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秸秆纤维水泥基复合材料性能的研究

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：姜惠康刘喜旭

[导读] 摘要：本文主要研究了秸秆纤维对水泥基复合材料的工作性能、力学性能以及耐久性能的影响。

        吉林建筑大学材料科学与工程学院吉林长春 130118
        摘要：本文主要研究了秸秆纤维对水泥基复合材料的工作性能、力学性能以及耐久性能的影响。实验使用贯入阻力仪来测量初凝时间结果表明随着秸秆纤维掺量的增加，复合材料的初凝时间也逐渐延长，当秸秆掺量为2%时复合材料的初凝时间比空白组延迟了15min；抗折强度为7.9MPa提高了5.3%，抗压强度为51.6MPa降低了3.9%。掺加秸秆纤维的水泥基复合材料可以很好提高其韧性。
        关键词：秸秆纤维；工作性能；力学性能；抗冻性
        Study on the properties of straw fiber cement-based composite
        Guo qiang LIU Xi-xu
        （School of Materials Science and Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118）
        Abstract：This paper mainly studies the effect of straw fiber on the working performance，mechanical properties and durability of cement-based composite.The results showed that with the increase of straw fiber content，the initial setting time of the composite was also gradually extended.When the straw content was 2%，the initial setting time of the composite was 15 minutes later than that of the blank group；the flexural strength was 7.9 MPa，5.3% higher，and the compressive strength was 51.6 MPa，3.9% lower.The toughness of cement-based composite materials with straw fiber can be improved.
        Keywords：Straw fiber，working performance，mechanical property，frost resistance
        0、引言
        我国秸秆资源丰富，每年各类秸秆产量约30亿吨，占世界农作物稻秆总产量的25%-30%。作为一种农业的废弃物为社会带来了严重的环境问题，严重不符合我国可持续发展的大国形象[1]。植物秸秆主要有纤维素，半纤维素，木质素，果胶，蜡质层，灰分，蛋白质等组成，但是由于秸秆的种类和秸秆的生长环境不同，秸秆的组分也存在差异[2]。本文主要研究玉米秸秆（秸秆纤维），秸秆纤维比强度大，比长径高还具有保温性能好的优点，增强复合材料的韧性，减少水泥早期干缩裂缝[3]。北方天气寒冷对材料的耐久性具有严格要求，因此本文研究了秸秆纤维对复合材料力学以及抗冻性的影响。
        1、试验
        1.1试验原料
        水泥：强度等级42.5的“鼎鹿牌”普通硅酸盐水泥；减水剂：减水效果为25%的聚羧酸系高效减水剂；粉煤灰：采用长春一汽集团的II级粉煤灰，比表面积675kg/m3；硅灰：SiO2≥90%；矿渣：比表面积1.0373 m2/ g；沙子：细度为2.3的石英砂；秸秆纤维：吉林省普通一年生玉米秸秆，将秸秆烘干，秸秆纤维长度控制在两种不同长度区段5-15mm。相关理化性能见表1。
                                                                                       表1 秸秆化学成分

        1.2实验仪器
        ML-203电子分析天平、WEW-300B微机屏显液压万能试验机、JR-KZ300DS水泥胶砂抗压抗折一体机、FRITSCH高能球磨机、SBY-60标准恒温恒湿养护箱、HJ-84混凝土加速养护箱、NJ-160A混凝土砂浆搅拌机、烘箱、-40FDS-500冻融循环试验机。
        1.2试件的制备及测试
        本试验将秸秆纤维掺入水泥基复合材料中。基本配合比（按质量比）为粉煤灰掺量为胶凝材料的10%，矿渣掺量为胶凝材料的15%，实验用水灰比为0.45，胶砂比为1：3，标记A1为未掺秸秆纤维的空白试块，在上述配合比例中依次加入掺量为胶凝材料的1%、2%、3%、4%、5%的秸秆纤维，试块编号依次标记为A2、A3、A4、A5、A6。强度测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm，冻融循环测试时秸秆掺量为2%其他掺量不变，测试的试件尺寸为100mm×100mm×100mm。将混合均匀后的拌合物放入对应模具。振捣、静置24h后脱模放入到标准养护箱（相对湿度95%，温度在18-22℃）养护28天，取出测量。
        水泥强度测试参照GB/T17671《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的规定进行测试；水泥的初凝终凝时间的测定参照GB/T1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》进行；冻融循环测试参照GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。
        2、试验结果及分析
        2.1初凝时间测试结果及分析
        由图1可见，随着秸秆掺量的增加初凝时间逐渐延长。未参加秸秆纤维的复合材料的初凝时间为50min，秸秆掺量为5%时，复合材料的初凝时间为80min，当秸秆纤维掺量为5%时，初凝时间找空白组延长了30min。秸秆纤维复合材料的凝结时间延长主要原因是秸秆是一种生物质材料，当秸秆纤维遇碱溶液后发生系列反应。首先以醚键相连的木质素结构单元断开，其次连接木质素与半纤维素的酯键因皂化反应断裂，最后纤维素与半纤维之间的氢键也会发生断裂[4]。经过以上三步反应使得秸秆内部组分析出并分解为单糖，单糖分子的外链上含有许多裸露的-OH官能团，在碱性的水泥拌合环境中与游离的钙离子生成不稳定的的络合物糖酸钙外壳，一方面控制了水化初期液相中钙离子的浓度产生缓凝作用，另一方面糖酸钙外壳包裹在水泥颗粒的表面，阻碍水分子与水泥颗粒的进一步水化反应。与此同时，羟基易与水分子通过氢键缔合，使水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，阻碍了水化进程，综上分析原因可知，秸秆纤维加入水泥基复合材料中具有缓凝的作用[5]。

        图1 秸秆纤维对初凝时间的影响
        2.2力学性能测试结果及分析
        秸秆掺量对复合材料抗折强度以及抗压强度的测量结果如图2图3所示。由图2可见随着秸秆掺量的增加复合材料的扛抗折强度先出现增加后呈现下降的趋势，其中A3组即秸秆掺量为2%时对复合材料的抗折强度提高最为明显达到7.9MPa，与空白组相比强度提高了5.3%。图3为抗压强度随着复合材料秸秆掺量的变化的而变化的曲线图。随着秸秆掺量的增加，复合材料的抗压强度一直呈现下降的趋势，当A3组以后即秸秆掺量超过2%时抗压强度下降幅度加大，且强度损失随秸秆掺量的增加而变大。

        图2 秸秆掺量对抗折强度的影响        图3 秸秆掺量对抗压强度的影响
        秸秆纤维作为一种低弹性模量的植物纤维，可以有效地提高复合材料的抗折强度。复合材料的在低应力阶段微裂纹仅仅随着外加应力的增加而稳定的张开是不发生扩展，但随着受力的增加，裂纹将不断向外扩展。将秸秆纤维加入到复合材料中，在机械搅拌下均匀分散在复合材料中，凝结硬化后纤维对裂缝具有桥接作用和基体成为一个共同的整体来分担荷载，当裂缝碰到临近的纤维时立即被阻挡，有效地防止裂缝扩大[6]。其次秸秆纤维在复合材料内部“均匀乱向”分布形成了支撑体系，可以降低裂纹尖端的应力集中，防止裂纹进一步发展。纤维秸秆纤维这种乱向分布也可以降低复合材料的塑性收缩，产生收缩的应力大量分散到纤维的丝上，减少因为收缩带来的裂纹[7]，进而增加复合材料的抗折强度。
        加入秸秆纤维复合材料抗压强度下降的原因，秸秆纤维表面游离着大量裸露的亲水基团，如羟基等。当秸秆纤维加入到混合物中时，均匀地分布在混凝土拌合物中。将这些分散在混凝土拌合物中的秸秆纤维包裹起来需要大量的水泥浆料。使得原本增加强度的水泥浆料减少。秸秆纤维的加入引入了大量的气泡，使得原本密实的基体出现许多空隙，空隙的增加使得复合材料在受压时单位水泥浆体分压力正大，最终抗压强度出现下降。秸秆会在碱性拌合物中析出据糖类物质，且距离秸秆纤维越近的部位糖类物质的浓度便越大，由近及远呈梯度变化，这样便对秸秆周边的水泥水化程度产生了不同程度的影响，使得秸秆与水泥浆体间的界面过渡层出现缺陷，受力后发生破坏，且界面缺陷随着秸秆掺量的增加而逐渐严重，因此。综上所述复合材料的抗压强度随着秸秆掺量的增加而减少。
        3、结论
        秸秆纤维水泥基复合材料中，随着秸秆掺量的增加初凝时间逐渐延长。当秸秆纤维掺量为5%时，初凝时间找空白组延长了30min。当秸秆纤维掺量为2%时对复合材料的抗折强度提高最为明显达到7.9MPa，与空白组相比强度提高了5.3%。抗压强度睡着秸秆纤维掺量的增加而下降，掺量超过2%时抗压强度下降幅度加大，且强度损失随秸秆掺量的增加而变大。
        参考文献：
        [1]王亚静，毕于运，高春雨．中国秸秆资源可收集利用量及其适宜性评价[J].中国农业科学，2010，43（9）：1852-1859.
        [2]朴香兰等吉林省农作物秸秆资源的现状及综合利用[J].延边大学农学学报，2003，25（1）：60-64．
        [3]姜海天，唐皞.农作物秸秆在复合材料中的应用研究进展[J].高分子通报，2013（11）：54-61.
        [4]李静瑶.秸秆水泥基复合材料性能的研究[D].吉林：吉林建筑大学.2016.89-91.
        [5]李艺，赵文.混杂纤维混凝土阻裂增韧及耐久性能[M].北京：科学出版社，2002.
        [6]胡洁琼.改性秸秆纤维对水泥砂浆韧性的影响研究[J].工程建设与设计，2017，（2）：72-74.
        [7]左均，耿睿.秸秆纤维混凝土力学性能影响因素分析[J].混凝土，2017（12）：54-56.