椰殼纖維增強(qiáng)改性水泥砌塊抗壓耐久性試驗(yàn)

郭晉杰

摘要：研究了在水泥土砌塊中引入椰殼纖維，在軸向壓縮和彎曲載荷下測(cè)試了不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的椰子纖維增強(qiáng)的水泥土砌塊，以檢查材料在峰值的承載能力、峰值后殘余強(qiáng)度和韌性方面的響應(yīng)。結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)水泥土砌塊在隔熱和機(jī)械性能方面具有預(yù)期的技術(shù)性能，摻入椰殼纖維后提高了水泥土砌塊的剩余強(qiáng)度、延性和能量吸收能力。水泥土砌塊中添加椰殼纖維可減少堿侵蝕和酸侵蝕。對(duì)于凍融和干濕循環(huán)，也顯示出類似的耐久性改善。

關(guān)鍵詞：建筑材料；水泥土砌塊；椰殼纖維；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ342+.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-0152-04

Compressiondurabilitytestof coconutshellfiber reinforcedmodifiedcementbricks

GUO Jinjie

（Shenzhen Bay Area Urban Construction Development Co.，Ltd.，Shenzhen 51805，China）

Abstract： The introduction of coconut fiber into cement bricks was investigated. Coconut fiber reinforced cement bricks with different fiber weight fractions were tested under axial compression and bending loads to check the re? sponse of the materials in terms of peak load capacity，post peak residual strength and toughness. Results show that fiber reinforced cement bricks have expected technical performance in thermal insulation and mechanical proper? ties. It is observed that coconut fiber reinforcement greatly improves the residual strength，ductility and energy ab? sorption of cement bricks. Adding coconut fiber to mortar can reduce alkali erosion and acid erosion. Similar dura? bility improvements are also shown for freeze-thaw and dry wet cycles.

Keywords： building material；cement bricks；coconut shell fiber；mechanical property

在發(fā)展中國(guó)家，作為建筑成本較低材料，水泥仍然是一種重要的建筑材料[1-3]。通過(guò)水泥連接在一起的纖維在水泥中提供了抗拉強(qiáng)度。纖維在水泥層之間提供了更好的一致性。水泥受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非常重要。發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)水泥的抗壓強(qiáng)度高于常規(guī)無(wú)纖維水泥[4-6]。這些纖維的存在增加了水泥的彈性。當(dāng)水泥開(kāi)始干燥時(shí)，它變形并發(fā)生收縮。纖維的分布是任意的，隨著纖維數(shù)量的增加，水泥土砌塊的拉伸強(qiáng)度和彈性性能提高。添加劑或穩(wěn)定劑通常用于克服這些缺點(diǎn)，并且通常用于改善材料的特定性能[7-10]。相關(guān)研究表明，隨著纖維含量的增加，對(duì)干密度、抗壓強(qiáng)度和延展性有積極影響[11]。然而，對(duì)水泥土砌塊（ECB）上纖維加固應(yīng)用研究仍然有限。因此，開(kāi)展椰子纖維在水泥土砌塊中的使用以及纖維在承受壓縮和彎曲荷載時(shí)對(duì)砌塊峰值后性能的影響的研究非常必要[12-15]。

1 材料和方法

1.1 使用的材料

試驗(yàn)計(jì)劃的目的是研究椰子纖維增強(qiáng)水泥土砌塊的力學(xué)性能。在研究中，以下材料用于砂漿制備。水泥：普通硅酸鹽水泥（OPC），表觀密度為1362 kg/m3，比密度為3150 kg/m3。土壤：調(diào)查中使用的土壤來(lái)自 XX地區(qū)，表觀密度為1348 kg/m3，比密度為2370 kg/m3。液限（LL）為16%，塑性指數(shù)（PI）為1.07%。土壤含有45.8%的粘土和粉土、50.2%的砂和4%的礫石。椰殼纖維：當(dāng)?shù)乜捎玫奈刺幚砝w維，平均長(zhǎng)度約為24 mm，平均直徑約為20μm。通過(guò)篩分用于制備砂漿的水泥和局部土壤的粒度分布，粒度分布曲線如圖1所示。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

選定的砂漿、水泥與砂的體積比為1∶6，體積比例被轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，以避免不準(zhǔn)確的測(cè)量。使用混凝土攪拌機(jī)從水泥和土壤的干混合物開(kāi)始進(jìn)行砂漿混合。將椰殼纖維隨機(jī)拋灑到干土中，逐步分批引入水泥和土壤的干混合物中。隨著混合的繼續(xù)，干燥混合物逐漸加水[16]。濕混合約10 min 后停止混合。椰殼纖維增強(qiáng)基質(zhì)是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、0.2%、0.4%和0.6%水泥和土壤混合物的纖維制成的，水灰比保持在0.9。

1.3 試樣制備

濕混合物的壓實(shí)在重型鋼模具中進(jìn)行，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體和制造的梁標(biāo)稱尺寸為400 mm×100 mm×100 m。

根據(jù)ASTM C1609確定梁的尺寸，以提供3.5的跨深比，用于充分的彎曲性能評(píng)估。為了進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，制備了尺寸為100 mm×100 mm×60 mm 的砌塊作為對(duì)照，并制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%椰殼纖維增強(qiáng)水泥土砌塊。5個(gè)立方體用于測(cè)定抗壓強(qiáng)度，5個(gè)梁用于測(cè)定具有不同椰殼纖維分?jǐn)?shù)的每種土水泥砂漿類型的抗彎抗拉強(qiáng)度；澆鑄砌塊并保持養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了獲得水泥砂漿的密度和吸水率，根據(jù)ASTM C140測(cè)量質(zhì)量和尺寸，并根據(jù)ASTM C1585測(cè)量，吸附系數(shù)：

式中：Δw 為毛細(xì)血管引起的質(zhì)量增益，kg；A 為暴露于水的面積，m2；ρ為水的密度，kg/m3；t為經(jīng)過(guò)時(shí)間， min；s為吸附系數(shù)，mm/min 1/2；I0為初始吸附，mm。

在位移控制方法下，通過(guò)軸向壓縮試驗(yàn)機(jī)評(píng)估水泥砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度。加載過(guò)程是位移控制的單調(diào)加載，位移速率為2 mm/min。水泥砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度由峰值承載能力除以基面面積計(jì)算得出。根據(jù)ASTM C1609，通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了水泥砂漿的彎曲拉伸強(qiáng)度，兩個(gè)支架之間的凈跨度為350 mm。

通過(guò)位移控制方法，以2 mm/min 的位移速率在梁的中部施加荷載。

為了進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，澆筑砌塊并保持養(yǎng)護(hù)28 d。將6個(gè)砌塊分別置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，并浸入水、鹽、質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的堿性溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的H2SO4溶液中30 d。對(duì)于耐堿性和耐酸性試驗(yàn)，分別采用ASTMC 289—07和ASTM C 1152M—04推薦的程序。浸泡30 d 后，取出塊體，并將塊體在自來(lái)水中洗滌，在大氣中保持1 d 以恒質(zhì)量。取塊體的強(qiáng)度，從中確定保留的強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

測(cè)量了含有不同比例椰殼纖維的水泥土砌塊的質(zhì)量和體積。試驗(yàn)結(jié)果表明，椰殼纖維增強(qiáng)（CCR）砌塊的干密度小于對(duì)照砌塊。還觀察到，水泥土砌塊的干密度隨著椰殼纖維含量的增加而降低。因?yàn)橐瑲だw維的比密度較低，為1150～1330 kg/m3，而土壤比密度約為2370 kg/m3，因?yàn)樵黾恿艘瑲だw維含量，從而降低了砌塊的密度。然而，在椰殼纖維部分內(nèi)，CCR 砂漿的濕密度有所增加[17]。2個(gè)因素主要影響椰殼纖維水泥土砌塊的較高濕密度，椰殼纖維具有更高的吸水率和混合物中的空隙體積。因此，砂漿中的椰殼纖維允許立方體吸收更多的水。試驗(yàn)結(jié)果表明，椰殼纖維含量為0%、0.2%、0.4%和0.6%時(shí)，吸水率分別為215.2、244.8、277.0和293.3 kg/m3。

為了確定吸附系數(shù)，繪制了每單位面積的吸附速率與時(shí)間平方根的關(guān)系圖。水泥土砌塊的吸附率如圖2所示。

對(duì)于椰殼纖維分?jǐn)?shù)為0%、0.2%、0.4%和0.6%的土水泥塊，初始吸附系數(shù)分別為0.684、0.845、1.001和1.046 mm/min1/2。結(jié)果表明，在水泥土砌塊中添加椰殼纖維使砌塊觀察到的水量更快、更高。影響毛細(xì)上升的主要因素是塊體的多孔結(jié)構(gòu)以及水泥和土壤顆粒周圍的界面區(qū)。

2.2 機(jī)械性能

2.2.1壓縮行為

壓縮試驗(yàn)后的控制和CCR砂漿立方體如圖3所示。

在參考立方體的情況下，破壞類型為剪切破壞，一旦出現(xiàn)裂縫，立方體就會(huì)破裂成小塊，如圖3（a）所示。對(duì)于 CCR 砂漿立方體，即使出現(xiàn)裂縫，立方體也不會(huì)失去完整性。即使變形較大，也不會(huì)如圖3（b）～（d）所示斷裂成碎片?？刂艭CR 砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度通過(guò)每種類型砂漿取5個(gè)立方體的平均值來(lái)確定?？箟簭?qiáng)度結(jié)果如圖4所示。

盡管含有0.2%纖維組分的對(duì)照立方體和砂漿立方體顯示出相似的強(qiáng)度，但對(duì)于較高纖維組分，砂漿立方體由于加入纖維而表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度的下降。強(qiáng)度降低的可能原因是水泥含量的減少和多孔含量的增加。當(dāng)纖維添加到砂漿中時(shí)，它會(huì)降低整個(gè)砂漿混合料中的水泥百分比[18-20]。因此，特定數(shù)量骨料的可用水泥減少，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低?；旌衔镏幸瑲だw維含量的增加導(dǎo)致混合物中孔隙率的增加。因此，它降低了砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度。

2.2.2 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)體影響砂漿的脆性行為。未加固砂漿梁出現(xiàn)突然失效，而CCR 砂漿梁出現(xiàn)逐漸失效，如圖5所示。

這些失效模式可以描述為失效前纖維橋接裂縫的結(jié)果。

試驗(yàn)期間獲得的荷載-跨中撓度曲線用于計(jì)算彎曲抗拉強(qiáng)度（f）：

式中：P 為荷載；L 為跨度長(zhǎng)度；b 為梁的寬度；d 為梁的深度。

剩余強(qiáng)度是纖維增強(qiáng)砂漿梁在首次開(kāi)裂后承受荷載的能力。在研究中，考慮了無(wú)鋼筋和CCR 砂漿梁的剩余強(qiáng)度。圖6顯示了具有不同纖維含量的梁的初始和殘余彎曲拉伸強(qiáng)度。

從圖6可以看出，在椰殼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%時(shí)，其初始彎曲抗拉強(qiáng)度為1.06 MPa，剩余強(qiáng)度為0.02 MPa。隨著椰殼纖維含量的增加，初始抗拉強(qiáng)度逐漸下降到0.87 MPa；而剩余強(qiáng)度則上升到0.35 MPa。

2.3 耐久性試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1耐化學(xué)性

圖7顯示了含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%椰殼纖維的對(duì)照和 CCR砌塊的抗水、抗鹽、抗堿性和耐酸性的剩余強(qiáng)度。

從圖7可以看出，基于每種混合物6個(gè)試樣的平均值，在自然環(huán)境、水浸沒(méi)和鹽溶液浸沒(méi)條件下，控制塊和CCR 塊的強(qiáng)度降低始終小于1%。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)照塊在堿性溶液中浸泡30 d 時(shí)，其強(qiáng)度降低了6.6%。對(duì)于含有椰殼纖維的砌塊，其強(qiáng)度降低4.8%。這比對(duì)照塊降低30%。結(jié)果表明：當(dāng)塊體浸入酸溶液中時(shí)，其強(qiáng)度顯著降低，在酸溶液中浸泡30 d 后，對(duì)照塊和CCR 塊的強(qiáng)度分別降低14.7%和7.9%。由此可以推斷，在土水泥塊中加入椰殼纖維可具有提供更好的耐堿性和耐酸性。

2.3.2 抗凍融性

當(dāng)研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)對(duì)照和CCR 砌塊抗壓強(qiáng)度的影響時(shí)，可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砌塊抗壓強(qiáng)度降低。然而，椰殼纖維增強(qiáng)砌塊顯示出比對(duì)照砌塊更好的比較性能，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，砂漿中加入纖維可提高砌塊的耐久性，經(jīng)過(guò)12次凍融循環(huán)后，椰殼纖維增強(qiáng)砂漿的抗壓強(qiáng)度下降了19個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)照砂漿中的減少為33個(gè)百分點(diǎn)，這種改善可能與椰殼纖維吸收張力的能力有關(guān)。盡管CCR 塊比對(duì)照塊吸收更多的水，但椰殼纖維的存在允許在解凍過(guò)程中產(chǎn)生的張力分布，導(dǎo)致更持久的抗凍融性。

2.3.3 耐干濕性

濕循環(huán)和干循環(huán)后的剩余強(qiáng)度結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砌塊抗壓強(qiáng)度降低。與凍融循環(huán)類似，椰殼纖維增強(qiáng)砌塊顯示出比對(duì)照砌塊更好的比較性能。經(jīng)過(guò)12次干濕循環(huán)后，椰殼纖維增強(qiáng)砌塊的抗壓強(qiáng)度下降了22個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)照組減少了25個(gè)百分點(diǎn)。與抗凍融性類似，這種改善也可能與椰殼纖維吸收張力的能力有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明，纖維增強(qiáng)水泥土砌塊在隔熱和機(jī)械性能方面具有預(yù)期的技術(shù)性能。在水泥土塊中添加椰子纖維有助于降低干密度，但增加濕密度。然而，隨著塊中椰子纖維的增加，吸水率增加。椰殼纖維的存在不會(huì)提高水泥土砌塊的初始抗壓或抗彎抗拉強(qiáng)度。相反，纖維增強(qiáng)大大提高了殘余強(qiáng)度、延性、韌性和能量吸收。通過(guò)在砂漿中添加椰殼纖維，降低了對(duì)堿侵蝕和酸侵蝕的耐久性。對(duì)于凍融和干濕循環(huán)，也顯示出類似的耐久性改善。本研究的重點(diǎn)是物理、機(jī)械性能和有限耐久性，其他方面如透氣性、隔音性、導(dǎo)熱性和耐火性需要進(jìn)一步的測(cè)試，以評(píng)估椰殼纖維增強(qiáng)水泥土砌塊在房屋單元施工中的有效性和重要性。

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