植物纤维增强水泥基复合材料的性能研究.pdf

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1、植物纤维增强水泥基复合材料的性能研究李国忠 于衍真 司志明 王志 付兴华(山东建筑材料工业学院 济南250022)摘 要:针对含有钢渣的植物纤维增强水泥基复合材料,研究了其基体结构和界面状况对材料性能的影响。探讨了掺入外加剂后基体材料的水化机理。同时采用脲醛树脂对植物纤维进行表面处理,有效地改善了复合材料的物理性能。关键词:水泥,植物纤维,钢渣,水化机理,界面11 前言近年来随着新型建筑材料的开发与进步,以植物纤维为增强材料的复合型建材取得了很大的进展。特别以木质纤维增强的水泥刨花板、石膏刨花板都取得了较为广泛的应用。发达国家的许多公司相继推出了成套的生产设备与技术,国内对此种板材的生产与应用

2、也逐渐兴起。但是我国木材资源比较紧缺,全国大多数地区,此种板材的发展在原材料上受到限制。我国是一个农业大国,农作物秸秆资源十分充足。因此,以一年生植物纤维替代木质纤维的研究1-4,具有重要意义。本文探讨了水泥、植物纤维、钢渣复合材料中,基体的微观结构及复合材料界面结合状况对性能的影响。21 实验211原材料棉花秸秆干燥后粉碎至长520mm。普通硅酸盐水泥取自淄博501水泥厂。钢渣取自济南钢厂。用球磨机磨细至170目。水泥、钢渣的化学成份分析见表1。表11 水泥、钢渣的化学成份(%)材料种类SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量水 泥21.046.564.3061.962.581.

3、871.68钢 渣16.1010.2827.8037.026.32 建筑石膏粉、硅酸钠(模数为216),生石灰粉购自建材商店。脲醛树脂取自山东木材厂。212工艺与设备(1)将普通硅酸盐水泥、植物纤维、钢渣按523在JS195A搅拌机内干混合均匀,加入适量水拌匀,使物料呈半干状态。均匀铺装在模具上送入50-C-1成型压机,在218MPa压力下保压4小时,压制成10mm厚的板材。(2)在原材料中掺入3%的建筑石膏粉及2%的生石灰粉替代等重量的水泥,并加入2%的硅酸钠重复上述实验。(3)将棉秆纤维用脲醛树脂处理后重复上述实验。其处理方法是,将10%的脲醛水溶液用空压机及喷枪进行雾化,空压机压力控制在

4、0120125MPa,使脲醛树脂均匀地喷射到棉秆纤维表面上。213测试方法(1)按照水泥木屑板国家行业标准24硅酸盐通报 1997年第3期JC411-91测试板材的抗折强度、平面抗拉强度、浸水24小时抗折强度保留率、浸水24小时厚度膨胀率。(2)用HITACHI S-2500扫描电镜观察板材基体的水化产物及微观结构。(3)用HITACHI S-2500扫描电镜观察破坏试样的断口形貌及纤维基体界面的结合状况。31 结果与讨论311物理性能测试结果以上述实验方法制作的板材,其物理性能测试结果见表2。表2 复合板物理性能测试结果样品种类抗折强度MPa平面抗拉强度MPa浸水24h抗折强度保留率%吸 水

5、 厚 度膨胀率%A7.860.3476.22.4B9.280.5282.02.0C11.830.5890.011.2A 掺量比为水泥 棉秆纤维 钢渣=502030B 掺量比为水泥 棉秆纤维 钢渣 石膏 石灰=45203032,另外掺2%硅酸钠水溶液。C 掺量比同B,棉秆纤维经脲醛树脂进行表面处理。图1、未掺外加剂基体水化状况 图2、掺外加剂后基体水化状况312基体水化反应机理在水泥、棉秆纤维、钢渣反应体系中,棉秆纤维的浸出物聚戎糖、醇类、单宁等对水泥的水化硬化起着缓凝阻凝作用。研究表明5,棉秆纤维存在的条件下,水泥混凝土的凝结时间将推迟112115小时,制品最终强度将降低8%10%。在此体系中

6、,钢渣基本上没有参与反应,只起到填充作用。在掺加了石膏、石灰、硅酸钠的多元体系中,石膏成分与水泥中的C3A反应生成钙矾石,其反应式为:3CaOAl2O3+3(CaSO40.5H2O+29.5H2O=3CaOAl2O33CaSO4.31H2O在此体系中水泥的硅酸盐组分可快速形成水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物。同时体系中存在的Ca2+、OH-、SO42-迅速扩散到钢渣颗粒表面,破坏其玻璃体结构,使活性的SiO2、Al2O3从颗粒表面溶出,进而与其他组分形成CSH和CASH凝胶。因为上述产物34硅酸盐通报 1997年第3期的形成消耗了水泥水化产生的Ca(OH)2,故钢渣 的存在又促进了水泥熟料中的C

7、2S和C3S的水化反应。基体材料中的石膏对钢渣起硫酸盐激发的同时又对水泥起着早强的作用。石灰与硅酸钠都对钢渣起碱性激发作用,同时它们还有利于体系中的CSH凝胶的形成。棉秆纤维浸出物聚戎糖、醇类、单宁等,此时则有利于水化产物的均匀扩散。以上几种作用的共同结果可能导致诱导期缩短,体系中各种离子的扩散能力增强,此时钢渣不仅起填充作用,而且具有了相当的活性,使整个体系的反应更加充分。正因为采用了具有反应活性的钢渣掺合料,可使得产品原材料成本得到大幅度下降。图3 未经处理的纤维与基体的结合界面 图4 纤维未处理的试样破坏断口状况图5 经处理的纤维与基体结合状况 图6 纤维经处理的试样破坏断口状况 上述反

8、应生成的大量CSH凝胶,填充于钙矾石、水泥、钢渣颗粒之间的缝隙里,使基体的内部结构得到改善,密实度增加。因此复合板的宏观力学强度提高了约18%,耐水性能也有大幅度提高。基体水化产物的电镜照片也说明了这一问题,见图1、图2。44硅酸盐通报 1997年第3期313基体与纤维的界面分析未经处理的纤维,其与基体形成的界面如图3,界面层较松散或纤维与基体间留有间隙。其弯曲破坏的断口状况如图4。可清楚的看到,拔出纤维的表面比较光滑,说明纤维 与基体的粘结不良或破坏前纤维与基体已经分离,此种界面结合状态必然导致宏观力学强度较低。采用脲醛树脂处理的纤维与基体的结合状况如图5,纤维与基体结合紧密,凝胶嵌入到纤维

9、表面的凹坑、槽穴及微孔中,使纤维“锚固”于基体中。其弯曲破坏断口状况如图6所示,纤维表面粘满了基体材料且粘结牢固。研究认为,经处理的纤维,脲醛树脂与植物纤维具有良好的粘结性能。当纤维与基体复合时,界面上的有机成分与基体水化产物相互扩散,改善了此区域的孔结构状况,形成了坚实致密的界面结合层,见图3、5。致使试件破坏时,裂缝不能在界面上发生,转移到了基体的内部,使拔出纤维上包裹着厚厚的一层基体材料。此种破坏形式显然要消耗更多的能量,宏观上表现为弯曲破坏强度提高50%。同时,因吸水率较大的植物纤维被致密界面层包裹,大大改善了复合材料的耐水性能和吸水膨胀性能,见表2。41 结论水泥基植物纤维复合材料的

10、性能主要取决于基体材料的自身结构与复合界面层的状况。(1)在水泥、植物纤维、钢渣复合材料中,掺入适量的石膏、石灰、硅酸钠可有效地激发钢渣 活性,使体系中形成大量的CSH凝胶填充于颗粒结构之间,改善基体的结构与性能。(2)对植物纤维表面采用脲醛树脂处理,树脂与纤维粘结牢固,且可形成坚固密实的界面结合层,使复合材料强度和耐水性能得到显著提高。参考文献11 白雪松.水泥刨花板生产与研究进展.木材工业,1991,5(2):374221 刘威等.降低一年生植物纤维板吸水厚度膨胀率的研究.山东建材学院学报,1991,5(2):232631 刘威等.纤维复合板耐水性的研究.山东建材学院学报,1992,6(3

11、):434641 陈士英.一年生植物作为石膏刨花板原料的适应性.木材工业,1993,7(1):152451 李国忠.植物纤维与水泥的相适性研究.山东建材学院学报,1997,1:Study on Properties of Plant Fiber Cement-basedComposite Materials With Steel SlagLi GuozhongYu YanzhenSi ZhimingWang ZhiFu Xinghua(Shandong lnstitute of Building Materials)Abstract:The effectsof matrix structure

12、 and interface situation onpropertiesof plant fiber cement-based compos2ite materials with steel slag were studied.The hydration mechanism of matrix materials adulterated admixtures wasdiscussed.Meanwhile,the mechanical properties of plant fiber cement-based composite materials have been effec2tively improved through treating the surface of plant fiber by urea-formaldehyde resin.Key word:cement,plant fiber,steel slag,hydration,mechanism,interface.54硅酸盐通报 1997年第3期