植物纤维增强水泥基复合材料的研究

发布时间：2020-06-13 11:45

【摘要】：建筑行业的高速发展也给资源和环境带来了一系列影响,开发和使用可持续发展的绿色建筑材料成为了建筑行业必要的选择。植物纤维具有丰富的、可再生、可回收、价格低廉等特性,在代替人工合成纤维增强水泥基复合材料方面有着巨大的潜力,因此使用植物纤维增强水泥基复合材料得到了更多人的关注与研究。然而,植物纤维增强水泥基复合材料还有许多待解决的问题:植物纤维与水泥基体粘合效果不佳、复合材料的力学性能不佳等。在纳米技术兴起的今天,研究者对这些问题有了新的想法,将植物纤维制成植物纳米纤维素,希望通过纳米材料的特性,给水泥基复合材料的性能带来新的改善。本文将以植物纳米纤维素以及植物纤维水泥基复合材料为研究对象,通过对纤维预处理、复合材料制备、复合材料强度测试、复合材料加速老化破坏等试验,研究植物纤维、植物纳米纤维素对水泥基复合材料性能的影响并对其作用机理进行分析,主要的研究内容如下:(1)以小麦秸秆纤维水泥基复合材料为研究对象,通过对小麦秸秆进行两种不同方式的预处理,将经过预处理前后的秸秆纤维以掺量5-20%加到水泥基复合材料中。研究了预处理前后秸秆纤维的质量损失率及吸水率,复合材料的力学性能及吸水率。结果表明,通过预处理能去除部分秸秆纤维中的物质,经过4%氢氧化钠溶液处理的秸秆纤维有最大的秸秆损失率36.15%和吸水率1.67%。此外,通过此方法预处理得到的秸秆纤维复合材料在相同掺量时,它们的力学性能比未处理、常温冷水处理的秸秆复合材料的力学性能都要高。掺量5%被氢氧化钠溶液处理的秸秆纤维复合材料中有最好的抗压强度9.77MPa,抗折强度2.62MPa,最低的吸水率9.32%,说明预处理可以有效处理掉秸秆纤维表面的蜡质层,析出部分影响水泥水化的物质,有利于纤维与水泥基体的粘合。同时发现,添加秸秆纤维后复合材料的韧性有所提高,但是力学性能却有一定程度的下降,预处理能改善这种情况。(2)以纳米纤维素水泥基复合材料为研究对象,通过对纳米纤维素进行不同方式的分散,将掺量0.025-0.3%的纳米纤维素加入水泥基复合材料中,研究复合材料的力学性能、耐久性。结果表明,采用高速均质搅拌机分散能够有效分散均匀纳米纤维素;纳米纤维素明显地降低了水泥砂浆的流动度;较少的纳米纤维素能增强复合材料的力学性能,但是过量的纳米纤维素会发生团聚现象,反而对复合材料力学性能产生不利影响。掺量0.075%纳米纤维素复合材料的抗压强度增强效果最好,提高了28.17%,达到38.86Mpa;纳米纤维素对复合材料抗折强度的增强最明显,掺量0.1%纳米纤维素复合材料的抗折强度增强效果最好,提高了55.69%,达到9.17MPa。然而纳米纤维素对复合材料的耐久性没有改善。(3)研究纳米纤维素在水泥基复合材料中的作用机理。纳米纤维素在水泥砂浆中大部分吸附在水泥颗粒表面,少部分以游离态的形式存在;纳米纤维素有高比表面积,表面富含羧基基团,极易容易对水泥颗粒和水分子产生吸附力,使得水泥砂浆流动度降低及延缓水泥早期水化,但是也对水泥水化产物的吸附粘结作用加强,增强材料宏观上的力学强度。综上所述,秸秆纤维能够明显改善复合材料的韧性,同时减轻材料的质量,但是不能增强复合材料的力学性能。而纳米纤维素纳米材料能够明显改善水泥基复合材料的抗压、抗折强度和吸水率,降低水泥砂浆流动度,延缓水泥早期水化。未来植物纤维的两种形态材料在建筑材料领域均有具大的潜力,合理利用可在实际工程中发挥它的作用。
【图文】：

技术路线图

SEM图像,SEM图像,凝胶,粉体

图 2-1 NFC 凝胶，，NFC 凝胶 SEM 图像，NFC 粉体的 SEM 图像Fig.2-1 NFC gel, SEM image of NFC gel, SEM image of NFC powder2.1.3 细集料本试验使用的细集料为普通河沙，使用烘箱烘干后过 5mm 筛备用。2.1.4 减水剂本试验中使用的减水剂是上海臣启化工科技有限公司生产的聚羧酸粉体减水剂，试验中按照水泥的百分比掺入使用。2.1.5 小麦秸秆试验中使用的小麦秸秆产自江苏连云港，使用前需要先处理并用粉粹机打碎。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528

【参考文献】