剑麻纤维水泥基复合材料弯曲力学性能

郭培培,黄 俊,2,田国鑫,梁乘玮

(1.广西科技大学 土木建筑工程学院, 广西 柳州 545006;2.温州大学 建筑工程学院,浙江 温州 325035)

20世纪70 年代初,英国和瑞典研究者用剑麻作为砂浆的增强材料,研究了改进剑麻纤维水泥基复合材料的耐久性[1-3]。近年来,国内一些学者对剑麻纤维的表面处理方法、有机杂化材料制备和剑麻纤维复合材料力学性能影响进行了大量的研究[4]:周兴平等[5]采用碱处理或甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝聚合的方法对 SF表面改性,研究了SF表面处理对聚丙烯(PP)/SF复合材料结构和性能的影响；杨桂成等[6]采用热处理、乙酰化处理以及使用KH-550偶联剂“搭桥”等方法预处理SF,对SF增强聚氯乙烯复合材料的力学性能和耐水性进行了研究；李肖建[7]研究了剑麻纤维素微晶/八氨基POSS有机无机杂化材料的制备及性能；陆宏新等[8]对剑麻纤维改性沥青混凝土的复合材料界面进行研究,结果表明,剑麻纤维可以抑制细微裂纹发展,提高复合材料的强度和韧性；包惠明等[9]通过对掺入不同含量剑麻纤维的水泥混凝土进行力学性能试验发现, 剑麻纤维的掺入可以显著提高混凝土的早期强度, 随着剑麻掺量的增加和龄期的增长,提高幅度渐缓,但总体仍呈增长趋势；董建苗等[10]对剑麻纤维增强矿粉-粉煤灰水泥基砌块力学性能进行研究。

本文设计不同龄期下剑麻纤维长度对水泥基复合材料的抗折强度的影响试验。试验分为7、14、28 d三个龄期,每个龄期根据剑麻纤维长度不同分5组,其中1组试件为不加入剑麻纤维的基准试件,其余4组分别加入1、2、3和4 cm的剑麻纤维,每组分别有6个试件,共计90个试件。期望能为剑麻纤维在实际工程中运用提供一定的理论依据。

1 试验部分

1.1 试验材料

水泥:广西鱼峰水泥股份有限公司生产的鱼峰牌P·O 42.5级水泥,各项性能指标满足规范要求。其主要品质指标如表1所示。

砂:普通中粗河砂,连续级配,含水率5%,各项性能指标满足相关规范要求。

外加剂:苏州某公司生产的聚羧酸高效减水剂,减水率≥14%。

水:普通自来水。

剑麻纤维:采用江西鄱阳生产的剑麻纤维丝,天然植物剑麻纤维直径大小不等(100～200 μm),纤维长度90～130 cm,含杂率<3%,回潮率9.5%,纤维拉力>800 N,伸长率5%,密度1.34 g/cm3,剑麻纤维外表面粗糙可以增大剑麻与水泥砂浆的接触面积,增强剑麻与水泥砂浆之间的粘结力。

1.2 试件制备

随着剑麻纤维掺量增加,剑麻纤维水泥基复合材料的含气量有所增大,所以剑麻纤维混凝土的密度比普通水泥混凝土略有下降,但影响不显著[18]。剑麻纤维掺量大于 3.0 kg/m3时,剑麻纤维混凝土几乎不发生泌水现象[19]。本次试验剑麻纤维掺入量为3.0 kg/m3,质量分数为0.13%,剑麻纤维长度按照1、2、3、4 cm乱向投放。试验之前为清除剑麻纤维表面杂质,将不同长度的剑麻纤维分别浸泡在质量浓度为1%的NaOH溶液中24 h之后捞出,并用清水洗涤、晾晒。制作7、14、28 d三个龄期的试件,具体配合比如表2所示(以28 d试件为例编号为A, 7、 14与28 d试件的配合比相同, 7、 14 d编号分别用B和C表示。 文中其他表格编号与此相同)。

丝状剑麻纤维直接加水搅拌易结团影响其作用效果。试验中,为使剑麻纤维分散均匀,先将水泥、砂、剑麻纤维放入搅拌机干拌3 min,再加水湿拌6 min。将搅拌后的剑麻纤维水泥基复合材料放入100 mm×100 mm×300 mm模具中,振动3～5 min后抹平放置于室内平整处,24 h后拆模,室内养护。

1.3 试验步骤

水泥基复合材料试件弯折强度试验是另一种间接测试抗拉强度的试验方法。 弯折强度试验加载方式有两种：单点集中加荷和三分点加荷[19-20]。 本试验采用单点集中加荷方法(图1)，试件的有效受力长度为200 mm。 为了减少误差确保试验数据的可靠性, 以及加载过程中能够更好地观察试件的变化, 加载速度一直保持在0.1～0.2 kN/s。 抗折试验采用WE-30型液压式万能材料试验机,加载范围0～300 kN。 试验过程中观察试件表面裂缝变化, 记录试验数据,试验数据精确到0.1。

2 结果分析

试件的抗折试验结果见表3。图2a是剑麻纤维长度在4 cm时试件的断截面团,剑麻纤维分布出现不均匀现象,集中现象;图2b中将掺入剑麻纤维长度为4 cm试件与掺入剑麻纤维长度1 cm试件对照,发现剑麻纤维长度为1 cm的试件中剑麻纤维的分布较均匀,造成这种现象的原因为试件在制备过程中剑麻纤维分散不均匀、搅拌不均匀以及水泥基复合材料的沉降。

龄期对试件抗折强度的影响如图3所示。 掺入剑麻纤维长度一定时，随着龄期增加,水泥基复合材料抗折强度提高, 增长率逐渐降低 (将试件成型增长到7 d的阶段称为早期, 7 d增长到14 d的阶段为中期, 14 d增长到28 d为后期)。 未掺入剑麻纤维的试件中期抗折强度由3.3 MPa提升到4.3 MPa, 提高幅度为30.3%; 后期抗折强度由4.3 MPa提升到4.7 MPa, 提高幅度9.3%。 当掺入剑麻纤维长度为3 cm时, 试件中期抗折强度由5.5 MPa提升到6.3 MPa, 提高幅度为14.5%; 后期抗折强度由6.3 MPa提升到6.6 MPa, 提高幅度4.8%。 可以看出， 掺入其他长度的剑麻纤维试件的抗折强度与未掺入剑麻试件的抗折强度提升趋势基本一致。

表1 P·O 42.5级水泥主要性能指标

表2 试件水泥基复合材料配合比

图1 单点集中加荷法Fig.1 Single point concentration and charge adding method

表3 试件抗折试验结果

图2 试件断截面Fig.2 Specimen broken section

图3 龄期对试件抗折强度的影响Fig.3 Influence of ages on flexural strength of the specimens

剑麻纤维长度对试件抗折强度的影响如图4所示。未掺入剑麻纤维的试件28 d抗折强度为4.7 MPa,掺入剑麻纤维(长度为1、 2、 3、 4 cm)的试件抗折强度分别为4.8、5.1、5.5、5.2 MPa,没有掺入剑麻纤维的28 d试件的平均抗折强度低于掺入剑麻纤维的7 d试件的平均抗折强度。这说明剑麻纤维能够有效地提高试件的抗折强度,并且剑麻纤维能够加快试件的抗折强度随龄期增长的增长速度。可以看出,随着龄期的增长,试件抗折强度增长速度呈现先快后慢的趋势,这与混凝土的强度随龄期的增长规律相同。

在龄期为7 d时, 掺入剑麻纤维试件的平均抗折强度达到了未掺入剑麻纤维试件28 d龄期的平均抗折强度, 这是因为剑麻纤维表面比较粗糙，与水泥之间产生粘结力,剑麻纤维的抗拉强度较高,

图4 剑麻纤维长度对试件抗折强度的影响Fig.4 Influence of the length of sisal fiber on the flexural strength of the specimen

进而提高了试件的整体抗拉强度, 所以在龄期为7 d时掺入剑麻纤维试件的抗折强度也得到了很大的提高。

剑麻纤维长度对试件抗折强度增长率的影响如图5所示。龄期为7 d掺入剑麻纤维试件的抗折强度增长率最大,龄期为28 d掺入剑麻纤维试件的抗折强度增长率最小。这是由于龄期为7 d未掺入剑麻纤维的试件没有完全硬化,抗折强度较低,其平均抗折强度是3.3 MPa,标准差是0.2,提高的幅度较大,所以试件抗折强度增长率最大。同时,表明剑麻纤维在试件龄期为7 d时已经与水泥产生了较大的粘结力,可以承受一定的荷载。

图5 剑麻纤维长度试件抗折强度增长率的影响Fig.5 Influence of the strength growth rate of the tensile strength of sisal fiber

每个龄期中掺入3 cm剑麻纤维试件的抗折强度增长率都是最大的, 龄期为28 d掺入3 cm剑麻纤维试件的抗折强度是6.6 MPa, 标准差是0.2, 是平均抗折强度最大的试件, 与龄期为28 d基准试件相比增长了39.9%。 而龄期为28 d掺入4 cm剑麻纤维试件的抗折强度是6.3 MPa, 标准差是0.3, 与龄期为28 d掺入3 cm剑麻纤维试件相比略有降低, 故试件的抗折强度会随掺入剑麻纤维长度的增加而增加, 但是掺入剑麻纤维的长度增加到一定程度再继续增加会使试件的抗折强度增长率减小。

试件抗折强度的提高主要依赖于平行于受拉方向的剑麻纤维,而单根剑麻纤维的直径较小,当剑麻纤维长度较大时加水搅拌容易缠绕、结团,减少平行于受拉方向的纤维数量,降低试件抗折强度,但是剑麻纤维的长度越长，剑麻纤维与水泥之间的接触面积增加、粘结力越大。所以,掺入剑麻纤维长度为4 cm的试件的结团现象比掺入3 cm的试件较严重,而掺入4 cm的试件中剑麻纤维与水泥之间的粘结力比掺入3 cm的大。两种情况同时作用下,使得掺入3和4 cm剑麻纤维试件的抗折强度相差不大。

结合图3～图5可知,3个龄期的试件抗折强度的增长趋势相同,剑麻纤维长度水泥基复合材料抗折强度的影响存在一个最优值(剑麻纤维长度为3 cm),当剑麻纤维长度小于3 cm时，随着剑麻纤维长度增加，剑麻纤维水泥基复合材料试件的抗折强度增长率增加；当剑麻纤维长度大于3 cm时，剑麻纤维水泥基复合材料试件的抗折强度增长率下降,但抗折强度与未掺入剑麻纤维的试件相比还是有所提高。掺入剑麻纤维长度为1、2、3 cm时，3个龄期试件的抗折强度增长率接近平行,由于剑麻纤维长度增加，剑麻纤维与水泥接触面积大、粘结力增加,试件抗折强度成正比例增长。掺入剑麻长度为4 cm时，试件随龄期增长，抗折强度增长率相同,与混凝土随龄期增加，强度增长速度由快到慢的结论不符,这是由于4 cm的剑麻纤维较长，结团现象严重抑制试件抗折强度增加。综上分析,当掺入剑麻纤维长度为3 cm,龄期为28 d剑麻纤维水泥基复合材料破坏荷载最大,承受拉力最强。

掺入不同长度的剑麻纤维水泥基复合材料试件抗折强度呈规律性变化的主要原因有以下几种:①表面粗糙的剑麻纤维增强了剑麻纤维与水泥的界面粘结力延缓了界面的破坏, 从而提高水泥基复合材料的抗折强度； ②随着剑麻长度的增加， 界面粘结力相应增加， 抗折强度也相应提高； ③试件断面呈现不同长度的剑麻纤维在试件中分散性不同。 1 cm的剑麻纤维分散比较均匀, 4 cm的剑麻纤维在水泥基复合材料中分散性较差, 主要原因是剑麻纤维越长越不容易分散, 在搅拌过程中结团、 缠绕的现象越严重,试件内部出现薄弱部位从而出现应力集中，试件抗折强度有所下降。

3 结 论

剑麻作为一种节能环保的可再生资源,可有效提高水泥基复合材料的抗折强度,在建筑材料中可作为一种添加剂使用。掺入剑麻纤维的水泥基复合材料与普通水泥基复合材料相比抗折强度有所增加。剑麻纤维适中的长度可有效地改善水泥基复合材料抗折强度。本次试验结果表明:

(1)掺入剑麻纤维可有效地抑制试件中的细微裂缝,并且其表面粗糙，增强了剑麻纤维与水泥基的界面粘结力，延缓界面的破坏。所以掺入剑麻纤维时，剑麻纤维水泥基复合材料比未掺入剑麻纤维水泥基复合材料抗折强度明显增加。

(2)试件的抗折强度会随掺入剑麻纤维长度的增加而增长,但是掺入剑麻纤维的长度增加到一定程度再继续增加会使试件中出现缠绕、结团等现象,降低剑麻纤维使用效率,抑制剑麻纤维水泥基复合材料抗折强度的增加。掺入3 cm剑麻纤维试件每个龄期的抗折强度增长率最大。

(3)剑麻纤维能够有效提高试件的抗折强度,并且剑麻纤维能够加快试件的抗折强度随龄期增长的增长速度。随着龄期增加剑麻纤维水泥基复合材料的抗折强度增加,增长幅度下降,与混凝土随龄期增长幅度相符。