短离散型黄麻纤维增强水泥基复合材料的断裂和冲击性能

Fractureandimpactpropertiesofshortdiscretejutefibre-reinforcedcementitiouscomposites短离散型黄麻纤维增强水泥基复合材料的断裂和冲击性能XiangmingZhou*,SeyedHamidrezaGhaffar,WeiDong,OlayinkaOladiran,MiziFanSchoolofEngineeringandDesign,BrunelUniversity,Uxbridge,MiddlesexUB83PH,UnitedKingdomarticleinfo：Articlehistory:Received23October2012Accepted11January2013Availableonline26January2013Keywords:关键词：黄麻纤维天然纤维断裂韧性双参数断裂模型抗冲击性纤维增强混凝土abstract摘要：本文进行研究短离散型黄麻纤维增强水泥基复合材料在各种应用于建筑物的低成本纤维强化水泥和混凝土的模型中的断裂和冲击性能。对混凝土缺口梁做关于黄麻纤维增强水泥基复合材料的断裂性能的实验，分别为期7天、14天和28天，然后通过双参数断裂模型对结果进行阐述。黄麻纤维增强水泥基复合材料的抗冲击力通过重复的减重测试进行检测，测试材料是规模为200×200×20mm³的砂浆板，时间同样分别是7天、14天和28天。通过裂缝分布图对裂缝进行定性和定量分析，从示波器上观察、目测黄麻纤维增强水泥基复合材料砂浆板的抗冲击力和能量吸收情况。此外，在这为期7天、14天和28天的试验中黄麻纤维增强水泥基复合材料的抗压、抗弯和分裂拉伸优势符合相关的欧洲标准。我们发现，结合粒化高炉矿渣粉和波特兰水泥作为基质，黄麻纤维增强水泥基复合材料能实现更高的抗压强度、抗拉强度、断裂韧性、临界应变能量释放率，临界应力强度因子强于用全氟烷氧基树脂和波特兰水泥作为基质。然而，冲击试验表明，在这为期7天、14天和28天的试验中，相比于结合全氟烷氧基树脂和波特兰水泥作为基质，结合粒化高炉矿渣粉和波特兰水泥作为基质的黄麻纤维增强水泥基复合材料砂浆板具有较高的耐冲击性，吸收更多的冲击能量，冲击撞击失误更少。黄麻纤维增强水泥基复合材料砂浆板没有变成碎片，韧性没有破坏；而普通砂浆的表现出韧性非常脆弱，破碎成碎片。在冲击失败案例中，纤维拉拔力能从两种不同黄麻纤维增强水泥基复合材料砂浆板的纤维断裂中观察到。此外，黄麻纤维增强水泥基复合材料砂浆板在冲击的吸收能量失败案例中的的耐冲击性是随着时间的增加而增长的。1.Introduction1、简介在当今建筑业面临的主要挑战是提高在可持续发展方面的形象。因此使用可持续材料的最佳性能是实现可持续建设的重要策略之一。纤维未强化材料的特点是拉伸强度低、断裂韧性低、拉伸应变能力低。然而，在混凝土，砂浆或水泥净浆可以大大提高他们的许多工程性能，包括短离散纤维，如断裂韧性，拉伸强度，弯曲强度，耐疲劳性，抗冲击性，和热冲击应力[1]。在许多不同来源的天然纤维充裕的发展中国家，经济学和其他相关的因素要求工程师采用适当的技术利用天然纤维和本地材料，有效、经济和尽可能生产出质量好的低成本的纤维增强水泥基复合材料的住房和满足其他需要。因此，具有许多优点的天然纤维代替合成纤维能带来潜在节约，如:(1)成本低，价格便宜(2)具有生物降解能力(3)加工过程中灵活、柔软，减少机器磨损(4)健康危害最小(5)密度低(6)理想的纤维的纵横比(7)相对高的拉伸强度和弯曲模量[2]。如果天然纤维在一个相对脆性的水泥基体中可以实现和保持复合材料的延展性和韧性，这种纤维在高碱性水泥基体中的耐久性是必须考虑的因素，Gram首创的工作中，通过有效的修改过的纤维表面和/或基质组合物，克服固有的问题也就是脆化[3]。大多数纤维增强水泥基复合材料的发展到目前为止都涉及使用波特兰水泥为基体。然而，高铝水泥，石膏，和各种特殊的低碳能源补充胶凝材料也被用来产生纤维增强水泥基复合材料，可以提高材料的耐久性，和/或减少纤维和水泥基体之间的化学相互作用。天然纤维是有效的的增强材料，最近建筑业中其在水泥基复合材料加固方面的应用已引起人们越来越多的关注。在其使用寿命期间,可能会经历各种各样的极端环境和/或动态载荷的基础设施。由于这些极端的环境事件和/或动态负载发生，可能会有结构的严重破坏甚至灾难性的失败。因此，有必要设计民用基础设施的抗地震弹性，抗冲击和爆炸载荷，提高公众的安全[4]。然而，一个结构的极端环境事件和动态载荷在很大程度上取决于材料的结构。众所周知，由于通过有害物质进入，断裂可能会削弱混凝土的耐久性。在天然纤维增强的情况下，减少在复合材料中的断裂是必要的，因为一旦形成一定宽度的裂缝就会加速纤维的恶化。因此，探讨应用于基础设施的天然纤维增强水泥基复合材料的断裂性能是很重要的。然而，在科学文献中，有关天然纤维增强水泥基复合材料的断裂与冲击性能的研究非常有限。人们普遍认为，天然纤维的加入能提高水泥基复合材料的断裂韧性和抗冲击性。Al-Oraimi和Seibi[5]报道，即使使用低比例的天然纤维也能提高力学性能，混凝土的抗冲击性能使它表现出与人造纤维增强混凝土类似的性能。然而，Silva和Rodrigues[6]发现剑麻纤维混凝土的加入降低其抗压强度，他们声称这是由于无纤维加固，其低和易性使其组织不致密。Ramakrishna和Sundararajan[7]测试了不同的纤维长度和纤维用量的剑麻，椰壳纤维，黄麻和芙蓉（红麻）纤维增强水泥砂浆。他们发现，纤维增强砂浆的抗击强度总是高于那些未增强纤维。在某些情况下，前者的抗冲击性能比后者高18倍。Savastano以及其他人[8]将纤维增强水泥基复合材料的力学性能与剑麻香蕉和桉树纤维相比。他们发现，那些1.65或1.95毫米长度的剑麻和香蕉纤维增强水泥基复合材料，表现出比0.66毫米长的桉树纤维更稳定的断裂性能，证实了纤维的长度影响了加载从水泥基转移到纤维的过程。Li以及其他人[9]研究了干、湿混合的方法，令大麻纤维在水泥基体中的均匀分散，得出的结论是，湿混法有更好的分散性，对纤维增强混凝土的弯曲性能有积极影响。Kundu以及其他人[10]报道一个成本有效的制造黄麻纤维增强混凝土污水管的过程方法。在这项研究中，黄麻纤维被切碎和进行化学处理以达到黄麻纤维均匀分散在水泥基中的状态。结果发现，相比于无纤维加固的混凝土管，黄麻纤维增强混凝土污水管的承载能力明显增加，表明天然纤维，如黄麻纤维，可能是相当不错的水泥基材料。然而，使用的化学品处理黄麻纤维明显增加了成本和减少纤维增强水泥基复合材料的最终产品的可持续发展得分。Ali以及其他人[11]通过实验研究了椰子纤维与混凝土之间直径、预处理条件和埋置长度对粘合强度的影响。在他们的研究中，椰子纤维松散，在自来水中浸泡30分钟。然后再清洗和浸泡三次，每次30分钟，矫直、干燥直到除去水分。对浸泡后的纤维进行处理：(1)用沸腾的水中煮再用自来水冲洗；或(2)在这种情况下用化学物质，首先浸泡在0.25%的海藻酸钠(NaC6H7O6)溶液中30分钟，然后在1%氯化钙(CaCl2)溶液中90分钟。他们发现，当纤维被煮洗过，纤维的拉伸强度，纤维的韧性和纤维混凝土的粘合强度可分别提高34%，55%和184%。在比较中，化学预处理引起的粘结强度和拉伸强度分别下降25%和23%。这项研究表明，天然纤维用沸腾的水简单地处理，可能是一个很好的方式来增强纤维和水泥基体之间的粘合。天然纤维增强水泥基复合材料的长期性能可由天然纤维的两个特征的影响：长度变化，由于其吸湿性纤维会比最初被纳入的胶凝系统更长；机械性能的变化可能与降低纤维增强水泥基复合材料的强度和韧性有关。这两种效应是独立的，但他们都可能会导致不良的表现，如增加破裂的敏感性。然而，如果合理设计成份，充分地制定和处理复合材料，这些影响可以最小化甚至消除[12]。在波特兰水泥的高碱环境下木质素和半纤维素溶解，从而削弱了纤维结构[6]，这可能是促进天然纤维增强水泥基材料性能的一个潜在障碍。为了减少波特兰水泥的高碱环境，火山灰质材料已被全部或部分取代波特兰水泥。这些火山灰材料包括高铝水泥，硅灰，粉煤灰(PFA)，磨细高炉矿渣(GGBS)和天然火山灰，如稻壳灰，浮石、硅藻土。另一方面，使用这些火山灰质材料取代波特兰水泥可以帮助提高制造在水之后世界上第二最常用的材料——水泥工业的可持续发展形象。平均900公斤的二氧化碳是产生每1000公斤的波特兰水泥排放出的。所有水泥生产行业贡献了大约占全球5–8%的人为二氧化碳排放量。在许多国家，立法已经制定二氧化碳减排目标。建筑业一直在寻找可供选择的粘合材料和矿物混合物，如火山灰材料（例如磨细矿渣和粉煤灰），取代波特兰水泥，以减少其对环境几十年的负面影响。此外，一些火山灰质材料能够提高混凝土的耐久性和质量[13]。使用这些矿物混合物最终导致的经济效益为大多数为工业副产品。粉煤灰本身是灰尘一样的物质，主要是球形玻璃粉颗粒。它具有火山灰的特性，本质上由SiO2和Al2O3至少反应25%的SiO2，可被当作II型用于和EN206-1一致的混凝土生产的补充[14]。粉煤灰特别适用于大体积混凝土的应用，大体积的位置来控制由于其低水化热产生的膨胀，也有助于减少早期破裂。利用粉煤灰混凝土中的主要缺点是，由于早期强度相对低，导致它的强度发展显著低于波特兰水泥。另一方面，磨细高炉矿渣是一种从钢铁制造工业的高炉生产的副产品。这是由石灰、二氧化硅、氧化铝等与构成波特兰水泥相同的氧化物组成的混合物，但是比例不同于波特兰水泥。虽然磨细高炉矿渣的组成成分可以根据非金属矿物和用于铁制造，硅，铝，钙，镁的其他补充材料变化而变化，其氧构成通常有95%个或更多。EN15167-1[15]指定，作为Ⅱ型混凝土外加剂，磨细高炉矿渣的化学成分应至少2/3的质量由氧化钙和氧化镁组成，二者和二氧化硅的质量比超过1。提示应主要是铝氧化物。用磨细高炉矿渣混凝土具有许多优点，包括改进的耐久性，和易性和经济效益性。类似粉煤灰，在使用上的缺点是，它的强度发展比波特兰水泥混凝土慢20℃固化，虽然极限强度可能高于水胶比相同的波特兰水泥混凝土[16]。黄麻是在孟加拉国、中国、印度、泰国和英国大量生长的植物。黄麻纤维从长2.5米，底座直径25毫米左右的黄麻的纤维皮提取。成熟的植物被砍伐，捆成捆，淹没在水中约四周，期间树皮完全分解，纤维暴露。然后将纤维手动从茎上剥离，洗净晒干[17]。作为天然纤维的是农业废弃物，工程天然材料和产品成为建筑业的经济选择。Kundu以及其他人[10]发现，黄麻纤维比钢纤维轻七倍，但在250–300MPa的范围有相当高的拉伸强度。Ramaswamy以及其他人[18]测试黄麻纤维自然风干状态下的拉伸断裂强度和拉伸伸长率，令其在pH值为11的氢氧化钠溶液的碱性环境中浸泡28天。他们发现，黄麻纤维的抗拉强度是相当高的，当沉浸在碱性介质中强度损失从5%变化到32%。在比较中，纤维嵌入在水泥混凝土里表明只有边际损失强度[18]。2.Theoriesandexperiment2、理论与实验2.1.Rawmaterials2.1.原料CEMIIPC符合EN197-1[19]用于本研究是拉法基水泥（UK）购买。PFA的这项研究来从HCCP哈格里夫斯煤燃烧产物有限公司（英国）这是符合EN450-1[20]用作II型加成在生产混凝土。矿渣微粉是由汉森获得海德堡水泥集团（英国），这是符合EN15167-1[15]用作II型除了在生产混凝土。在PC，PFA的比重密度和布莱恩细度及用于该研究矿粉进行了测试符EN196-6[21]其结果示于表1中。它可以看出，PFA颗粒是三者中最好的，PFA还具备最低的重力密度。三者的化学组成通过与SEM-EDX分析得到的绑定材料所示结果在表2a中的元素和表2b中的术语以氧化物，分别条款。对于PFA中，SiO2和Al2O3的含量之和按质76.34％的碱的总含量计算以Na2O是质量3.