椰壳纤维增强改性水泥砌块抗压耐久性试验

2023-06-12郭晋杰

粘接 2023年5期

郭晋杰

摘要：研究了在水泥土砌块中引入椰壳纤维，在轴向压缩和弯曲载荷下测试了不同纤维质量分数的椰子纤维增强的水泥土砌块，以检查材料在峰值的承载能力、峰值后残余强度和韧性方面的响应。结果表明，纤维增强水泥土砌块在隔热和机械性能方面具有预期的技术性能，掺入椰壳纤维后提高了水泥土砌块的剩余强度、延性和能量吸收能力。水泥土砌块中添加椰壳纤维可减少碱侵蚀和酸侵蚀。对于冻融和干湿循环，也显示出类似的耐久性改善。

关键词：建筑材料；水泥土砌块；椰壳纤维；力学性能

中图分类号：TQ342+.9文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0152-04

Compressiondurabilitytestof coconutshellfiber reinforcedmodifiedcementbricks

GUO Jinjie

（Shenzhen Bay Area Urban Construction Development Co.，Ltd.，Shenzhen 51805，China）

Abstract： The introduction of coconut fiber into cement bricks was investigated. Coconut fiber reinforced cement bricks with different fiber weight fractions were tested under axial compression and bending loads to check the re? sponse of the materials in terms of peak load capacity，post peak residual strength and toughness. Results show that fiber reinforced cement bricks have expected technical performance in thermal insulation and mechanical proper? ties. It is observed that coconut fiber reinforcement greatly improves the residual strength，ductility and energy ab? sorption of cement bricks. Adding coconut fiber to mortar can reduce alkali erosion and acid erosion. Similar dura? bility improvements are also shown for freeze-thaw and dry wet cycles.

Keywords： building material；cement bricks；coconut shell fiber；mechanical property

在发展中国家，作为建筑成本较低材料，水泥仍然是一种重要的建筑材料[1-3]。通过水泥连接在一起的纤维在水泥中提供了抗拉强度。纤维在水泥层之间提供了更好的一致性。水泥受压时的应力-应变关系非常重要。发现纤维增强水泥的抗压强度高于常规无纤维水泥[4-6]。这些纤维的存在增加了水泥的弹性。当水泥开始干燥时，它变形并发生收缩。纤维的分布是任意的，随着纤维数量的增加，水泥土砌块的拉伸强度和弹性性能提高。添加剂或稳定剂通常用于克服这些缺点，并且通常用于改善材料的特定性能[7-10]。相关研究表明，随着纤维含量的增加，对干密度、抗压强度和延展性有积极影响[11]。然而，对水泥土砌块（ECB）上纤维加固应用研究仍然有限。因此，开展椰子纤维在水泥土砌块中的使用以及纤维在承受压缩和弯曲荷载时对砌块峰值后性能的影响的研究非常必要[12-15]。

1 材料和方法

1.1 使用的材料

试验计划的目的是研究椰子纤维增强水泥土砌块的力学性能。在研究中，以下材料用于砂浆制备。水泥：普通硅酸盐水泥（OPC），表观密度为1362 kg/m3，比密度为3150 kg/m3。土壤：调查中使用的土壤来自 XX地区，表观密度为1348 kg/m3，比密度为2370 kg/m3。液限（LL）为16%，塑性指数（PI）为1.07%。土壤含有45.8%的粘土和粉土、50.2%的砂和4%的砾石。椰壳纤维：当地可用的未处理纤维，平均长度约为24 mm，平均直径约为20μm。通过筛分用于制备砂浆的水泥和局部土壤的粒度分布，粒度分布曲线如图1所示。

1.2 配合比设计

选定的砂浆、水泥与砂的体积比为1∶6，体积比例被转换为质量，以避免不准确的测量。使用混凝土搅拌机从水泥和土壤的干混合物开始进行砂浆混合。将椰壳纤维随机抛洒到干土中，逐步分批引入水泥和土壤的干混合物中。随着混合的继续，干燥混合物逐渐加水[16]。湿混合约10 min 后停止混合。椰壳纤维增强基质是用质量分数0%、0.2%、0.4%和0.6%水泥和土壤混合物的纤维制成的，水灰比保持在0.9。

1.3 试样制备

湿混合物的压实在重型钢模具中进行，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的立方体和制造的梁标称尺寸为400 mm×100 mm×100 m。

根据ASTM C1609确定梁的尺寸，以提供3.5的跨深比，用于充分的弯曲性能评估。为了进行耐久性试验，制备了尺寸为100 mm×100 mm×60 mm 的砌块作为对照，并制备了质量分数0.4%椰壳纤维增强水泥土砌块。5个立方体用于测定抗压强度，5个梁用于测定具有不同椰壳纤维分数的每种土水泥砂浆类型的抗弯抗拉强度；浇铸砌块并保持养护28 d。

1.4实验测试

为了获得水泥砂浆的密度和吸水率，根据ASTM C140测量质量和尺寸，并根据ASTM C1585测量，吸附系数：

式中：Δw 为毛细血管引起的质量增益，kg；A 为暴露于水的面积，m2；ρ为水的密度，kg/m3；t为经过时间， min；s为吸附系数，mm/min 1/2；I0为初始吸附，mm。

在位移控制方法下，通过轴向压缩试验机评估水泥砂浆立方体的抗压强度。加载过程是位移控制的单调加载，位移速率为2 mm/min。水泥砂浆立方体的抗压强度由峰值承载能力除以基面面积计算得出。根据ASTM C1609，通过三点弯曲试验研究了水泥砂浆的弯曲拉伸强度，两个支架之间的净跨度为350 mm。

通过位移控制方法，以2 mm/min 的位移速率在梁的中部施加荷载。

为了进行耐久性试验，浇筑砌块并保持养护28 d。将6个砌块分别置于实验室环境中，并浸入水、盐、质量分数3%的碱性溶液和质量分数3%的H2SO4溶液中30 d。对于耐碱性和耐酸性试验，分别采用ASTMC 289—07和ASTM C 1152M—04推荐的程序。浸泡30 d 后，取出块体，并将块体在自来水中洗涤，在大气中保持1 d 以恒质量。取块体的强度，从中确定保留的强度。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

测量了含有不同比例椰壳纤维的水泥土砌块的质量和体积。试验结果表明，椰壳纤维增强（CCR）砌块的干密度小于对照砌块。还观察到，水泥土砌块的干密度随着椰壳纤维含量的增加而降低。因为椰壳纤维的比密度较低，为1150～1330 kg/m3，而土壤比密度约为2370 kg/m3，因为增加了椰壳纤维含量，从而降低了砌块的密度。然而，在椰壳纤维部分内，CCR 砂浆的湿密度有所增加[17]。2个因素主要影响椰壳纤维水泥土砌块的较高湿密度，椰壳纤维具有更高的吸水率和混合物中的空隙体积。因此，砂浆中的椰壳纤维允许立方体吸收更多的水。试验结果表明，椰壳纤维含量为0%、0.2%、0.4%和0.6%时，吸水率分别为215.2、244.8、277.0和293.3 kg/m3。

为了确定吸附系数，绘制了每单位面积的吸附速率与时间平方根的关系图。水泥土砌块的吸附率如图2所示。

对于椰壳纤维分数为0%、0.2%、0.4%和0.6%的土水泥块，初始吸附系数分别为0.684、0.845、1.001和1.046 mm/min1/2。结果表明，在水泥土砌块中添加椰壳纤维使砌块观察到的水量更快、更高。影响毛细上升的主要因素是块体的多孔结构以及水泥和土壤颗粒周围的界面区。

2.2 机械性能

2.2.1压缩行为

压缩试验后的控制和CCR砂浆立方体如图3所示。

在参考立方体的情况下，破坏类型为剪切破坏，一旦出现裂缝，立方体就会破裂成小块，如图3（a）所示。对于 CCR 砂浆立方体，即使出现裂缝，立方体也不会失去完整性。即使变形较大，也不会如图3（b）～（d）所示断裂成碎片。控制CCR 砂浆立方体的抗压强度通过每种类型砂浆取5个立方体的平均值来确定。抗压强度结果如图4所示。

尽管含有0.2%纤维组分的对照立方体和砂浆立方体显示出相似的强度，但对于较高纤维组分，砂浆立方体由于加入纤维而表现出抗压强度的下降。强度降低的可能原因是水泥含量的减少和多孔含量的增加。当纤维添加到砂浆中时，它会降低整个砂浆混合料中的水泥百分比[18-20]。因此，特定数量骨料的可用水泥减少，导致抗压强度降低。混合物中椰壳纤维含量的增加导致混合物中孔隙率的增加。因此，它降低了砂浆立方体的抗压强度。

2.2.2 弯曲性能

弯曲试验结果表明，纤维增强体影响砂浆的脆性行为。未加固砂浆梁出现突然失效，而CCR 砂浆梁出现逐渐失效，如图5所示。

这些失效模式可以描述为失效前纤维桥接裂缝的结果。

试验期间获得的荷载-跨中挠度曲线用于计算弯曲抗拉强度（f）：

式中：P 为荷载；L 为跨度长度；b 为梁的宽度；d 为梁的深度。

剩余强度是纤维增强砂浆梁在首次开裂后承受荷载的能力。在研究中，考虑了无钢筋和CCR 砂浆梁的剩余强度。图6显示了具有不同纤维含量的梁的初始和残余弯曲拉伸强度。

从图6可以看出，在椰壳纤维质量分数为0.0%时，其初始弯曲抗拉强度为1.06 MPa，剩余强度为0.02 MPa。随着椰壳纤维含量的增加，初始抗拉强度逐渐下降到0.87 MPa；而剩余强度则上升到0.35 MPa。

2.3 耐久性试验结果

2.3.1耐化学性

图7显示了含有质量分数0.4%椰壳纤维的对照和 CCR砌块的抗水、抗盐、抗碱性和耐酸性的剩余强度。

从图7可以看出，基于每种混合物6个试样的平均值，在自然环境、水浸没和盐溶液浸没条件下，控制块和CCR 块的强度降低始终小于1%。由此可以发现，当对照块在碱性溶液中浸泡30 d 时，其强度降低了6.6%。对于含有椰壳纤维的砌块，其强度降低4.8%。这比对照块降低30%。结果表明：当块体浸入酸溶液中时，其强度显著降低，在酸溶液中浸泡30 d 后，对照块和CCR 块的强度分别降低14.7%和7.9%。由此可以推断，在土水泥块中加入椰壳纤维可具有提供更好的耐碱性和耐酸性。

2.3.2 抗冻融性

当研究冻融循环对对照和CCR 砌块抗压强度的影响时，可以看出，随着冻融循环次数的增加，砌块抗压强度降低。然而，椰壳纤维增强砌块显示出比对照砌块更好的比较性能，结果如图8所示。

从图8可以看出，砂漿中加入纤维可提高砌块的耐久性，经过12次冻融循环后，椰壳纤维增强砂浆的抗压强度下降了19个百分点，对照砂浆中的减少为33个百分点，这种改善可能与椰壳纤维吸收张力的能力有关。尽管CCR 块比对照块吸收更多的水，但椰壳纤维的存在允许在解冻过程中产生的张力分布，导致更持久的抗冻融性。

2.3.3 耐干湿性

湿循环和干循环后的剩余强度结果如图9所示。

从图9可以看出，随着干湿循环次数的增加，砌块抗压强度降低。与冻融循环类似，椰壳纤维增强砌块显示出比对照砌块更好的比较性能。经过12次干湿循环后，椰壳纤维增强砌块的抗压强度下降了22个百分点，对照组减少了25个百分点。与抗冻融性类似，这种改善也可能与椰壳纤维吸收张力的能力有关。

3 结语

研究表明，纤维增强水泥土砌块在隔热和机械性能方面具有预期的技术性能。在水泥土块中添加椰子纤维有助于降低干密度，但增加湿密度。然而，随着块中椰子纤维的增加，吸水率增加。椰壳纤维的存在不会提高水泥土砌块的初始抗压或抗弯抗拉强度。相反，纤维增强大大提高了残余强度、延性、韧性和能量吸收。通过在砂浆中添加椰壳纤维，降低了对碱侵蚀和酸侵蚀的耐久性。对于冻融和干湿循环，也显示出类似的耐久性改善。本研究的重点是物理、机械性能和有限耐久性，其他方面如透气性、隔音性、导热性和耐火性需要进一步的测试，以评估椰壳纤维增强水泥土砌块在房屋单元施工中的有效性和重要性。

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