椰殼纖維增強改性水泥砌塊抗壓耐久性試驗

郭晉杰

摘要：研究了在水泥土砌塊中引入椰殼纖維，在軸向壓縮和彎曲載荷下測試了不同纖維質量分數的椰子纖維增強的水泥土砌塊，以檢查材料在峰值的承載能力、峰值后殘余強度和韌性方面的響應。結果表明，纖維增強水泥土砌塊在隔熱和機械性能方面具有預期的技術性能，摻入椰殼纖維后提高了水泥土砌塊的剩余強度、延性和能量吸收能力。水泥土砌塊中添加椰殼纖維可減少堿侵蝕和酸侵蝕。對于凍融和干濕循環，也顯示出類似的耐久性改善。

關鍵詞：建筑材料；水泥土砌塊；椰殼纖維；力學性能

中圖分類號：TQ342+.9文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0152-04

Compressiondurabilitytestof coconutshellfiber reinforcedmodifiedcementbricks

GUO Jinjie

（Shenzhen Bay Area Urban Construction Development Co.，Ltd.，Shenzhen 51805，China）

Abstract： The introduction of coconut fiber into cement bricks was investigated. Coconut fiber reinforced cement bricks with different fiber weight fractions were tested under axial compression and bending loads to check the re? sponse of the materials in terms of peak load capacity，post peak residual strength and toughness. Results show that fiber reinforced cement bricks have expected technical performance in thermal insulation and mechanical proper? ties. It is observed that coconut fiber reinforcement greatly improves the residual strength，ductility and energy ab? sorption of cement bricks. Adding coconut fiber to mortar can reduce alkali erosion and acid erosion. Similar dura? bility improvements are also shown for freeze-thaw and dry wet cycles.

Keywords： building material；cement bricks；coconut shell fiber；mechanical property

在發展中國家，作為建筑成本較低材料，水泥仍然是一種重要的建筑材料[1-3]。通過水泥連接在一起的纖維在水泥中提供了抗拉強度。纖維在水泥層之間提供了更好的一致性。水泥受壓時的應力-應變關系非常重要。發現纖維增強水泥的抗壓強度高于常規無纖維水泥[4-6]。這些纖維的存在增加了水泥的彈性。當水泥開始干燥時，它變形并發生收縮。纖維的分布是任意的，隨著纖維數量的增加，水泥土砌塊的拉伸強度和彈性性能提高。添加劑或穩定劑通常用于克服這些缺點，并且通常用于改善材料的特定性能[7-10]。相關研究表明，隨著纖維含量的增加，對干密度、抗壓強度和延展性有積極影響[11]。然而，對水泥土砌塊（ECB）上纖維加固應用研究仍然有限。因此，開展椰子纖維在水泥土砌塊中的使用以及纖維在承受壓縮和彎曲荷載時對砌塊峰值后性能的影響的研究非常必要[12-15]。

1 材料和方法

1.1 使用的材料

試驗計劃的目的是研究椰子纖維增強水泥土砌塊的力學性能。在研究中，以下材料用于砂漿制備。水泥：普通硅酸鹽水泥（OPC），表觀密度為1362 kg/m3，比密度為3150 kg/m3。土壤：調查中使用的土壤來自 XX地區，表觀密度為1348 kg/m3，比密度為2370 kg/m3。液限（LL）為16%，塑性指數（PI）為1.07%。土壤含有45.8%的粘土和粉土、50.2%的砂和4%的礫石。椰殼纖維：當地可用的未處理纖維，平均長度約為24 mm，平均直徑約為20μm。通過篩分用于制備砂漿的水泥和局部土壤的粒度分布，粒度分布曲線如圖1所示。

1.2 配合比設計

選定的砂漿、水泥與砂的體積比為1∶6，體積比例被轉換為質量，以避免不準確的測量。使用混凝土攪拌機從水泥和土壤的干混合物開始進行砂漿混合。將椰殼纖維隨機拋灑到干土中，逐步分批引入水泥和土壤的干混合物中。隨著混合的繼續，干燥混合物逐漸加水[16]。濕混合約10 min 后停止混合。椰殼纖維增強基質是用質量分數0%、0.2%、0.4%和0.6%水泥和土壤混合物的纖維制成的，水灰比保持在0.9。

1.3 試樣制備

濕混合物的壓實在重型鋼模具中進行，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體和制造的梁標稱尺寸為400 mm×100 mm×100 m。

根據ASTM C1609確定梁的尺寸，以提供3.5的跨深比，用于充分的彎曲性能評估。為了進行耐久性試驗，制備了尺寸為100 mm×100 mm×60 mm 的砌塊作為對照，并制備了質量分數0.4%椰殼纖維增強水泥土砌塊。5個立方體用于測定抗壓強度，5個梁用于測定具有不同椰殼纖維分數的每種土水泥砂漿類型的抗彎抗拉強度；澆鑄砌塊并保持養護28 d。

1.4實驗測試

為了獲得水泥砂漿的密度和吸水率，根據ASTM C140測量質量和尺寸，并根據ASTM C1585測量，吸附系數：

式中：Δw 為毛細血管引起的質量增益，kg；A 為暴露于水的面積，m2；ρ為水的密度，kg/m3；t為經過時間， min；s為吸附系數，mm/min 1/2；I0為初始吸附，mm。

在位移控制方法下，通過軸向壓縮試驗機評估水泥砂漿立方體的抗壓強度。加載過程是位移控制的單調加載，位移速率為2 mm/min。水泥砂漿立方體的抗壓強度由峰值承載能力除以基面面積計算得出。根據ASTM C1609，通過三點彎曲試驗研究了水泥砂漿的彎曲拉伸強度，兩個支架之間的凈跨度為350 mm。

通過位移控制方法，以2 mm/min 的位移速率在梁的中部施加荷載。

為了進行耐久性試驗，澆筑砌塊并保持養護28 d。將6個砌塊分別置于實驗室環境中，并浸入水、鹽、質量分數3%的堿性溶液和質量分數3%的H2SO4溶液中30 d。對于耐堿性和耐酸性試驗，分別采用ASTMC 289—07和ASTM C 1152M—04推薦的程序。浸泡30 d 后，取出塊體，并將塊體在自來水中洗滌，在大氣中保持1 d 以恒質量。取塊體的強度，從中確定保留的強度。

2 結果與討論

2.1 物理性能

測量了含有不同比例椰殼纖維的水泥土砌塊的質量和體積。試驗結果表明，椰殼纖維增強（CCR）砌塊的干密度小于對照砌塊。還觀察到，水泥土砌塊的干密度隨著椰殼纖維含量的增加而降低。因為椰殼纖維的比密度較低，為1150～1330 kg/m3，而土壤比密度約為2370 kg/m3，因為增加了椰殼纖維含量，從而降低了砌塊的密度。然而，在椰殼纖維部分內，CCR 砂漿的濕密度有所增加[17]。2個因素主要影響椰殼纖維水泥土砌塊的較高濕密度，椰殼纖維具有更高的吸水率和混合物中的空隙體積。因此，砂漿中的椰殼纖維允許立方體吸收更多的水。試驗結果表明，椰殼纖維含量為0%、0.2%、0.4%和0.6%時，吸水率分別為215.2、244.8、277.0和293.3 kg/m3。

為了確定吸附系數，繪制了每單位面積的吸附速率與時間平方根的關系圖。水泥土砌塊的吸附率如圖2所示。

對于椰殼纖維分數為0%、0.2%、0.4%和0.6%的土水泥塊，初始吸附系數分別為0.684、0.845、1.001和1.046 mm/min1/2。結果表明，在水泥土砌塊中添加椰殼纖維使砌塊觀察到的水量更快、更高。影響毛細上升的主要因素是塊體的多孔結構以及水泥和土壤顆粒周圍的界面區。

2.2 機械性能

2.2.1壓縮行為

壓縮試驗后的控制和CCR砂漿立方體如圖3所示。

在參考立方體的情況下，破壞類型為剪切破壞，一旦出現裂縫，立方體就會破裂成小塊，如圖3（a）所示。對于 CCR 砂漿立方體，即使出現裂縫，立方體也不會失去完整性。即使變形較大，也不會如圖3（b）～（d）所示斷裂成碎片。控制CCR 砂漿立方體的抗壓強度通過每種類型砂漿取5個立方體的平均值來確定。抗壓強度結果如圖4所示。

盡管含有0.2%纖維組分的對照立方體和砂漿立方體顯示出相似的強度，但對于較高纖維組分，砂漿立方體由于加入纖維而表現出抗壓強度的下降。強度降低的可能原因是水泥含量的減少和多孔含量的增加。當纖維添加到砂漿中時，它會降低整個砂漿混合料中的水泥百分比[18-20]。因此，特定數量骨料的可用水泥減少，導致抗壓強度降低。混合物中椰殼纖維含量的增加導致混合物中孔隙率的增加。因此，它降低了砂漿立方體的抗壓強度。

2.2.2 彎曲性能

彎曲試驗結果表明，纖維增強體影響砂漿的脆性行為。未加固砂漿梁出現突然失效，而CCR 砂漿梁出現逐漸失效，如圖5所示。

這些失效模式可以描述為失效前纖維橋接裂縫的結果。

試驗期間獲得的荷載-跨中撓度曲線用于計算彎曲抗拉強度（f）：

式中：P 為荷載；L 為跨度長度；b 為梁的寬度；d 為梁的深度。

剩余強度是纖維增強砂漿梁在首次開裂后承受荷載的能力。在研究中，考慮了無鋼筋和CCR 砂漿梁的剩余強度。圖6顯示了具有不同纖維含量的梁的初始和殘余彎曲拉伸強度。

從圖6可以看出，在椰殼纖維質量分數為0.0%時，其初始彎曲抗拉強度為1.06 MPa，剩余強度為0.02 MPa。隨著椰殼纖維含量的增加，初始抗拉強度逐漸下降到0.87 MPa；而剩余強度則上升到0.35 MPa。

2.3 耐久性試驗結果

2.3.1耐化學性

圖7顯示了含有質量分數0.4%椰殼纖維的對照和 CCR砌塊的抗水、抗鹽、抗堿性和耐酸性的剩余強度。

從圖7可以看出，基于每種混合物6個試樣的平均值，在自然環境、水浸沒和鹽溶液浸沒條件下，控制塊和CCR 塊的強度降低始終小于1%。由此可以發現，當對照塊在堿性溶液中浸泡30 d 時，其強度降低了6.6%。對于含有椰殼纖維的砌塊，其強度降低4.8%。這比對照塊降低30%。結果表明：當塊體浸入酸溶液中時，其強度顯著降低，在酸溶液中浸泡30 d 后，對照塊和CCR 塊的強度分別降低14.7%和7.9%。由此可以推斷，在土水泥塊中加入椰殼纖維可具有提供更好的耐堿性和耐酸性。

2.3.2 抗凍融性

當研究凍融循環對對照和CCR 砌塊抗壓強度的影響時，可以看出，隨著凍融循環次數的增加，砌塊抗壓強度降低。然而，椰殼纖維增強砌塊顯示出比對照砌塊更好的比較性能，結果如圖8所示。

從圖8可以看出，砂漿中加入纖維可提高砌塊的耐久性，經過12次凍融循環后，椰殼纖維增強砂漿的抗壓強度下降了19個百分點，對照砂漿中的減少為33個百分點，這種改善可能與椰殼纖維吸收張力的能力有關。盡管CCR 塊比對照塊吸收更多的水，但椰殼纖維的存在允許在解凍過程中產生的張力分布，導致更持久的抗凍融性。

2.3.3 耐干濕性

濕循環和干循環后的剩余強度結果如圖9所示。

從圖9可以看出，隨著干濕循環次數的增加，砌塊抗壓強度降低。與凍融循環類似，椰殼纖維增強砌塊顯示出比對照砌塊更好的比較性能。經過12次干濕循環后，椰殼纖維增強砌塊的抗壓強度下降了22個百分點，對照組減少了25個百分點。與抗凍融性類似，這種改善也可能與椰殼纖維吸收張力的能力有關。

3 結語

研究表明，纖維增強水泥土砌塊在隔熱和機械性能方面具有預期的技術性能。在水泥土塊中添加椰子纖維有助于降低干密度，但增加濕密度。然而，隨著塊中椰子纖維的增加，吸水率增加。椰殼纖維的存在不會提高水泥土砌塊的初始抗壓或抗彎抗拉強度。相反，纖維增強大大提高了殘余強度、延性、韌性和能量吸收。通過在砂漿中添加椰殼纖維，降低了對堿侵蝕和酸侵蝕的耐久性。對于凍融和干濕循環，也顯示出類似的耐久性改善。本研究的重點是物理、機械性能和有限耐久性，其他方面如透氣性、隔音性、導熱性和耐火性需要進一步的測試，以評估椰殼纖維增強水泥土砌塊在房屋單元施工中的有效性和重要性。

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