椰殼纖維增強水泥基復合材料微觀組織研究★

黃小琴 蔣必鳳

(三亞學院，海南 三亞 572011)

1 概述

椰殼纖維增強水泥基復合材料在工程上具有廣泛的運用前景，可制備隔熱、吸音、輕質(zhì)且具有一定韌性的建筑材料，是一種較有前景的植物纖維水泥基復合材料。國內(nèi)外學者針對椰殼纖維以及以椰殼纖維作為增強增韌相添加到水泥或混凝土基體方面都做了許多研究。例如在椰殼纖維顯微結(jié)構(gòu)方面，謝文雅對椰殼纖維的微細結(jié)構(gòu)進行了實驗研究,以提供椰殼纖維應用的途徑與方法[1]；在對椰殼纖維表面進行預處理方面，王威等研究發(fā)現(xiàn)堿處理后椰殼纖維的形態(tài)發(fā)生變化變得更細，表面出現(xiàn)許多凹坑[2]；潘宜健從宏觀的角度研究不同界面優(yōu)化方法對椰殼纖維增韌水泥基復合材料性能的影響[3]。羅滔對椰纖維表面進行功能化修飾，并采用顯微檢測方法對椰殼纖維的微觀結(jié)構(gòu)進行分析[4]。目前，對椰殼纖維單根微觀結(jié)構(gòu)以及對椰殼纖維增強水泥基復合材料綜合性能的研究不少，但對椰殼纖維加入到水泥基體中的界面結(jié)構(gòu)和形態(tài)的研究比較少。本研究通過將椰殼纖維加入到復合硅酸鹽水泥砂漿中，研究椰殼纖維與基體的物理相容性和化學相容性。通過對椰殼纖維增強水泥基復合材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分的分析與研究，探討椰殼纖維與水泥基體的相容性；通過對斷裂界面的分析，探討椰殼纖維增強水泥基復合材料的斷裂機理。從微觀的角度，研究提供椰殼纖維增強輕質(zhì)水泥基復合材料綜合性能的研究方向，以提高該材料在輕質(zhì)隔墻上運用的工程適用性，為椰殼纖維增強水泥基復合材料的深入研究提供一定的指導。

2 試樣制備

采用三亞力源椰糠廠提供的天然椰殼纖維，將椰殼纖維剪切處理，得到椰殼纖維的長度分布為(0～6)cm，再將椰殼纖維放入搖篩機中震動除去纖維表面的雜質(zhì)和塵土，經(jīng)過搖篩震動后的椰殼纖維見圖1。本實驗采用32.5R的復合硅酸鹽水泥，制備未加椰殼纖維的水泥基體材料與椰殼纖維增強水泥基復合材料。采用配有能譜儀的Sirion200冷場掃描電子顯微鏡對未加椰殼纖維的水泥基體材料與椰殼纖維增強水泥基復合材料的試樣進行掃描分析。

3 材料內(nèi)部顯微分析

根據(jù)材料的制備原理，材料的組織與結(jié)構(gòu)決定材料的性能，材料的性能反映材料的用途。對制備的椰殼纖維增強水泥基復合材料的微觀組織、微觀形貌、椰殼纖維與水泥基體的界面結(jié)合情況，以及椰殼纖維增強水泥基復合材料的斷口形貌進行分析。以解釋椰殼纖維的加入以及沸煮處理對復合材料的物理性質(zhì)和力學性能的影響。研究結(jié)果有如下幾點。

3.1 材料基體微觀形貌分析

未加椰殼纖維的水泥基體材料與椰殼纖維水泥基復合材料表面形貌如圖2所示。

從圖2a)中可以看出，未加入椰殼纖維的水泥基體呈現(xiàn)出較為均勻致密的基體形貌。從圖2b)中可以看出，加入椰殼纖維后，可以看見纖維分布于水泥砂漿基體中，二者界面結(jié)合較為緊密，水泥砂漿能夠很好的包覆椰殼纖維表面，具有較好的物理相容性。這表明在拌合復合材料漿體時，水泥砂漿漿體與椰殼纖維表面具有很好的潤濕性。

3.2 復合材料纖維表面微觀形貌

椰殼纖維增強水泥基復合材料內(nèi)部纖維掃描電子顯微鏡圖如圖3所示。

從圖3a)中可以看出，椰殼纖維增強水泥基復合材料中的椰殼纖維保持較為完整的原始纖維外觀形貌。從圖3b)中可以看出，進一步放大后發(fā)現(xiàn)椰殼纖維表面附著水泥熟料顆粒(如圖3b)中的箭頭所示)。這表明椰殼纖維加入水泥基體中沒有和水泥熟料發(fā)生劇烈的化學反應，椰殼纖維與水泥砂漿基體之間的化學相容性較為良好。

3.3 材料斷口形貌分析

未加椰殼纖維與加入椰殼纖維水泥基復合材料斷口形貌如圖4所示。

從圖4a)中可以看出，未加入椰殼纖維的基體材料，彎曲斷口表現(xiàn)為較為明顯的脆性斷裂斷口特征，斷口表面較為平整。從圖4b)中可以看出，加入椰殼纖維后的椰殼纖維水泥基復合材料的彎曲斷裂斷口呈現(xiàn)出較長的纖維拔出，拔出纖維周圍的水泥基體材料中有較為明顯的韌窩出現(xiàn)，具有假塑性斷裂斷口的特征。這表明加入椰殼纖維后水泥基體材料的脆性得到一定的改善，椰殼纖維增強水泥基復合材料彎曲強度得到提高，對微觀斷裂斷口分析發(fā)現(xiàn)椰殼纖維增強水泥基復合材料斷口具有假塑性斷裂特征。椰殼纖維加入到水泥基體中能夠起到增強水泥基體的作用，提高水泥基體材料的抗彎性能。

3.4 椰殼纖維與水泥基體界面分析

椰殼纖維水泥基復合材料中椰殼纖維與水泥基體的界面情況如圖5所示。

從圖5a)和圖5b)中可以看出不管是垂直于水泥基體還是橫向分布于水泥基體中，椰殼纖維表面均被水泥基體緊密包覆，椰殼纖維與周圍水泥砂漿基體的界面結(jié)合十分緊密，這表明椰殼纖維增強水泥基復合材料中椰殼纖維與水泥基體具有良好的界面結(jié)合特性。在制備椰殼纖維增強水泥基復合材料時新拌和漿體中水泥砂漿能夠很好的潤濕于椰殼纖維表面，水泥漿體硬化后從SEM圖像中觀察到椰殼纖維與水泥基體二者界面結(jié)合較為緊密，這表明椰殼纖維增強水泥基復合材料中椰殼纖維與水泥基體呈現(xiàn)出較好的物理相容性。

3.5 椰殼纖維增強水泥基復合材料基體中椰殼纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

椰殼纖維增強水泥基復合材料基體中椰殼纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

從圖6a)中可以看出，椰殼纖維側(cè)截面剖面為細小的纖維束孔(如圖6a)所示中箭頭指向)。從圖6b)單根椰殼纖維的正截面圖中可以看出，單根椰殼纖維內(nèi)部包含眾多的纖維束，纖維束截面呈橢圓形，緊密排列。這樣的管中多管結(jié)構(gòu)賦予椰殼纖維較好的徑向拉伸強度。

4 椰殼纖維增強水泥基復合材料中椰殼纖維內(nèi)部顯微成分分析

4.1 椰殼纖維表面軸向線掃描分析

椰殼纖維增強水泥基復合材料的椰殼纖維表面線掃描分析結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，對單根椰殼纖維表面進行線掃描分析，從成分分析中可以看出，椰殼纖維表面Ca元素、O元素和Si元素含量比較高，這些元素都是硅酸鹽水泥熟料(3CaO·SiO2，2CaO·SiO2,3CaO·Al2O3,4CaO·Al2O3·Fe3O4)的主要組成元素，表明水泥基體均勻的覆蓋椰殼纖維表面，二者的化學相容性也較好。

4.2 椰殼纖維徑向線掃描成分分析

椰殼纖維橫斷面徑向線掃描分析結(jié)果如圖8所示。

圖8對單根椰殼纖維正截面進行線掃描，可以看出C元素含量較高，Ca元素與Si元素的含量很少，表明椰殼纖維內(nèi)部成分與形貌都有較好的保持，沒有與水泥基體發(fā)生劇烈的化學反應。O元素含量較高且與C元素保持同增同減的趨勢，有可能是制樣過程中采用切割機，在高溫下椰殼纖維中的C被氧化的結(jié)果。

水產(chǎn)品在冷凍冷藏過程中會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、營養(yǎng)流失以及風味物質(zhì)消失等情況，主要原因是由于水產(chǎn)品含水量較多，在以較慢的速度凍結(jié)水產(chǎn)品過程中形成量少而大的冰晶體，冰晶體呈六角形結(jié)晶單元或者不規(guī)則樹枝狀。這樣的冰晶體會對水產(chǎn)品的細胞結(jié)構(gòu)造成破壞以及對水產(chǎn)品組織產(chǎn)生擠壓磋動[2]。在以較快的速度凍結(jié)水產(chǎn)品過程中，水產(chǎn)品中的水形成球狀晶體。當在液態(tài)氮極低溫度下急速凍結(jié)時，水產(chǎn)品中的水呈細微球粒結(jié)晶，這一結(jié)晶過程稱為“玻璃化”[2-3]。水產(chǎn)品中的水在凍結(jié)過程中的玻璃化不會對水產(chǎn)品的細胞結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，急速凍結(jié)技術(shù)是保證水產(chǎn)品營養(yǎng)和風味的關(guān)鍵。

5 研究結(jié)論與研究建議

5.1 研究結(jié)論

1)加入椰殼纖維后，可以看見纖維分布于水泥砂漿基體中，二者界面結(jié)合較為緊密，水泥砂漿能夠很好的包覆椰殼纖維表面，椰殼纖維與水泥基體具有良好的物理相容性。

2)椰殼纖維增強水泥基復合材料中的椰殼纖維保持較為完整的原始纖維外觀形貌，表明椰殼纖維加入水泥基體中沒有和水泥熟料發(fā)生劇烈的化學反應，二者的化學相容性較為良好。

3)加入椰殼纖維能起到增強復合材料抗彎性能的作用，椰殼纖維增強水泥基復合材料的彎曲斷口有較長的纖維拔出與韌窩特征，呈現(xiàn)出一定的假塑形斷裂特征。水泥基體材料的韌性得到一定的改善。

4)單根椰殼纖維內(nèi)部包含眾多的纖維束，纖維束截面呈圓形，緊密排列，管中多管結(jié)構(gòu)賦予椰殼纖維較好的徑向拉伸強度。

5.2 研究建議

1)對配合比進行調(diào)整。

2)選擇合適的基體組成材料。

椰殼纖維增強水泥基復合材料的基體材料為水泥、砂。從水泥的角度考慮，不同品種的水泥具有不同的堿度，椰殼纖維屬于植物纖維，堿性環(huán)境會對其產(chǎn)生腐蝕作用，以不同品種的水泥作為基體材料，制備椰殼纖維增強水泥基復合材料，研究水泥基體與椰殼纖維的物理和化學相容性，力求找到腐蝕作用較低的水泥基體制備具有較好耐久性的椰殼纖維水泥基復合材料；從砂的角度考慮，砂的級配對椰殼纖維水泥基復合材料的影響較大，可以對考慮椰殼長纖維加入砂后的混合料的級配進行研究，尋求復合材料致密度提高的有效途徑。

3)對椰殼纖維表面進行改性。

椰殼纖維為植物纖維，隨著時間的推移，其在水泥基體環(huán)境中容易發(fā)生氧化，降低纖維的增強作用。故可以對纖維表面進行改性處理，研究改性處理的方法，比如纖維表面涂覆物的選擇，涂覆工藝的設計等，力求在不明顯增加椰殼纖維水泥基復合材料制備成本的前提下使其耐久性得到提高，增強材料的工程適用性。

4)選用合適的外加劑和摻合料。

只用加入微量的外加劑就會對水泥基材料的綜合性能產(chǎn)生巨大影響，故研究不同種類的外加劑對椰殼纖維水泥基復合材料的影響，是一個值得深入研究的方向。摻合料對水泥基復合材料的和易性和后期強度等性能都有巨大影響，故研究摻合料的種類和搭配對椰殼纖維水泥基復合材料的影響也是一個值得進一步研究的方向。