植物纖維改性水泥基復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能研究.pdf

1、添加纖維不僅可以提高水泥基材料的力學(xué)性能，而且可以賦予材料新的功能和用途。植物纖維因其價格低廉，來源廣泛、環(huán)境友好和可再生等特性，在代替聚丙烯纖維、玻璃纖維或碳纖維等人造合成纖維方面表現(xiàn)出巨大的潛力。因此近年來，植物纖維增強水泥基復(fù)合材料受到越來越多國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注。然而，植物纖維增強水泥基復(fù)合材料的耐久性問題，極大地制約了其在建筑材料中的應(yīng)用;此外，植物纖維自身品種，生長的氣候條件、成材期的差異，以及處理過程和處理技術(shù)的不同，均會

2、導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成不同，進(jìn)而影響植物纖維增強水泥基復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能。本論文針對纖維強韌化復(fù)合材料成型方法，以及植物纖維在水泥基體高堿性環(huán)境中的耐久性等學(xué)術(shù)問題，重點研究了植物纖維組成、結(jié)構(gòu)及其對水泥基復(fù)合材料成型過程和力學(xué)性能的影響規(guī)律及相關(guān)機制。首先，選擇預(yù)處理前后，以及不同預(yù)處理程度的秸稈纖維作為水泥基體的增強材料，探討秸稈纖維組成、結(jié)構(gòu)和水泥水化行為之間的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，選取植物纖維素作為水泥基體的增強材料，系統(tǒng)研究了

3、植物纖維素改性水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能及增韌機理，并探討了植物纖維素/水泥基復(fù)合材料耐久性改善的具體措施。
　　1.選取四種水稻秸稈纖維，通過XRD、SEM以及DTG等分析表征手段研究了預(yù)處理前后秸稈纖維的物化性能，并將預(yù)處理前后的秸稈纖維等量加入水泥基復(fù)合材料，探討了秸稈纖維組成、結(jié)構(gòu)與秸稈纖維/水泥基復(fù)合材料的水化產(chǎn)物及力學(xué)性能之間的相互關(guān)系。研究表明，通過蒸爆預(yù)處理及漂白工藝對水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理，可以有效地去除或減少半纖維素

4、和木質(zhì)素等無定形物質(zhì)的含量，提高纖維素含量，從而提高纖維的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。此外，10 wt.％四種水稻秸稈纖維等量代替水泥基材后，均降低水泥的最大水化速率，并延遲到達(dá)最大水化速率的時間，降低和延遲的程度隨著纖維預(yù)處理程度的增加而減少;同時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過預(yù)處理的水稻秸稈纖維使得纖維/水泥基復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能。通過對照預(yù)處理前后幾種秸稈纖維的結(jié)構(gòu)與水泥基復(fù)合材料的相關(guān)性能，發(fā)現(xiàn)水稻秸稈纖維中三種主要組分對水泥水化的影響順序為:半纖維素

5、＞木質(zhì)素＞纖維素;研究結(jié)果也說明秸稈纖維作為水泥基體增強材料前的預(yù)處理是必要的。
　　2.以水稻秸稈提取的纖維素作為增強纖維，通過真空抽濾脫水工藝制備了水稻秸稈纖維素/水泥基復(fù)合材料，研究了水稻秸稈纖維素?fù)搅吭?-16 wt.％對復(fù)合材料物理和力學(xué)性能的影響，并以竹漿纖維素/水泥基復(fù)合材料和水泥凈漿的結(jié)果進(jìn)行對比分析。研究表明，復(fù)合材料的物理性能取決于纖維素的摻量而非種類，纖維素的引入導(dǎo)致復(fù)合材料的體積密度下降了12.4％-37.

6、3％。此外，植物纖維素的摻加可以顯著改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，水稻秸稈纖維素?fù)搅繛? wt.％時，纖維素改性水泥基復(fù)合材料的最大抗彎強度最優(yōu)，為對比樣水泥凈漿的124.3％;竹漿纖維素?fù)搅繛?0 wt.％時，復(fù)合材料的抗彎強度最優(yōu)，為對比樣的102.7％。當(dāng)纖維素?fù)搅繛?6 wt.％時，水稻秸稈纖維素和竹漿纖維素改性水泥基復(fù)合材料在28天齡期的斷裂韌性最大，分別為對比樣水泥凈漿的38和46倍。
　　3.采用CEAST9350落

7、錘試驗機，研究了竹漿纖維素?fù)搅繉λ嗷鶑?fù)合材料抗沖擊性的影響，并對不同沖擊速度下竹漿纖維素/水泥基復(fù)合材料的沖擊損傷和破壞機理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，竹漿纖維素改性水泥基復(fù)合材料的破壞模式和抗沖擊性能受纖維摻量和沖擊能量的影響。25 J沖擊能量(沖擊速度3.0 m/s)下，纖維摻量在0-12 wt.％范圍內(nèi)，竹漿纖維素改性水泥基復(fù)合材料的抗沖擊性隨著纖維素?fù)搅康脑黾佣岣?當(dāng)纖維摻量超過12 wt.％時，纖維素?fù)搅康脑黾訉?fù)合材料抗沖擊性

8、能的提升不明顯。此外，不同的沖擊速度下，竹漿纖維素改性水泥基復(fù)合材料試樣具有不同的破壞模式和能量吸收方式:在較小沖擊速度(1.4 m/s)下，材料在垂直于沖擊方向發(fā)生分層破壞，此時試樣能量吸收的主要方式是纖維與基體的脫粘;隨著沖擊速度增加到1.9 m/s，材料在分層破壞的同時伴隨基體開裂、纖維和基體脫粘及少量的纖維斷裂，此時的能量吸收途徑主要有纖維斷裂和纖維與基體脫粘。
　　4.采用不同摻量的偏高嶺土和硅灰，代替復(fù)合材料中的部分水

9、泥，研究了竹漿纖維素/水泥基復(fù)合材料在不同齡期的力學(xué)性能變化，并結(jié)合XRD分析，確定硅灰最佳摻量為40 wt.％。在此基礎(chǔ)上，制備了摻40 wt.％硅灰和未摻硅灰的復(fù)合材料，通過干濕循環(huán)加速老化的試驗方法，測定了兩種復(fù)合材料試樣從0到25次干濕循環(huán)的力學(xué)性能變化，以此預(yù)測復(fù)合材料的耐久性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，40 wt.％硅灰的摻加可以有效改善竹漿纖維素/水泥基復(fù)合材料的耐久性:硅灰摻加的復(fù)合材料試樣在25次干濕循環(huán)試驗后的斷裂韌性為循環(huán)前的10