椰壳纤维增强水泥基复合材料微观组织研究★

黄小琴 蒋必凤

(三亚学院，海南 三亚 572011)

1 概述

椰壳纤维增强水泥基复合材料在工程上具有广泛的运用前景，可制备隔热、吸音、轻质且具有一定韧性的建筑材料，是一种较有前景的植物纤维水泥基复合材料。国内外学者针对椰壳纤维以及以椰壳纤维作为增强增韧相添加到水泥或混凝土基体方面都做了许多研究。例如在椰壳纤维显微结构方面，谢文雅对椰壳纤维的微细结构进行了实验研究,以提供椰壳纤维应用的途径与方法[1]；在对椰壳纤维表面进行预处理方面，王威等研究发现碱处理后椰壳纤维的形态发生变化变得更细，表面出现许多凹坑[2]；潘宜健从宏观的角度研究不同界面优化方法对椰壳纤维增韧水泥基复合材料性能的影响[3]。罗滔对椰纤维表面进行功能化修饰，并采用显微检测方法对椰壳纤维的微观结构进行分析[4]。目前，对椰壳纤维单根微观结构以及对椰壳纤维增强水泥基复合材料综合性能的研究不少，但对椰壳纤维加入到水泥基体中的界面结构和形态的研究比较少。本研究通过将椰壳纤维加入到复合硅酸盐水泥砂浆中，研究椰壳纤维与基体的物理相容性和化学相容性。通过对椰壳纤维增强水泥基复合材料的微观结构和成分的分析与研究，探讨椰壳纤维与水泥基体的相容性；通过对断裂界面的分析，探讨椰壳纤维增强水泥基复合材料的断裂机理。从微观的角度，研究提供椰壳纤维增强轻质水泥基复合材料综合性能的研究方向，以提高该材料在轻质隔墙上运用的工程适用性，为椰壳纤维增强水泥基复合材料的深入研究提供一定的指导。

2 试样制备

采用三亚力源椰糠厂提供的天然椰壳纤维，将椰壳纤维剪切处理，得到椰壳纤维的长度分布为(0～6)cm，再将椰壳纤维放入摇筛机中震动除去纤维表面的杂质和尘土，经过摇筛震动后的椰壳纤维见图1。本实验采用32.5R的复合硅酸盐水泥，制备未加椰壳纤维的水泥基体材料与椰壳纤维增强水泥基复合材料。采用配有能谱仪的Sirion200冷场扫描电子显微镜对未加椰壳纤维的水泥基体材料与椰壳纤维增强水泥基复合材料的试样进行扫描分析。

3 材料内部显微分析

根据材料的制备原理，材料的组织与结构决定材料的性能，材料的性能反映材料的用途。对制备的椰壳纤维增强水泥基复合材料的微观组织、微观形貌、椰壳纤维与水泥基体的界面结合情况，以及椰壳纤维增强水泥基复合材料的断口形貌进行分析。以解释椰壳纤维的加入以及沸煮处理对复合材料的物理性质和力学性能的影响。研究结果有如下几点。

3.1 材料基体微观形貌分析

未加椰壳纤维的水泥基体材料与椰壳纤维水泥基复合材料表面形貌如图2所示。

从图2a)中可以看出，未加入椰壳纤维的水泥基体呈现出较为均匀致密的基体形貌。从图2b)中可以看出，加入椰壳纤维后，可以看见纤维分布于水泥砂浆基体中，二者界面结合较为紧密，水泥砂浆能够很好的包覆椰壳纤维表面，具有较好的物理相容性。这表明在拌合复合材料浆体时，水泥砂浆浆体与椰壳纤维表面具有很好的润湿性。

3.2 复合材料纤维表面微观形貌

椰壳纤维增强水泥基复合材料内部纤维扫描电子显微镜图如图3所示。

从图3a)中可以看出，椰壳纤维增强水泥基复合材料中的椰壳纤维保持较为完整的原始纤维外观形貌。从图3b)中可以看出，进一步放大后发现椰壳纤维表面附着水泥熟料颗粒(如图3b)中的箭头所示)。这表明椰壳纤维加入水泥基体中没有和水泥熟料发生剧烈的化学反应，椰壳纤维与水泥砂浆基体之间的化学相容性较为良好。

3.3 材料断口形貌分析

未加椰壳纤维与加入椰壳纤维水泥基复合材料断口形貌如图4所示。

从图4a)中可以看出，未加入椰壳纤维的基体材料，弯曲断口表现为较为明显的脆性断裂断口特征，断口表面较为平整。从图4b)中可以看出，加入椰壳纤维后的椰壳纤维水泥基复合材料的弯曲断裂断口呈现出较长的纤维拔出，拔出纤维周围的水泥基体材料中有较为明显的韧窝出现，具有假塑性断裂断口的特征。这表明加入椰壳纤维后水泥基体材料的脆性得到一定的改善，椰壳纤维增强水泥基复合材料弯曲强度得到提高，对微观断裂断口分析发现椰壳纤维增强水泥基复合材料断口具有假塑性断裂特征。椰壳纤维加入到水泥基体中能够起到增强水泥基体的作用，提高水泥基体材料的抗弯性能。

3.4 椰壳纤维与水泥基体界面分析

椰壳纤维水泥基复合材料中椰壳纤维与水泥基体的界面情况如图5所示。

从图5a)和图5b)中可以看出不管是垂直于水泥基体还是横向分布于水泥基体中，椰壳纤维表面均被水泥基体紧密包覆，椰壳纤维与周围水泥砂浆基体的界面结合十分紧密，这表明椰壳纤维增强水泥基复合材料中椰壳纤维与水泥基体具有良好的界面结合特性。在制备椰壳纤维增强水泥基复合材料时新拌和浆体中水泥砂浆能够很好的润湿于椰壳纤维表面，水泥浆体硬化后从SEM图像中观察到椰壳纤维与水泥基体二者界面结合较为紧密，这表明椰壳纤维增强水泥基复合材料中椰壳纤维与水泥基体呈现出较好的物理相容性。

3.5 椰壳纤维增强水泥基复合材料基体中椰壳纤维内部结构分析

椰壳纤维增强水泥基复合材料基体中椰壳纤维内部结构如图6所示。

从图6a)中可以看出，椰壳纤维侧截面剖面为细小的纤维束孔(如图6a)所示中箭头指向)。从图6b)单根椰壳纤维的正截面图中可以看出，单根椰壳纤维内部包含众多的纤维束，纤维束截面呈椭圆形，紧密排列。这样的管中多管结构赋予椰壳纤维较好的径向拉伸强度。

4 椰壳纤维增强水泥基复合材料中椰壳纤维内部显微成分分析

4.1 椰壳纤维表面轴向线扫描分析

椰壳纤维增强水泥基复合材料的椰壳纤维表面线扫描分析结果如图7所示。

如图7所示，对单根椰壳纤维表面进行线扫描分析，从成分分析中可以看出，椰壳纤维表面Ca元素、O元素和Si元素含量比较高，这些元素都是硅酸盐水泥熟料(3CaO·SiO2，2CaO·SiO2,3CaO·Al2O3,4CaO·Al2O3·Fe3O4)的主要组成元素，表明水泥基体均匀的覆盖椰壳纤维表面，二者的化学相容性也较好。

4.2 椰壳纤维径向线扫描成分分析

椰壳纤维横断面径向线扫描分析结果如图8所示。

图8对单根椰壳纤维正截面进行线扫描，可以看出C元素含量较高，Ca元素与Si元素的含量很少，表明椰壳纤维内部成分与形貌都有较好的保持，没有与水泥基体发生剧烈的化学反应。O元素含量较高且与C元素保持同增同减的趋势，有可能是制样过程中采用切割机，在高温下椰壳纤维中的C被氧化的结果。

水产品在冷冻冷藏过程中会出现结构破坏、营养流失以及风味物质消失等情况，主要原因是由于水产品含水量较多，在以较慢的速度冻结水产品过程中形成量少而大的冰晶体，冰晶体呈六角形结晶单元或者不规则树枝状。这样的冰晶体会对水产品的细胞结构造成破坏以及对水产品组织产生挤压磋动[2]。在以较快的速度冻结水产品过程中，水产品中的水形成球状晶体。当在液态氮极低温度下急速冻结时，水产品中的水呈细微球粒结晶，这一结晶过程称为“玻璃化”[2-3]。水产品中的水在冻结过程中的玻璃化不会对水产品的细胞结构造成破坏。因此，急速冻结技术是保证水产品营养和风味的关键。

5 研究结论与研究建议

5.1 研究结论

1)加入椰壳纤维后，可以看见纤维分布于水泥砂浆基体中，二者界面结合较为紧密，水泥砂浆能够很好的包覆椰壳纤维表面，椰壳纤维与水泥基体具有良好的物理相容性。

2)椰壳纤维增强水泥基复合材料中的椰壳纤维保持较为完整的原始纤维外观形貌，表明椰壳纤维加入水泥基体中没有和水泥熟料发生剧烈的化学反应，二者的化学相容性较为良好。

3)加入椰壳纤维能起到增强复合材料抗弯性能的作用，椰壳纤维增强水泥基复合材料的弯曲断口有较长的纤维拔出与韧窝特征，呈现出一定的假塑形断裂特征。水泥基体材料的韧性得到一定的改善。

4)单根椰壳纤维内部包含众多的纤维束，纤维束截面呈圆形，紧密排列，管中多管结构赋予椰壳纤维较好的径向拉伸强度。

5.2 研究建议

1)对配合比进行调整。

2)选择合适的基体组成材料。

椰壳纤维增强水泥基复合材料的基体材料为水泥、砂。从水泥的角度考虑，不同品种的水泥具有不同的碱度，椰壳纤维属于植物纤维，碱性环境会对其产生腐蚀作用，以不同品种的水泥作为基体材料，制备椰壳纤维增强水泥基复合材料，研究水泥基体与椰壳纤维的物理和化学相容性，力求找到腐蚀作用较低的水泥基体制备具有较好耐久性的椰壳纤维水泥基复合材料；从砂的角度考虑，砂的级配对椰壳纤维水泥基复合材料的影响较大，可以对考虑椰壳长纤维加入砂后的混合料的级配进行研究，寻求复合材料致密度提高的有效途径。

3)对椰壳纤维表面进行改性。

椰壳纤维为植物纤维，随着时间的推移，其在水泥基体环境中容易发生氧化，降低纤维的增强作用。故可以对纤维表面进行改性处理，研究改性处理的方法，比如纤维表面涂覆物的选择，涂覆工艺的设计等，力求在不明显增加椰壳纤维水泥基复合材料制备成本的前提下使其耐久性得到提高，增强材料的工程适用性。

4)选用合适的外加剂和掺合料。

只用加入微量的外加剂就会对水泥基材料的综合性能产生巨大影响，故研究不同种类的外加剂对椰壳纤维水泥基复合材料的影响，是一个值得深入研究的方向。掺合料对水泥基复合材料的和易性和后期强度等性能都有巨大影响，故研究掺合料的种类和搭配对椰壳纤维水泥基复合材料的影响也是一个值得进一步研究的方向。