玉米皮纤维聚苯乙烯泡沫水泥基复合材料物理、力学及抗冻性能试验研究*

王秀丽 吴 征 陈志华 潘旭宾

(1.兰州理工大学土木工程学院,兰州 730050;2.天津大学建筑工程学院,天津 300072)

近些年来,我国建筑技术不断发展,建筑领域的资源与能源消耗也在不断增加,其中建筑耗能占全国能源消耗总量的20%[1]。因此,降低建筑能源消耗是亟需解决的问题。因为环保、节能、低碳以及可再生能力等特殊的优势,高性能植物纤维水泥基复合材料在国内外近20年受到了重视与发展[2]。与普通的混凝土材料相比,高性能植物纤维水泥基复合材料拥有密度低、经济环保等特点,不仅能够提高建筑保温性能的,而且减少了建筑耗能[3],此外,能够很好地延缓混凝土的开裂[4]。

随着我国建筑工业化的大力推进,装配式墙板的应用也在迅速发展。聚苯乙烯泡沫(EPS)混凝土轻质墙板逐渐成为轻质隔墙板发展的主流方向[5]。聚苯乙烯泡沫轻质混凝土由胶凝材料、外加剂和聚苯乙烯泡沫混合搅拌而成,最主要的特点是轻质的聚苯乙烯泡沫颗粒代替了质量较大的砂、石等粗细集料[6-8]。对此诸多国内外学者对轻质墙板的力学性能、物理性能等进行了深入探究。20世纪70年代,Cook等[9]将聚苯乙烯泡沫颗粒部分代替细集料砂石制备了轻质墙板,随后研发了轻质的夹心墙板;Babavalian等[10]的研究将聚丙烯纤维掺入到EPS混凝土中,试验结果表明：掺入聚丙烯纤维的EPS混凝土抗压强度得到有效提高,收缩率降低;陈兵等[11]通过将钢纤维添加到类似于“裹砂”工艺的搅拌EPS轻质混凝土中,并对其进行了力学性能研究,结果表明：钢纤维与微硅粉复掺能够提高EPS轻质混凝土抗压强度,并且能够明显改善混凝土干缩性能。刘嫄春等[12]研究了掺入聚丙烯纤维的EPS混凝土的力学性能,结果表明：聚丙烯纤维掺量在1.3～2.0 kg/m3时,能够显著提高EPS混凝土的抗压强度。刘嫄春等[13]还研究了不同水灰比对EPS混凝土强度的影响,结果表明：水灰比越大,EPS混凝土的抗压强度越低。与人造纤维相比,天然纤维是一种可再生、可回收的天然纤维,并且储量丰富[14]。研究天然植物纤维在建筑材料中的应用不但会节约资源、保护环境,对以后更多新型墙板的研发也具有重要意义。

玉米雌穗苞叶(玉米皮)纤维具有纤维长、抗拉强度高、柔韧性强等特点。为探究添加植物纤维对EPS水泥基复合材料基本物理力学性能和抗冻性能的影响,试验将不同质量分数(0%、1%、2%、3%)的玉米皮植物纤维与不同质量分数(1.1%、1.2%、1.3%、1.4%)的EPS颗粒复掺并添加到水泥基中,在事先确定好水胶比的情况下,研究玉米皮纤维掺量和EPS掺量对水泥基复合材料密度、吸水率、抗压强度、抗折性能、劈裂抗拉性能以及抗冻性能的影响。并通过电子显微镜扫描(SEM)分析研究其内部微观结构。

1 试验材料

1.1 胶凝材料

试验采用的胶凝材料包括水泥、偏高岭土、粉煤灰和硅灰。水泥采用P·O 42.5级硅酸盐水泥,其性能指标详见表1。

表1 硅酸盐水泥基本性能指标Table 1 Basic performance indexes of portland cement

偏高岭土是一种活性较高的矿物掺和料,将适量的偏高岭土掺入到混凝土中,能够提高其强度和耐久性[15];粉煤灰是一种火山灰质材料,掺入适量的粉煤灰,可以改善水泥浆体的和易性和流动性,并能提高混凝土的耐久性[16];向水泥浆体或混凝土中掺入适量的硅灰,可以提高抗压强度、抗折强度和抗冲击性能等[17]。胶凝材料化学组成成分详见表2。

表2 胶凝材料化学组成Table 2 Chemical composition of cementitious materials %

1.2 添加剂

胶粉：提高EPS颗粒与水泥基体之间的黏结力。

羟丙甲基纤维素：在EPS水泥基复合材料拌制过程中,由于EPS颗粒密度较低,容易出现上浮的现象。在水泥浆体中加入纤维素既可以防止轻质颗粒上浮,又可以提高混凝土的强度和抗冻性能。

CaCl2：植物纤维在碱性环境下会有缓凝物质溶出,对水泥基体强度发展有不利影响。因此,为解决植物秸秆纤维与水泥基之间的黏结问题,添加CaCl2可以促进水泥的水化作用[18]。

减水剂：植物秸秆纤维有极强的吸水性,植物纤维加入到水泥基体中能够降低水泥浆体的流动性。为了在不影响水胶比的情况下,加入减水剂可以增加水泥浆体流动性。

1.3 骨 料

EPS颗粒：粒径约为5 mm的白色球状颗粒,表观密度约为17.8 kg/m3,如图1所示。

图1 聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒Fig.1 Expanded polystyrene (EPS) particle

玉米雌穗苞叶(玉米皮)纤维：玉米皮纤维选用甘肃省兰州市当地农业区的植物纤维,将玉米皮处理成长度大约为2 cm,宽度为1～2 mm的纤维[19]。由于自然的植物纤维表面有一层蜡质层,这种蜡质层一般是由脂肪酸、烷烃、酯类等组成,使得植物纤维表面光滑,进而影响植物纤维与水泥基之间的连接。用一定浓度的NaOH溶液可与脂肪酸反应溶解纤维表面蜡质层[20]。所以,改性方法采用浓度为5%的NaOH溶液浸泡48 h,然后清洗干净[21-22]。处理后的玉米皮纤维如图2所示。

图2 处理后的玉米皮纤维Fig.2 Treated corn husk fiber

2 试验概况

2.1 配合比

确定水胶比为0.6,胶凝材料中水泥75%、硅灰10%、偏高岭土10%、粉煤灰5%;胶粉、纤维素分别占胶凝材料总质量的0.3%,玉米皮纤维质量分数为0%、1%、2%、3%,EPS颗粒质量分数为1.1%、1.2%、1.3%、1.4%。玉米皮纤维EPS水泥基复合材料的具体配合比详见表3。其中样品编号E1.1Y0表示为EPS颗粒掺量为1,1%,玉米皮纤维掺量为0%,以此类推。

表3 玉米皮纤维EPS水泥基复合材料配合比Table 3 Mix proportion of EPS cement-based composites with corn husk fiber kg/m3

2.2 EPS水泥基复合材料的制备

按照事先计算的配合比进行EPS水泥基复合的制备。1)将称量好的水泥、硅灰、偏高岭土和粉煤灰干粉搅拌均匀,使其充分混合。2)将称量好的水加入到搅拌均匀的胶凝粉料中,继续搅拌2 min。3)将按配合比规定质量分数的玉米皮植物纤维加入到水泥基中,高速搅拌使其在水泥浆体中分布均匀。4)添加羟丙甲基纤维素和胶粉,搅拌30 s。5)将EPS颗粒加入到玉米皮纤维水泥基中,低速搅拌,使其在植物纤维水泥基中分布均匀为止。6)将拌置好的混凝土装入到指定模具中,用塑料薄膜密封模具表面,待混凝土硬化后将试块放入到养护室中标准养护28 d。

2.3 试 验

将养护好的试块烘至绝干后,按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中的有关标准进行密度、吸水率以及抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度的基本力学性能测试。其中抗压试块及劈裂抗拉试块的尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm,抗折试块尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,每组3个试件。按照GB/T 11969—2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行抗冻性能的测试,抗冻性能试验以冻12 h融12 h为1次循环,总共循环30次。

3 试验结果与讨论

3.1 EPS混凝土密度和吸水率

图3为EPS颗粒掺量和玉米皮纤维掺量对EPS水泥基复合材料密度的影响。根据图3和表4数据,EPS水泥基复合材料的密度在300～400 kg/m3,随着纤维掺量和EPS颗粒掺量的增加,其密度是逐渐降低的。这是由于加入的玉米皮纤维和EPS颗粒会取代一部分胶凝材料,并且玉米皮纤维和EPS颗粒的密度远低于胶凝材料的密度,使得EPS水泥基复合材料密度降低。

图3 玉米皮纤维掺量对EPS水泥基复合材料密度的影响Fig.3 Effects of corn husk fiber content on density of EPS cement-based composites

表4 EPS水泥基复合材料物理、力学性能试验结果Table 4 The results of physical and mechanical properties of EPS cement-based composites

图4为EPS颗粒掺量和玉米皮植物纤维掺量对EPS水泥基复合材料吸水率的影响。吸水率按式(1)计算。

图4 玉米皮纤维掺量对EPS水泥基复合材料吸水率影响Fig.4 Effects of corn husk fiber content on water absorption of EPS cement-based composites

(1)

式中：W为吸水率,%;M1为烘干试块的质量,g;M2为饱和水试块的表干质量,g。

根据表4数据,可知：试件E1.4Y3组的吸水率最大,为45.04%;试件E1.1Y0组吸水率最小,为19.66%。由图4可知：玉米皮纤维掺量越高,EPS水泥基复合材料的吸水率越高。这是由于植物纤维中的纤维素和木质素等成分使其具有易吸水性[23],并且随着玉米皮纤维掺量的增加,会向水泥基质中引入空气,产生的毛细气孔也会导致试块吸水率的上升。

3.2 抗压强度

EPS水泥基复合材料的抗压强度如图5所示。随着EPS颗粒和玉米皮纤维掺量的增加,试件第28天的抗压强度是降低的,抗压强度在0.8～2.2 MPa的范围内下降。其中,试件E1.1Y0组的抗压强度达到最大为2.2 MPa,试件E1.4Y3组的抗压强度为最小0.8 MPa。

图5 EPS水泥基复合材料抗压强度 MPaFig.5 Compressive strength of EPS cement-based composites

从玉米皮纤维掺量的角度分析,随着玉米皮纤维掺量的变化,每组试件的抗压强度最小值相较于未添加纤维试件的抗压强度分别降低了40.19%、35.29%、21.40%、33.30%;从EPS掺量的角度分析,随着EPS掺量的变化,每组试件的抗压强度最小值相较于抗压强度最大值分别下降了45.46%、38.89%、37.50%、38.46%。

这是因为随着玉米皮纤维掺量的增加,基体内部纤维会出现拥堵和聚集,与水泥基质黏结的纤维量减少[24]。并且,EPS水泥基复合材料中主要承受压力的结构是胶凝材料骨架,添加纤维会使胶凝材料体积减少,从而导致EPS水泥基复合材料抗压强度降低。

3.3 抗折强度

图6表示纤维掺量和EPS掺量对EPS水泥基复合材料抗折强度的影响。EPS水泥基复合材料的抗折强度是随着纤维掺量和EPS掺量的增大先增大后减小。根据表4数据,E1.3Y2组抗折强度达到最大,为1.2 MPa;E1.4Y3组抗折强度最低,为0.66 MPa。当EPS掺量不变时,随着纤维掺量的增加,4组EPS掺量下的最大抗折强度相较于最小抗折强度分别提高了12.68%、22.97%、48.15%、31.82%。

图6 EPS水泥基复合材料抗折强度 MPaFig.6 Flexural strength of EPS cement-based composites

3.4 劈裂抗拉强度

图7为EPS水泥基复合材料的劈裂抗拉强度与EPS掺量、纤维掺量的关系。从图中可以看出,EPS水泥基复合材料的劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增加而增大,随EPS掺量的增加而减小。

图7 EPS水泥基复合材料劈裂抗拉强度 MPaFig.7 Splitting tensile strength of EPS cement-based composites

由图7和表4可知：当EPS掺量一定时,EPS水泥基复合材料的劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增加而增大,劈裂抗拉强度增大了9.4%～16.4%;当纤维掺量一定时,EPS水泥基复合材料的劈裂抗拉强度随着EPS颗粒掺量的增加而减小,劈裂抗拉强度减小了5.4%～12.7%。其中最大劈裂抗拉强度是EPS掺量为1.1%、玉米皮纤维掺量为3%时的试件E1.1Y3,为1.1 MPa;最小劈裂抗拉强度是EPS掺量为1.4%、玉米皮植物纤维掺量为0%时的试件E1.4Y0,为0.87 MPa。

随着植物纤维掺量的增加,当发生劈裂破坏时,应力从水泥基体传递给抗拉强度更高的玉米皮纤维;另外纤维的添加也会提高EPS水泥基复合材料的韧性,这也能在一定程度上提高复合材料的抗拉强度[25]。

3.5 抗冻性能

为探究添加纤维对EPS水泥基复合材料抗冻性能的影响。对16组,共计48个试件进行30次冻融循环,12 h气冻和12 h水融为1个循环。分别从质量损失和强度损失的角度进行分析。其中强度损失包括抗压强度损失、抗折强度损失和劈裂抗拉强度损失。冻融循环试验结果见表5。

表5 冻融循环试验结果Table 5 Freeze thaw cycle test results

3.5.1质量损失

图8给出了玉米皮纤维掺量对质量损失的影响,图9给出了EPS颗粒掺量对质量损失的影响。可以看出：当玉米皮纤维掺量增加时,试件质量损失率是整体呈变小趋势,质量损失率最大的试件是E1.1Y0,为3.87%,质量损失率最小的试件是E1.3Y3,为1.06%;当EPS颗粒掺量增加时,试件质量损失率是先减小后增加,整个试验中没有出现质量损失率超过5%的试件。

图8 玉米皮纤维掺量对质量损失的影响Fig.8 Effect of fiber contents on mass loss

图9 EPS掺量对质量损失的影响Fig.9 Effect of EPS contents on mass loss

图10、图11为冻融前后试块对比。在冻融循环之前试块边角完整,没有出现EPS颗粒和玉米皮纤维外露现象。在经过冻融循环后,试块表面出现水泥脱落,EPS颗粒外露,甚至会出现EPS颗粒脱落,纤维外露等现象;相比添加纤维的试块,没有添加纤维的试块水泥脱落和EPS颗粒剥落更加明显。

a—未加纤维;b—添加纤维。图10 冻融前试块Fig.10 Specimens before freezing and thawing

a—未加纤维;b—添加纤维。图11 冻融后试块Fig.11 Specimens after freezing and thawing

出现上述现象的原因是,纤维在水泥浆体中能够起到阻止裂缝发生和延缓裂缝发展的作用。在冻融循环过程中,由于纤维在基体中的拉结力,能够阻止水泥和EPS颗粒在冻融过程中由于产生的冻胀力而发生的脱落,从而减小质量的损失。

3.5.2强度损失

图12给出了抗压强度损失率随纤维掺量变化规律。由表5、图12可知：试件抗压强度损失率随纤维掺量的增加逐渐减小;当纤维掺量为0%时,随着EPS掺量的增加,抗压强度损失率分别为20.46%、20.0%、17.5%、17.5%,抗压强度变化率大致维持在同一水平;当纤维掺量为1%、2%、3%时,试件的抗压强度损失率分别为13.08%～18.33%、11.0%～15.01%、6.25%～12.31%。其中,E1.1Y0的抗压强度损失率最大,为20.46%,E1.4Y3的最小,为6.25%。

图12 抗压强度损失率Fig.12 Loss rates of compressive strength

图13给出了抗折强度损失率随玉米皮纤维掺量变化规律。可见,与抗压强度类似,随着纤维掺量的增加,抗折强度损失率是逐渐减小的。在EPS水泥基中添加纤维能够在一定程度上减少抗压强度和抗折强度的损失。其中,E1.1Y0的抗折强度损失率最大,为18.92%,E1.3Y3的最小,为3.21%。

图13 抗折强度损失率Fig.13 Loss rates of flexural strength

图14为EPS水泥基复合材料劈裂抗拉强度损失率。可见,随着玉米皮纤维掺量的增加,水泥基复合材料的劈裂抗拉强度的损失率整体上呈下降的趋势。随着玉米皮纤维掺量的增加,当EPS掺量为1.1%、1.2%、1.3%、1.4%时,EPS水泥基复合材料的劈裂抗拉强度的损失率分别为8.05%～16.09%、5.06%～18.2%、5.62%～15.96%、3.96%～17.2%。其中,E1.2Y0的劈裂抗拉强度的损失率最大,为18.2%,试件E1.4Y3的最小,为3.96%。当EPS掺量一定时,劈裂抗拉强度的损失率变化较大,但随着纤维的加入能够更好地减小强度的损失。这种改善与纤维吸收张力的能力有关,植物纤维可以使冻融循环过程中产生的张力均匀分布,从而提高了抗冻性能[26]。

图14 劈裂抗拉强度损失率Fig.14 Loss rates of splitting tensile strength

3.6 扫描电子显微镜(SEM)分析

图15为EPS水泥基复合材料SEM图像,其中图15a为没有添加玉米皮纤维时的聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒与水泥基体连接界面扫描图像。从图中可以看出EPS颗粒表面为蜂窝状结构,在受压过程中能够更好的承受变形。图15b为图15a的局部放大,从这两张图可以看出EPS颗粒与水泥基体之间黏结充分,没有明显缝隙,说明EPS颗粒与水泥基两者之间能够很好地协同工作。

a—未加纤维水泥基与EPS颗粒界面;b—放大后的未加纤维局部图;c—添加纤维的纤维与水泥基体界面;d—添加纤维的EPS与水泥基体界面。图15 EPS水泥基复合材料SEM图像Fig.15 SEM images of EPS cement-based composites

图15c为添加玉米皮纤维之后纤维与水泥基连接界面,图15d为添加纤维之后EPS颗粒与水泥基连接界面。从图15d中可以看出,当添加纤维之后,并没有破坏EPS颗粒与水泥基体之间的接触,两者之间依然黏结充分;从图15c中可以看出添加的玉米皮纤维与水泥基体之间黏结良好,纤维表面粗糙,当发生抗拉破坏时能够抵抗受拉变形。玉米皮纤维在经过改性之后表面粗糙,并且有褶皱纹理,这一现象大大增大了纤维与水泥基的黏结力[27];并且从图中可以看出当EPS水泥基复合材料发生破坏时,玉米皮纤维沿着纤维横截面方向断裂,这种破坏方式也充分利用了纤维的抗拉强度,为EPS水泥基复合材料在抗裂拉伸方向提供了强度。但是由于EPS水泥基材料本身胶凝材料体积占比较小,当纤维掺量过多时会造成纤维在水泥基体中分布方向不同;并且纤维掺量过多的试件在进行抗折试验之前产生容易产生微裂纹,这也会影响试件的抗折强度[28]。

4 结束语

1)EPS水泥基复合材料的密度随着玉米皮纤维掺量的增加而减小,试件密度在300.46～390.76 kg/m3;EPS水泥基复合材料的吸水率随着纤维掺量的增加而增大,吸水率在19.66%～45.04%。

2)水泥基复合材料抗压强度随着玉米皮纤维掺量和EPS颗粒掺量的增加而降低,抗压强度最高为2.2 MPa,最低为0.8 MPa;随着玉米皮纤维掺量和EPS颗粒掺量的增加,抗折强度先增高后降低,其中最佳掺量为2%玉米皮纤维和1.3%EPS颗粒,抗折强度最高为1.2 MPa;劈裂抗拉强度随着玉米皮纤维掺量的增加而增高,随着EPS颗粒掺量的增加而降低,当EPS颗粒掺量为1.1%、玉米皮纤维掺量为3%时的劈裂抗拉强度最大,为1.1 MPa。

3)添加玉米皮纤维能够在一定程度地上提高EPS水泥基复合材料的抗冻性能。30次标准冻融循环下,玉米皮纤维掺量的增加能够有效减少复合材料的质量损失。其中质量损失率最小为2.9%;EPS水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的损失率均随着玉米皮纤维掺量的增加而减小。

4)通过扫描电子显微镜(SEM)分析,在没有添加玉米皮纤维之前,EPS水泥基复合材料中EPS颗粒与水泥基体之间黏结充分;添加玉米皮纤维之后,EPS颗粒、玉米皮纤维与水泥基体之间依然连接充分,粗糙的纤维表面能够更好地使三者之间协同工作。