椰子壳的力学性能试验研究

，，

(1. 山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590； 2. 山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

椰子壳是一种天然高聚物，质地十分坚实[1]，在我国南方有着丰富的资源。由于椰子壳具有较高强度和不易腐烂的性质，可用于填海造地的吹填料，以节省大量的砂石料。特别是南海，砂石料资源匮乏，而椰子壳资源丰富，可与南海钙质砂混合作为吹填料，降低填海成本。因此，对椰子壳的材料力学性能进行研究显得十分必要。

目前，国内外学者对椰子壳的材料性能已经开展了一些研究工作。张会平等[2-4]成功制备椰壳活性炭，对椰壳活性炭吸附性能进行了试验研究。Pashaei等[5]分析了椰壳粉作为添加剂制备绿色复合材料的可行性。叶颖薇等[6]研究了椰纤维增强水泥的力学性能，结果表明椰纤维改善了水泥的脆性，对水泥的拉伸弯曲强度都有提高。Kalyana等[7-10]研究了用椰子壳作为粗骨料的混凝土的力学性能。Gludovatza等[11]研究了椰子壳成熟状态和切片方向对其力学性能的影响。Babel等[12-14]研究了椰壳炭对工业废水中重金属的吸附能力，研究表明椰壳炭有较好的吸附能力而且价格便宜。Mohd等[15]研究了一种新的椰壳活性炭CS850A对有机溶剂的吸附能力，研究表明CS850A具有较大比表面积和较好的化学吸附能力。上述文献对椰子壳作为增强体的材料性能和椰壳活性炭的吸附能力进行了研究，但对椰子壳本身的力学性能研究尚未见文献报道。

本研究通过椰子壳的材料力学性能试验，考察椰子壳的抗压强度、变形、应力-应变关系和伸长率等性能，分析加载方向、加载速度和椰壳干湿状态对其力学性能的影响，为椰子壳作为填海造地吹填料的可行性提供理论根据。

1 力学性能试验

1.1 试验材料

试验用椰子壳来源于海南野生老椰子，将其中两个椰子放干椰汁，自然风干；另外两个在做实验前将椰汁放干，保持椰壳内部湿润。椰子壳近似为椭圆形，分别开展长轴、短轴竖向抗压试验。

1.2 试验设备

试验设备主要有电液伺服岩石三轴仪TAW-2000，应变片和位移计等。

1.3 试验方法

1) 实验前预先在椰子壳受压处的外表面撒上粉笔末，并在电液伺服岩石三轴仪加压头上涂抹上固体胶，使其加压头具有粘性，便于测量在竖向压缩试验中椰子壳的受力面积A。

2) 加压方向为长轴和短轴两个方向，加载速度分别为0.1 mm/mim和0.1～1 mm/mim渐快。

3) 当椰子壳破裂时，加压头停止加压，将加载与变形量记录下来；竖向位移由位移计自动记录。

图1 椰子壳荷载-位移曲线Fig.1 Load-displacement curve of coconut shell

2 试验结果

2.1 试验结果分析

单轴压缩实验结果如表1所示，最大变形量为4.611 mm，最大压力为4.02 kN。将实验得到的数据转化为椰子壳荷载-位移曲线，如图1所示。从图1中试件1～3可以看出椰子壳荷载-位移曲线为均匀压缩阶段和破坏阶段。均匀压缩阶段，椰子壳的变形主要有竖向压缩变形和横向均匀膨胀变化，其竖向位移随着荷载的增加近似成线性关系。破坏阶段为脆性破坏，开口方向和荷载方向基本一致，外荷载急剧减小，竖向位移继续增大。对比试件4和试件1～3，试件4为变加载速度，试件1～3为恒定加载速度，试件1～3加载曲线近似为直线，试件4曲线斜率一直在变化，由此可以看出加载速度对于强度有较大影响。

2.2 应力应变曲线

荷载-位移曲线与试样的尺寸有关，为了消除试样尺寸的影响，得到不同状态、不同加载方向和不同加载速率下椰子壳的力学性能。现将荷载-位移曲线转化为应力-应变曲线，如图2所示，图中应力σ和应变ε分别由式(1)和式(2)计算得出。

表1 单轴压缩实验结果Tab.1 Experimental results of uniaxial compression

图2 椰子壳应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of coconut shell

(1)

其中：F为荷载大小，kN；A为椰子壳名义受压面积(本文受压面积为加压头作用在椰子壳上最大直径对应的圆的面积，mm2)。

(2)

其中：Δl为椰子壳的位移量，mm；l为加载前椰子壳的长轴或者短轴长度，mm。

由图2可知，椰子壳的应力-应变曲线与荷载-位移曲线基本相似，应力-应变基本呈线性关系，破坏为脆性破坏。

2.3 与已有结果的比较

文献[11]将椰子壳沿着经线和纬线将椰子切成两半，并沿着经线和纬线制作拉伸试验切片，对成熟状态和稚嫩状态的椰子壳切片进行不同方向的拉伸试验。本研究的竖向抗压试验和文献[11]拉伸试验结果对比见表2。

表2 本研究结果与文献[11]结果对比Tab.2 Results of comparison between this paper and Ref.[11]

由表2可知，抗压试验中椰子壳在长轴和短轴方向上的应变相差不大，文献[11]抗拉试验中椰子壳切片在经度和纬度方向上的应变相差较大。对比椰子壳的弹性模量可知，椰子壳在抗拉试验中的弹性模量要大于本文抗压试验中的弹性模量。

图3为本椰子壳试验结果与文献[11]实验结果的对比。从图3中可以看出，成熟椰子的抗拉应力应变曲线和抗压应力应变曲线基本相似。干态试件4的应力应变曲线和文献[11]中成熟椰子开始阶段变化趋势基本相同，从应力为10 MPa开始，试件4的斜率开始增大，这是由于试件4加载速度逐渐增大的原因。这说明成熟椰子壳抗压与抗拉强度变化基本相同，加载速度提高，能增大椰子壳的弹性模量。

图4和图5分别为椰子壳长轴和短轴抗压试验结果与文献[11]拉伸试验结果的比较。由图可知，成熟椰子的应力应变曲线基本相似，不成熟的相差较大，原因是本研究采用的试件为成熟椰子，而文献[11]采用的试样为未成熟椰子。

图3 成熟椰子应力应变对比Fig.3 Comparison of stress and strain of mature coconut

图4 短轴方向应力应变对比

图5 长轴方向应力应变对比Fig.5 Comparison of stress and strain in long axis direction

编号弹性模量/MPa抗压强度极限/MPa最大应变/%155424.74.4621 03436.43.5231 16847.24.0441 59551.23.21

2.4 弹性模量和极限强度

本研究椰子壳的应力应变曲线近似看成直线，计算弹性模量见表3。

由表3可知，对比试件1和试件2，在加载方向和加载速度相同的情况下，干湿状态不同将大大影响椰子壳的弹性模量等力学指标。当椰子壳为湿态的时候，弹性模量仅为554 MPa，而干态时椰子壳的弹性模量为1 034 MPa，相差较大。

对比试件1和试件3，干湿状态和加载速度相同，当加载方向为短轴时，弹性模量为554 MPa；当加载方向为长轴时，弹性模量为1 168 MPa：相差较大。通过对比试件1、2、3和4的应力应变曲线可知，当加载速度为恒定速度时，应力应变曲线近似为线性变化。当加载速度从0.1变化到1 mm/min时，试件4的应力应变曲线斜率变大。由此可知，加载速度对椰子壳的极限抗压强度有较大影响。

3 结论

采用电液伺服岩石三轴仪对椰子壳进行了单轴压缩试验，结论如下：

1) 当加载速度和干湿状态相同时，椰子壳加载方向对椰子壳的弹性模量和极限抗压强度有显著影响，长轴方向比短轴方向承载能力大很多。

2) 当加载方向和加载速度相同时，椰子壳含水率对椰子壳的弹性模量和极限抗压强度有显著影响，干态的椰子壳比湿态的椰子壳承载力大很多。

3) 不同加载速度对椰子壳弹性模量和极限抗压强度有较大影响。加载速度提高，能增加椰子壳的极限抗压强度。

4) 对比椰子壳的抗拉实验得出，成熟椰子壳的拉伸和压缩应力应变曲线斜率基本相同。椰子壳的极限抗压强度大于极限抗拉强度。

5) 计算出的椰子壳抗压强度最小值为24.7 MPa，可知椰子壳在强度方面完全符合填海造陆材料的高强度要求。另外，椰子壳又不易腐烂，所以椰子壳用于填海造陆的吹填料是可行的。