椰壳纤维增强水泥基复合材料力学性能研究★

黄小琴 宋昊天 林志钦 区伟聪 羊德盛 张开国

(三亚学院,海南 三亚 572011)

·建筑材料及应用·

椰壳纤维增强水泥基复合材料力学性能研究★

黄小琴 宋昊天 林志钦 区伟聪 羊德盛 张开国

(三亚学院,海南 三亚 572011)

制备椰壳纤维增强水泥基复合材料，分析其物理和力学性能,结果表明：材料抗压强度随椰壳含量增加下降幅度较大，而抗弯强度下降不明显，并出现假塑性破坏的断裂特征,指出该材料在轻质填充材料上具有一定的工程应用前景。

椰壳纤维，水泥基体，力学性能，断裂机理

1 概述

椰壳纤维属于天然植物纤维，来源广泛，价格低廉，具有良好的拉伸性能，是一种较为理想的天然植物纤维增强材料。水泥基体本身的抗压性能很好，而抗拉性能只有抗压的1/10～1/20，在断裂时一般是明显的脆性破坏，受力下裂纹迅速扩展，直至整个工程构件发生破坏，留给工程处理的反应时间很短，具有较大的危险性。通过复合材料原理，可以将椰壳纤维加入到水泥基体中，制备椰壳纤维增强水泥基复合材料，有望改善水泥基体脆性破坏形态，提高工程构建的安全性；另外，椰壳纤维增强水泥基复合材料的制备可以减少混凝土中砂石的使用，节约建筑材料，有利于环境保护。椰壳纤维增强水泥基复合材料的性质主要决定于水泥基体的强度、椰壳纤维的性质以及纤维和基体材料之间的界面强度，是一个系统优化的问题，国内外众多学者做了许多研究[1-5]。本研究旨在采用普通硅酸盐水泥制备纤维含量不同的椰壳纤维轻质水泥基复合材料，研究其力学性能表现，具有一定新型工程材料开发指导意义。

2 试样制备与检测

本实验采用的水泥为P.O42.5，水∶中砂∶水泥=1∶4.5∶1，采用三亚力源椰糠厂提供的天然椰壳纤维，椰壳纤维长度分布为(0～6)cm。制备椰壳纤维添加量分别为0.0,0.16,0.32,0.48,0.64,0.80(wt%)的六组试样，分别编号为1,2,3,4,5,6。工艺流程：拌合浆体→加入椰壳纤维→搅拌均匀→制模→24 h脱模→标准养护箱中养护28 d，采用砂浆稠度仪、RFP-03型智能测力仪、电液式压力试验机测试材料的性能。

3 材料的性能分析

3.1浆体流动性分析

新拌浆体的流动性如图1所示。

从图1中可看出，加入椰壳纤维后，新拌浆体的流动性大幅降低，并且新拌浆体的流动性随着椰壳含量的增加呈降低趋势，一方面，这是由于椰壳加入到水泥基体中，起到骨架支撑作用，降低浆体的流动性，阻碍试锥的重力下沉；另一方面，椰壳纤维加入后消耗水泥基体中的水分，使得新拌浆体水分减少而导致流动性降低。这一现象表明，加入椰壳纤维后，新拌浆体的流动性降低较多，在水泥基体中掺入椰壳纤维的含量具有一个限制值，否则将会导致砂浆和易性受到严重影响而限制其工程使用。

3.2材料密度分析

测试六组试样的表观密度，结果如图2所示。

从图2中可以看出，加入椰壳纤维后，材料密度明显降低，并且，随着纤维含量的增加，椰壳纤维增强水泥基复合材料的密度呈下降趋势。这是由于椰壳纤维本身密度较低，将其加入到水泥基体中，降低了复合材料的整体密度；另外，加入椰壳纤维后，破坏水泥基体的连续性和均匀性，在水泥基体和椰壳纤维的界面处引入大量孔隙，导致材料的孔隙率提高，密度降低。对于水泥基复合材料而言，由于密度是影响抗压强度的重要因素，密度的下降必然导致材料抗压强度的降低。故椰壳纤维水泥基复合材料基本不能作为承重构件使用，而应研究其轻质填充材料方向的适用性。

3.3材料的吸湿性分析

分别测定六组试样的含水率，结果如图3所示。

从图3中可以看出，添加椰壳纤维后，椰壳纤维增强水泥基复合材料的吸湿性增强，并且随着椰壳纤维添加量的增多，材料含水率不断上升。一方面，这是因为椰壳纤维加入水泥基体中，椰壳纤维属于天然纤维，孔隙率高，吸湿性强；另一方面，加入椰壳纤维后，破坏水泥基体的连续性和整体性，在水泥基体与纤维界面中引入大量的孔隙，材料孔隙率增加，空气中水分子附着点增多，吸湿性增强。这表明，椰壳纤维增强水泥基复合材料的吸湿性较好，若用作室内轻质隔墙材料，对于室内温湿环境具有一定的调节作用，增强居住舒适感。

3.4材料吸水性分析

测量试样的吸水率，结果如图4所示。

从图4中可以看出，添加椰壳纤维后，椰壳纤维增强水泥基复合材料的吸水性大大提高，并且随着椰壳纤维含量的增多吸水性不断增强。一方面，这是因为椰壳纤维本身具有较高的吸水性，加入椰壳纤维，复合材料吸水率必然提高。另一方面，加入椰壳纤维后，椰壳纤维与水泥基体间的界面引入大量孔隙，复合材料孔隙率增大，材料的吸水性增强。这表明，椰壳纤维水泥基复合材料不适合长期服役于水下环境，因为即使软水也会对水泥基体产生腐蚀作用，降低水泥的碱性环境，破坏水泥基体结构。

3.5材料抗压强度分析

对六组试样进行抗压强度测试，结果如图5所示。

从图5中可看出，加入椰壳纤维后，材料的抗压强度下降幅度较大，并且随着椰壳纤维含量的增加，抗压强度不断下降。这是因为加入椰壳纤维破坏水泥基体的连续性，引入大量孔隙，材料密度降低，密度是影响水泥基复合材料抗压强度的重要因素，故抗压强度下降。椰壳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度较低，这表明该材料不适合作为承重的结构材料使用。

3.6材料抗弯强度分析

分别对六组试样进行抗弯强度测试，结果如图6所示。

从图6中可以看出，加入椰壳纤维后，材料的抗弯强度没有明显下降，甚至当纤维的添加量为0.48(wt%)时，加入椰壳纤维增强水泥基复合材料的抗弯强度比素水泥基体的抗弯强度高。这表明，加入椰壳纤维对水泥基体的抗弯性能影响较小，当椰壳添加量最优时甚至可以提高水泥基体的抗弯强度。

3.7材料破坏机理分析

3.7.1材料抗压破坏机理分析

图7为抗压试样破坏形貌图。

从图7a)中可以看出，未加入纤维的水泥基体试样，其破坏为典型的素水泥砂浆脆性破坏，试样不能保持原有正方体块状形貌。

从图7b)中可看出，加入椰壳纤维后，试样在达到抗压极限后仍能够保持原有块状形貌。这表明，椰壳纤维的加入，能够改变材料受力失效后的破坏形貌，使材料的破坏机理从完全脆性破坏向假塑性破坏转变。这在工程运用中具有较大意义，构件失效后仍能保持原有结构，能够延长危机处理时间，增强工程材料的安全性。

3.7.2材料抗弯破坏机理分析

图8为弯曲试样的断裂形貌图。

从图8a)中可看出，未加入椰壳纤维的素水泥基体试样，其断裂特征为明显的脆性破坏，试样在受剪力最大处断开，断口平整。从图8b)中可以看出，加入椰壳纤维后，椰壳纤维增强水泥基复合材料的断裂形貌发生了变化，试样断口表明出现较多凹坑和凸起形貌，并有较多椰壳纤维拔出，其断口表现出假塑性断裂特征。从图8c)中可以看出，上部素水泥基体试样受弯后断裂，一分为二，不能保持构件原有整体块状形貌，而加入0.48(wt%)椰壳纤维的试样在受力失效后仍能保持原有的块状形态，不发生断裂。

4 结语

1)加入椰壳纤维后，椰壳纤维水泥基复合材料新拌浆体的流动性大幅降低硬化后材料密度明显降低、吸湿性和吸水性增大。

2)加入椰壳纤维后，材料的抗压强度下降幅度较大，并且随着椰壳纤维含量的增加，抗压强度不断下降；而抗弯强度下降不明显。

3)加入椰壳纤维后，椰壳纤维增强水泥基复合材料的断裂形貌发生了变化，出现由完全脆性破坏向假塑性破坏的断裂特征。

[1] S.Pardeshi,M.Y.Gudiyawar,P.M.Katkar,et al.纤维—混凝土复合材料研究[J].国际纺织导报,2014,42(12):46-48.

[2] P.M.Katkar,C.A.Patil,P.A.Khude,et al.椰壳纤维/水泥复合材料[J].国际纺织导报,2013,41(2):56,58-59.

[3] 王 威,黄 故.碱处理对椰壳纤维形态结构的影响[J].上海纺织科技,2008,36(10):20-22.

[4] 李丽平,谭洪生,刘永健,等.天然植物纤维增强水泥基复合材料的耐久性改善措施研究[J].新型建筑材料,2008(13):244-246.

[5] 郭 斌.天然植物纤维增强水泥复合物综述[J].江苏建材,2005(3):49-52.

Studyonmechanicalpropertiesofcoconutfiberreinforcedcement-basedcomposites★

HuangXiaoqinSongHaotianLinZhiqinQuWeicongYangDeshengZhangKaiguo

(SanyaCollege,Sanya572011,China)

The coconut fiber reinforced cement-based composites were prepared and their physical and mechanical properties were analyzed. The results shows that with the increase of fiber content, compressive strength of the material decreases otherwise bending strength decreases slightly, also pseudoplastic fracture characteristics was appeared. It is pointed out that the material has a certain engineering application prospect on the light filling material.

coconut fiber, cement matrix, mechanical properties, fracture mechanism

1009-6825(2017)29-0120-02

2017-08-05 ★:大学生创新训练项目(项目编号：20160243)

黄小琴(1987- )，女，助教

TU528.58

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