等效剪切模量更高、等效密度更小,有利于減小結構的質量。李響等[22]從仿生序構角度提出一種組合型類蜂窩夾芯結構,對其進行面內力學性能研究。該結構是經過胞元原理簡化后的四邊形嵌套八邊形的組合型類蜂窩夾芯結構。在相同等效密度下,將超輕多孔類蜂窩夾芯結構[21]與組合型類蜂窩夾芯結構新型等效力學性能進行對比實驗,得出組合型類蜂窩夾芯結構的面內等效彈性模量是類蜂窩夾芯結構的20倍左右,且剛度有很大的提升。

圖4 類蜂窩夾芯結構

2.1.2 混合蜂窩夾芯結構

Raeisi S等[23]設計研究了夾層結構芯材的新型單元格的力學行為。新型芯材模型包含了傳統蜂窩單元和輔助蜂窩單元,為夾層結構創建了混合蜂窩(HHC)。通過3次實驗測試了不同設計的抗壓強度,發現新型HHC單元尺寸設計的機械性能明顯高于輔助設計及傳統設計。Han B等[24]提出將金屬蜂窩與折疊薄金屬片(波紋)相結合,通過實驗和數值計算研究了混合芯材夾層板在受到平面外壓縮、橫向剪切和三點彎曲時的性能。與采用空波紋或蜂窩芯夾層相比,這種夾層的強度和能量吸收能力顯著提高。Zhang Z[25]通過蜂窩-波紋組裝和真空釬焊制造出一種帶有方形蜂窩-波紋混合芯材(SHCH)的新型輕質夾層結構,對混合結構的平面外準靜態壓縮行為進行研究。結果表明,釬焊結構在高密度區域的強度和能量吸收能力明顯高于空波紋夾層和方形蜂窩芯夾層的強度及能量吸收能力之和。此外,在高密度區域,方形蜂窩-波紋混合夾芯的抗壓強度明顯優于其他競爭夾芯拓撲結構。

2.2 單層、多層夾芯結構對蜂窩夾芯板力學性能的影響

雙層的蜂窩夾芯結構與單層的蜂窩夾芯結構相比具有更好的力學性能[26-27]。張曉翠等[28]通過數值仿真方法模擬單層和多層蜂窩板在壓縮過程中的變形行為,研究結構參數對多層蜂窩板屈服強度的影響,以此對比單層和多層蜂窩板的力學性能。結果表明：多層蜂窩板在壓縮過程中蜂窩板芯層變形更加均勻,蜂窩芯邊長和壁厚對蜂窩板屈服強度影響大,蜂窩板面層厚度和層數對多層蜂窩板的屈服強度影響小。畢廣劍等[29]對6種不同蜂窩結構進行抗侵徹性能分析,結果表明：在蜂窩夾層結構中,蜂窩芯層吸能效果遠大于上下金屬面板?；旌想p層蜂窩結構的抗侵徹性能優于單層蜂窩夾層結構。Nikhil G等[30]探討了不同蜂窩芯拓撲結構夾芯板在爆炸荷載下的荷載減緩性能差異。結果表明,多層夾心和中間薄板增強了夾芯板的強度及在爆炸荷載下的強度。

2.3 不同蜂窩芯對蜂窩夾芯結構力學性能的影響

Shanshan S[31]提出了具有周期性緊密區的蜂窩芯,對具有3種局部致密蜂窩芯的夾芯板進行平面內壓縮試驗,得出局部致密結構對力學性能及失效模式的影響。結果表明,局部緊密型蜂窩芯可有效提高夾層試件的機械性能,采用局部正交緊密型夾芯的夾層試樣的比能量吸收率提高了400.46%,局部正交緊密蜂窩芯夾層結構改善了載荷的傳遞路徑,減少了高剛度面片和低剛度芯材之間的不匹配,表現出漸進式壓潰失效模式。He M等[32]根據最佳力學性能推導出蜂窩芯重量比范圍,當蜂窩芯重量為整個蜂窩夾芯板重量的50%～66.7%時,蜂窩夾芯結構達到最大抗彎剛度和抗彎強度。

不同蜂窩夾芯結構作用下的蜂窩夾芯板力學性能不同,在制備蜂窩夾芯板時應根據最優結構、最優比例進行制作,以制作高性能的蜂窩夾芯板。

3 結論

綜述了稻草纖維、納米二氧化硅、改性稻草秸稈纖維對混凝土力學性能的影響及不同蜂窩夾芯結構、蜂窩芯對蜂窩夾芯板的影響,得出如下結論：稻草秸稈纖維的摻量、形狀、長度均對混凝土的力學性能有影響。從稻草秸稈纖維自身考慮,纖維摻量對混凝土強度的影響最大,纖維形狀次之,纖維長度影響最小。在混凝土中摻入納米二氧化硅會影響混凝土的力學性能?；炷翐饺脒m量納米二氧化硅后可提高其抗壓強度、抗折強度及劈裂抗拉強度,如果摻入的納米二氧化硅過量會造成混凝土強度下降。在堿性條件下,改性稻草秸稈纖維可提高稻草秸稈纖維的纖維素比例、拉伸強度、長徑比,降低纖維的吸水率,因此摻入改性稻草秸稈纖維可提高復合材料的彎曲強度及抗壓強度。接枝適量濃度納米二氧化硅可有效提高稻草秸稈纖維混凝土的抗折強度及抗壓性能。新型類蜂窩夾芯結構、混合蜂窩夾芯結構的力學性能均優于普通蜂窩夾芯結構;多層蜂窩板比單層蜂窩板在壓縮過程中變形更加均勻,力學性能更好,且混合雙層蜂窩夾芯結構的抗侵徹性能最好;蜂窩面層厚度與層數對多層蜂窩板的屈服強度影響小;蜂窩芯壁厚和邊長對蜂窩板屈服強度影響大;局部緊密型蜂窩芯可有效提高夾芯板的力學性能;蜂窩芯重量比可改善蜂窩夾芯結構的最大抗彎剛度和抗彎強度,當蜂窩芯重量為整個蜂窩夾芯板重量的50%～66.7%時,蜂窩夾芯結構可達到最大抗彎剛度及抗彎強度。此結果可為制備復合混凝土材料蜂窩夾芯板提供參考。