天然植物纤维水泥基复合材料力学特性分析★

张耀跃 李昀阳 张忠强 崔 兵

(河北大学建筑工程学院,河北 保定 071000)

天然植物纤维水泥基复合材料力学特性分析★

张耀跃 李昀阳 张忠强 崔 兵

(河北大学建筑工程学院,河北 保定 071000)

指出植物纤维具有环保节能、保温防火、轻体防雷等优点，将其掺入混凝土中可以改善其脆性，延缓开裂，改变水泥基稻草纤维复合材料的水灰比和纤灰比并加入CaCl2作为外加剂来制作试件，通过测量试件的静曲强度和观察试件断面的显微图像来确定最优配合比，并分析了CaCl2对稻草纤维水泥基复合板材的微观影响，得出了一些结论。

植物纤维，静曲强度，水灰比，纤灰比

0 引言

改革开放以来，我国的经济建设取得了巨大成就的同时，资源的消耗也在进一步上升，随着资源消耗进一步加大，我国的污染问题也变得更加的严峻，不仅使我国的环境变得更加恶劣，而且又制约着我国的经济发展。建材工业为我国经济的发展起到了举足轻重的作用，大力发展建材工业还可以缓解我国的就业压力，提供更多的工作岗位。但是建材工业也消耗了大量的化石能源以及宝贵的土地资源，同时还产生了大量的污染，所以发展新型材料成了建筑工业的当务之急。新型材料的生产以及使用应该包括以下几点要求：首先，原材料应该多使用建筑废渣，以及生活垃圾，从而可以减少使用天然资源；其次，在新型材料的生产加工过程中，应该使用最新的生产技术，降低生产成本，以及不使用有毒害的物质，以减少对环境的污染；最后，新型材料不能对人体构成伤害，在满足经济性要求的同时，还要保证材料的其他使用功能[1-3]。

我国作为农业大国，每年秋收以后，都会产生数以万计的农作物废料。据官方的调查统计，一部分农作物废料当成牲口的饲料，另一部分的农作物废料则当成了燃料，而绝大部分的农作物废料几乎是直接焚烧，造成了巨大的环境污染。新型材料可以由现有的材料中加入一定量的植物纤维，不仅节约了资源，而且还可以减少能源的消耗，对保护环境也起到了积极的作用。对植物纤维水泥复合材料[4，5]及其性能进行研究，意义重大。相比较现有的纤维材料，如钢纤维，聚丙烯纤维，碳纤维等其他纤维，植物纤维最大的特点就是取材方便，生产成本低，产量大。随着我国经

济的发展，有大量的建筑物需要拆迁，会产生大量的建筑垃圾无法处理，不仅造成了巨大的浪费，还占用了宝贵的土地资源，使用植物纤维水泥复合材料，可以对建筑垃圾进行回收处理，不仅节约资源，还可以对建筑垃圾做到无害化处理，减少对环境的污染。发展植物纤维材料，对我国经济的可持续发展有着重大的意义，植物纤维水泥复合材料必定会成为我国新型材料发展的趋势[6-9]。

1 试验概况

1.1 试件制作

表1 试件配合比 kg

依照表1中的配合比称量材料，然后将称量后的水与稻草纤维在JS195A搅拌机中进行充分搅拌,再与水泥浆料混合,直到浆料均匀无结块为止。将混合浆料倒入试模中铺平,待板坯初步成型后,将其放入50-C-1成型压机中压至10 mm厚。板坯定型后再放入夹紧框内，用保鲜膜封装,在DECD-80e干燥箱中放置8 h,拆除夹紧框后置于蒸养釜内蒸养8 h，再在室温条件下自然干燥一周(见图1)[10,11]。

1.2 试验过程

将养护好的试件送入土工实验室1 000 kN液压伺服万能试验机中测其试静曲强度，探究水灰比与纤灰比对稻草纤维水泥复合板抗折性能的影响。再用电子显微镜扫描试件断面，探究外加剂和稻草纤维对纤维水泥基复合板材的微观影响[12]。

2 试验结果及分析

水灰比和纤灰比是影响水泥水化和水泥与纤维混合的重要参数。

由图2可见：当纤灰比一定，水灰比小于0.42时，试件的静曲强度随着水灰比的上升而呈明显上升趋势。这由于水灰比过小而导致纤维结团而不易打散，从而降低了混凝土的和易性，导致板坯铺装不匀，影响了水泥与纤维之间的充分结合，而当水灰比达到0.42以上，试样测得的静曲强度波动不大，且略有降低。这是因为水灰比过大时，板的内部存在大量的自由水，这些水分挥发以后会在板的内部形成蜂窝状小孔，使板内局部应力集中，导致稻草纤维水泥基复合板的强度略有降低。由图2可知本试验条件下适宜的水灰比为0.42。

分析图2可知，纤灰比为0.35时静曲强度高于0.045和0.45的纤灰比，这是由于纤灰比过小时，纤维所占的比例不足以影响混凝土的静曲强度，而纤灰比过大则会影响硅酸盐水泥分子间的有效结合。因此可以得出水灰比在0.42纤灰比在0.35时稻草纤维水泥基复合板的静曲强度最高。

在搅拌稻草纤维水泥基复合材料的过程中加入CaCl2，因为稻草纤维对混凝土有阻凝的不利影响，而CaCl2的水化反应放热，在一定程度上又促进了混凝土的固化，进而削弱了稻草纤维对混凝土固化的不利影响。利用电子显微镜扫描的断面图像(如图3所示)，分析CaCl2和稻草纤维共同作用下对混凝土的微观影响。

图3a)为稻草水泥基复合材料试件断面放大300倍后的扫描电镜照片，从图中可以看出稻草与常规混凝土配料结合比较紧密，可以看到有细微的稻草断裂迹象，能够说明稻草与混凝土具有较好的粘结力，使混凝土的强度得到了提高。图3b)为复合材料断面被扫描电镜放大1 000倍后的照片，从照片中观察到混凝土表面水泥与稻草相互交错，形成机械咬合的状态，对混凝土施加外力，在混凝土从开始受力到被压坏的过程中，稻草被拉断，稻草起到了连接混凝土骨料的作用，在复合材料局部断面被放大10 000倍后，从图3c)中可看到有CaCl2的晶体镶嵌在混凝土骨料之间，CaCl2遇水后会放热，在一定程度上加速了混凝土的固化。

3 结语

通过对试验数据的处理和分析，确定了水泥基稻草纤维复合材料水灰比和纤灰比的最优值分别为0.42和0.35。在这个配合比下稻草水泥基复合板的静曲强度最高，为1.4 MPa。

CaCl2作为外加剂不仅能够对稻草水泥基复合板固化起到催化的作用，而且其取材方便，价格低廉，适合在工程上推广应用。

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Analysis on mechanical property of natural plant fiber cement matrix composites★

Zhang Yaoyue Li Yunyang Zhang Zhongqiang Cui Bing

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

Point out plant fibers have lots of advantage such as: fire prevention, environmental protection, energy conservation, heat preservation, light and lightning protection. Incorporated in the concrete can improve its brittleness and delay cracking. Change water cement ratio of cement matrix straw fiber composites and fiber cement ratio to make the specimen. In addition, joining CaCl2as admixture, measured in the cross section of the specimen static music intensity, observed the microscopic image of specimen to determine the optimal mixture ratio and analysis the micro impact of CaCl2for straw fiber cement matrix composite, obtains some conclusions.

plant fiber, static music intensity, water cement ratio, fiber cement ratio

2015-08-23★：河北大学研究生创新资助项目

张耀跃(1990- )，男，在读硕士； 李昀阳(1989- )，男，在读硕士； 张忠强(1990- )，男，在读硕士； 崔 兵(1990- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)31-0171-03

TU201.5

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