文摘

本实验研究旨在调查的影响除了香蕉纤维的机械(压缩、分割张力和弯曲)和微观结构(微观形态和能量色散x射线能谱)混凝土的性质。香蕉纤维的混凝土混合组成的不同纤维长度(40、50和60毫米)和纤维含量(0.1,0.2,1.0,1.5,2.5%)进行评估。增加香蕉纤维混凝土只观察到显著影响抗压强度较低的纤维含量高达0.25%的纤维长度。纤维长度没有显著影响抗压强度较低的纤维含量高达0.25%,但短纤维观察执行比长在更高的剂量超过0.25%。增加纤维内容积极影响混凝土的抗拉强度相对较低的纤维用量的1%。同样,纤维长度影响混凝土抗拉强度较低的纤维含量高达1%,比短的长纤维观察更有效。添加香蕉纤维通常没有大大有助于混凝土挠曲强度但边际影响只有当短纤维在纤维低剂量使用。同时,提高混凝土的微观结构通过更好的纤维之间的结合和矩阵的矩阵和孔隙度减少,导致改善复合材料的力学性能。香蕉纤维复合结构的进一步导致变化阶段的香蕉纤维增强混凝土(BFRC)通过减少其晶面间距和晶格结构。香蕉纤维的最佳目的,除了应该限制在最多1%纤维内容最好是使用短纤维长度。 Further research to improve flexural strength of BFRC to meet minimum technical requirements is required before it can be considered for structural applications.

1。介绍

混凝土是使用最广泛的材料之一,在建筑行业,因为它提供了良好的强度和耐久性性能,和它的主要成分是现成的和便宜的1- - - - - -3]。尽管它的许多优点,混凝土也有几个缺点,如低抗拉强度能力明显低于其更高的能力抵抗压缩加载、脆性、低postcracking能力,和较低的断裂阻力(4- - - - - -10]。这使它非常容易受到大型拉伸或弯曲应激损害往往导致混凝土开裂,进而对其强度和耐久性产生负面影响(6,11,12]。

最近,天然纤维已经先进作为替代传统合成纤维增强材料由于他们的环境和经济效益13- - - - - -20.]。天然纤维是现成的,生物可降解的,便宜,和可回收的,并且他们已经观察到有高强度和抗弯强度以及断裂伸长率低,因此呈现在建筑行业广泛接受(21- - - - - -24]。Elbhiery et al。20.)比较和总结各种植物纤维和e玻璃的机械性能。然而,研究天然纤维的性能指出大幅度降低的问题,如无法处理外部损伤由于水分吸收,生物微生物硫酸盐,或氯的攻击,以及内部损伤主要是由于纤维之间的兼容性问题(由于存在的有机物质,如蜡,木质素,和果胶)和堿水泥粘贴环境(13,15,25- - - - - -29日]。尽管如此,相关的利益利用天然纤维增强混凝土利大于弊;除此之外,可以采取纠正措施来减轻可能的缺点通过纤维表面改性和/或治疗(30.,31日]。

,有限的研究也一直在进行一些天然纤维的利用率,如香蕉、剑麻、麻、椰子、和黄麻纤维增强材料在混凝土19,20.]。香蕉纤维是一个很好的前景,因为他们可以很容易地提取香蕉分之一叶,否则经常种植园后腐烂在形式的农业废弃物。香蕉纤维进行研究表明,他们拥有良好的性能特性,环境友好,更便宜,并且容易获得,因此,它可以用来改善混凝土的力学性能(9,10,14,20.,32- - - - - -35]。然而,开展的研究主要是集中在单一纤维长度在调查纤维含量(7,9,10,34- - - - - -36]。此外,有限的研究了香蕉纤维对混凝土微观结构的影响。纤维增强混凝土的微观结构由骨料、散装胶结矩阵,以及界面过渡区和fibre-matrix界面区(37]。重要的是研究混凝土的微观结构,以建立一个更好的理解之间的关系具体的微观结构特性和独特的物理、化学或材料的工程性质(38,39]。扫描电子显微镜(SEM)主要是利用调查和检查混凝土微观结构特征(40,41]。大多数混凝土微观结构的研究主要集中在剑麻、桉树、椰子、甘蔗、香蕉纤维和玄武岩纤维而不是[8,40,42,43]。研究香蕉纤维的微观结构的影响汉弗莱(7)集中在纤维砂浆的应用但不具体。因此,本实验研究的目的是调查不同的香蕉纤维长度和纤维含量的影响在机械和混凝土的微观结构特性。这项研究的结果将提供一个更好地了解香蕉纤维的特性以及不同纤维长度和内容的影响在机械和混凝土的微观结构特性。

2。材料和方法

2.1。材料

2.1.1。水泥

我42.5 N硅酸盐水泥(CEM)符合ASTM C150 [44)是在所有混合使用。水泥的化学成分和物理和机械性能给出了表1和2,分别。

2.1.2。聚合

粗和细骨料使用碎花岗岩石头和河沙,分别。骨料的粒度分布和物理性能符合ASTM C33 [45),如图所示1和表3,分别。

2.1.3。香蕉纤维

香蕉纤维使用通过手动取消他们的香蕉鞘收获分之一叶,然后切成不同的大小。处理耐久性不足与有机物质被发现在天然纤维,如蜡、木质素、果胶、纤维最初被浸泡在5%的氢氧化钠溶液在室温下为60分钟。此后,纤维与自来水彻底清洗至少10分钟去除半纤维素,木质素和纤维素周围的蜡。这个过程就是使纤维素和增加纤维的表面粗糙度,以及提高界面结合强度(46]。切香蕉纤维以及他们的几何和力学特性如图所示2和表4,分别。同时,纤维的微观形态扫描电子显微镜(SEM)观察到图所示3。

2.2。混合的比例

普通强度混凝土混合C20/25类是准备使用OPC(普通硅酸盐水泥)和碎石的最大公称尺寸19毫米。一些参数的混合比例是所有混合保持不变:W/C水分含量为45%,192公斤/米³和沙总比(年代/一个)的50%。除了香蕉纤维的不同长度和体积分数是混合的主要区别。三个40毫米的纤维长度、50 mm和60 mm在本试验研究和应用中使用不同体积分数水泥重量的0.1%,0.25%,1.0%,1.5%,2.5%。混合料配合比设计方法(ACI符合使用标准47,48]。混合比例和香蕉纤维的数量每立方米混凝土给出了表5和6,分别。

2.3。样品制备

混凝土的混合过程符合ACI标准(47,48]和骨料的涉及浇注、沙子和水泥为电动机械搅拌器。具体来说,只有香蕉纤维增强混凝土,手工分散纤维进入混合器是紧随其后的是干拌60秒钟。此后,水被添加到混合机,原料进一步混合为90秒。干混法需要在香蕉纤维增强混凝土(BFRC)来确保良好的纤维分散,导致一个齐次复合和规避成球效果,这就会导致在搅拌混凝土的纤维球的形成。

混凝土试样的抗压强度、抗拉强度、分裂和挠曲强度都是一式三份,如表所示7,共144个样本。铸造后,空气中的标本治愈24小时之后demolded,沉浸在一个水箱,治愈20±2°C的温度为28天。

2.4。测试方法

抗压和分裂进行抗拉强度测试按照BS EN 12390 - 3 (49)和ASTM C496 / C496M-17 [50),分别。万能试验机(UTM) 3000 kN最大容量使用加载速率为0.6 MPa / s的抗压强度和0.7到1.4 MPa /分钟分裂抗拉强度的测试设置如图4和5,分别。的最大应用加载失败被用来计算抗压和抗拉强度使用方程(1和2),分别。 在哪里抗压强度,MPa;P最大的应用负载的测试机、N;b和d样品的平均宽度和深度,毫米。 在哪里抗拉强度,MPa;P最大的应用负载的测试机、N;l和d样品的平均长度和直径,毫米。

弯曲测试三点载荷作用下进行UTM的容量2500 kN的加载速率0.1毫米/分钟按照ASTM C293 / C293M-16 [51)和测试设置如图6。最大的失败是用来计算应用负载获得挠曲强度使用方程(3)。 在哪里抗弯强度,MPa;P最大的应用负载的测试机、N;b和d样品的平均宽度和深度,mm;和l试样的跨度,毫米。

微观形态来确定一般形态进行了使用一个变量压力扫描电子显微镜样品按照ASTM标准(52,53),和测试设置如图7。同时,能量色散x射线能谱(EDS、XRD)来确定相对强度在不同的衍射角度在进行复合粉末样品按照ASTM标准(53),和测试设置如图8。

3所示。结果与讨论

3.1。机械性能

机械性能的压缩、分割拉伸和弯曲强度的素混凝土(即没有纤维)和香蕉纤维增强混凝土(BFRC)混合测定,结果。BFRC混合,纤维长度和内容变化如下:纤维长度(40、50和60毫米)和纤维含量(0.1,0.2,1.0,1.5,2.5%)。

3.1.1。抗压强度

普通混凝土的抗压强度(f_c(普通))和BFRC (f_c(BFRC))以及抗压强度钢筋比(f_c(BFRC)/f_c(普通))在不同纤维长度和内容如图9。这显然是观察图9抗压强度值随纤维含量增加而降低,纤维长度。类似的行为在其他先前的研究进行纤维增强混凝土(54- - - - - -56]。熊等。55)报道,混凝土的抗压强度包含回收碳纤维增强聚合物(RCFRP)纤维从54.89下降到49.09 MPa时,纤维含量从0.5提高到1.5%。抗压强度的减少是由于混凝土的孔隙度增加矩阵由于纤维的加入,创建大孔隙和微裂隙的内容matrix-fibre接口。此外,减少抗压强度随着纤维含量的影响可能与纤维界面过渡区(ITZs)和孔隙的混凝土。预计的纤维量越多,越ITZs将被创建在混凝土,从而消极地影响抗压强度。也已经提出建议来增加纤维混凝土可以限制侧向膨胀受到泊松效应当受到轴向压缩57]。

然而,如图9 (b)高达0.25%,额外的纤维在BFRC导致更高的抗压强度值与素混凝土相比,而相反的趋势观察纤维含量在0.25%以上。BFRC抗压强度的增加与素混凝土相比,增加纤维含量0.25%被认为是由于纤维的增强作用,从而导致纤维和混凝土之间的负载生成的共享(2,16]。同时,将香蕉纤维混凝土改变其失效模式从脆性塑料失败,因此减轻裂缝的形成和传播。也观察到类似的结果其他研究人员报道,纤维控制微裂纹形成和导致失败,因此延误增加强度极限和强烈的载重量postpeak阶段(58- - - - - -60]。它也表明,在混凝土中加入纤维使其抵抗额外的压应力通过阻断和重定向裂缝61年]。0.25%以上的纤维含量、低强度的值BFRC与素混凝土相比可以归因于大量的纤维/纤维含量过高混凝土抗压强度造成不利影响。其他研究者也观察到类似的结果(7,9,10,34- - - - - -36,62年- - - - - -64年)与汉弗莱(7)指出,大量的纤维在砂浆孔隙和创建的非均匀分布在复合,导致抗压强度降低。

与纤维长度、短纤维表现出较高的抗压强度值为长纤维BFRC包含纤维含量超过0.25%。然而,应该注意的是,对于所有BFRC混合纤维含量0.25%以上,仅包含40毫米短纤维混凝土在1%纤维含量与素混凝土相比有更高的抗压强度值。这一发现表明,最优的目的,香蕉纤维内容应限于最多最好使用短纤维代替更长时间的1%。然而,纤维长度的影响还不清楚BFRC包含纤维含量高达0.25%,因为长60毫米纤维显示抗压强度值略低于40毫米短纤维,但明显更高的价值与更短的50毫米纤维。上面清楚地表明,BFRC的抗压强度,纤维的用量是主要与纤维维度/长度时低纤维内容应用纤维维度/长度时主要的纤维量高纤维应用内容。

3.1.2。分裂的抗拉强度

分裂素混凝土的抗拉强度(f_t(普通))和BFRC (f_t(BFRC))以及分裂抗拉强度钢筋比(f_t(BFRC)/f_t(普通))在不同纤维长度和内容如图10。一般观察图10增加纤维含量增加1%导致分裂BFRC除了混凝土抗拉强度值60毫米长度,经历了一个强度下降,当纤维含量从0.25%上升到1%。然而,这是观察到1%的纤维内容之外,所有BFRC混合表现出强度值随着纤维含量的下降。类似行为的初始抗拉强度增加到一定数量的纤维含量和此后经历了下降进一步增加纤维含量已经观察到在另一项研究[58]。吴et al。58)观察到所有纤维的使用(如聚丙烯、玻璃、和玄武岩纤维),分裂杏壳混凝土抗拉强度(ASC)显著增加纤维含量从0.50%上升到0.25时但是下降当纤维含量从0.5提高到0.75%。BFRC强度增加1%可以归因于的桥接作用纤维在混凝土内部裂缝矩阵,进而抑制裂纹扩展由于负载共享。也已经讨论过,香蕉纤维的掺入混凝土中改变其失败模式从脆性塑料尤其是随着纤维含量的增加,因为纤维充分抑制裂缝的形成和传播以及限制裂缝的融合和吸附更多的破坏性能量最终[59]。也观察到类似的结果其他研究人员报道,增加纤维抗拉强度有显著提高,因为他们减缓裂纹扩展,从而提高混凝土的机械强度(16,58,65年,66年]。抗拉强度下降的BFRC超出1%的纤维含量可以归因于大量混凝土,纤维含量,最终造成不利影响混凝土的强度是抗压强度同样观察到。

与纤维长度,BFRC长纤维表现出较高的抗拉强度值相比,短纤维高达1%的纤维含量,除了BFRC拥有60毫米长度纤维纤维含量1%。类似的纤维长度的影响观察当比较平原和BFRC纤维含量1%。如图10 (b),纤维长度较长的BFRC 60和50 mm表现出更好的性能与普通混凝土相比,而BFRC 40毫米长度纤维的强度值低于普通混凝土。长纤维预计贡献了更多的缓解纤维与短纤维的拉拔力的影响,从而防止开裂,裂纹扩展67年]。上述现象因此负责BFRC长纤维表现出较高的抗拉强度值相比,短纤维高达1%的纤维含量。

然而,尽管抗拉强度随纤维含量增加对所有BFRC混合含有纤维含量1%以上,BFRC较短纤维表现出较高的抗拉强度值与包含长纤维。这可能与纤维混凝土的累积,导致较长的纤维过多的纤维高纤维用量,大大降低其性能由于纤维卷曲和集群。此外,长纤维是已知的导致难以分散在混合过程中纤维的34]。尽管如此,所有BFRC与纤维混合内容1%以上与素混凝土相比表现出更低的强度值。上面清楚地表明,BFRC的抗拉强度,长纤维表现好于短纤维纤维含量高达1%,与一个相反的趋势发现1%以上的纤维含量。这种现象更明显的极端的纤维用量(0.1%和2.5%)。

3.1.3。抗弯强度

素混凝土的抗弯强度(f_f(普通))和BFRC (f_f(BFRC))以及抗弯强度钢筋比(f_f(BFRC)/f_f(普通))在不同纤维长度和内容如图11。一般观察图11除了BFRC包含40毫米长度纤维用量的0.25%,抗弯强度的BFRC混合与素混凝土相比比较低。上面的观察表明,增加香蕉纤维一般不大大有助于混凝土挠曲强度,但只有当使用较短的纤维较低的边际影响纤维用量。也观察到类似的结果其他研究人员报道,与素混凝土相比,添加纤维没有显著影响纤维增强混凝土的抗弯强度和刚度20.,68年,69年]。这个微不足道的BFRC对抗弯强度的影响可以归因于香蕉纤维没有提供更好的抵御能力的复合结构高挠曲变形,因为同质性和孔隙度增加的损失造成的纤维。然而,总的趋势表明,弯曲强度BFRC含有短纤维在纤维含量增加,达到峰值0.25%到1.0%不等的之前与增加纤维含量下降。与之相反,所有BFRC混合的挠曲强度包含长纤维随纤维含量增加而降低。这类似于分裂的结果BFRC包含长纤维的抗拉强度高纤维用量和色散的难度有关长纤维在混合过程中(34]。

上述观察微不足道BFRC香蕉纤维对抗弯强度的影响是一个关键劣势的实际应用在建筑业与服务挠度限制规定的大多数技术规范和守则。因此,更多的研究如何提高BFRC的挠曲强度满足的最低技术要求是至关重要的在香蕉纤维可以考虑结构在建筑行业中的应用。

3.2。微观结构特性

3.2.1之上。具体形态扫描电镜下

混凝土形态学旨在了解影响纤维的界面过渡区(ITZs),微裂隙,其传播之间的矩阵fibre-cement粘贴和aggregate-cement粘贴。素混凝土的微观形态和BFRC样本观察使用SEM图所示12和13,分别。如图12,发现素混凝土表现出多孔形态大小不一,设置正常,ITZ批量paste-aggregate复合大约50之间被确认μ米(37),尽管尚不清楚。观察到的高孔隙度可以归因于初始水吸收,影响水化率。上述研究结果类似于另一项研究[43]。然而,BFRC表现出较大的矩形空洞或毛孔内的矩阵与明确的边界,如图13。此外,一个清晰的观察ITZ纤维粘贴介于3.23和5.89之间μm,纤维可以很容易识别。

此外,微裂隙中观察到的复合素混凝土与BFRC相比,在没有观察到明显的微裂隙。这可能归因于纤维的加入,这减轻了桥梁与微裂隙的形成,阻止其进一步传播。这是符合压缩力学性能的结果,分裂抗拉和抗弯强度的混凝土混合已经进行了讨论。此外,观察纤维水泥浆包围,也对提高轴承矩阵强度造成的应力矩阵和增强纤维之间传输机制。这再加上其抵抗所施加的负荷所产生的拉伸应力,有助于保持抵抗裂纹扩展的微观结构完好无损。因此,可以得出结论:纤维的掺入改善了混凝土的微观结构通过更好的纤维之间的结合和矩阵以及减少ITZ的大小的孔隙度,因此矩阵填充毛孔,最终导致改善复合材料的力学性能测试结果的观察。

3.2.2。能量色散x射线能谱(EDS、XRD)

能量色散x射线能谱(EDS、XRD)被用来描述从普通混凝土和BFRC样品准备。数据收集2θ3°、80°之间的步长0.02°,计算时间间隔为0.06秒/步骤。普通混凝土的XRD特征模式和BFRC样本在不同衍射角和强度时出现峰值数据所示14和15,分别。观察到,素混凝土和BFRC表现出不同的山峰在不同衍射角加上锋利的山峰,和更高的特征峰在达到2θ3°和6°之间为素混凝土和BFRC如图14 (b)和15 (b),分别。如图14素混凝土峰值强度,最大特点是13项发生衍射角(2θ)与其他类似的对应的峰值如下:4.28 (3.04,12.00),(3.14,12.00),(3.28,11.00),(3.68,10.00),(4.14,9.00)。对于BFRC如图15,最大的特征峰强度高于普通混凝土在25岁发生的数量在一个角度(2θ)与其他类似的对应的峰值如下:3.04 (3.00,12.00),(3.06,18.00),(3.16,12.00),(3.28,17.00),(3.82,15.00),(3.94,14.00),(4.26,9.00),(4.42,17.00),(5.72,7.00),(5.74,10.00)。因此,模式显示BFRC比普通混凝土强度更大。这是进一步观察到有形状的变化得到的峰值强度。更高的峰值强度较低位置(角度)表示最大平面间距在晶体结构中,最高的山峰为素混凝土和BFRC平面间距(d)206和29日计算,分别计算晶格常数是357,分别和50米。这表明,纤维复合结构的变化阶段的BFRC因为纤维的掺入导致减少的晶面间距和晶格结构混凝土。

4所示。结论

本实验研究旨在调查的影响除了香蕉纤维的机械和混凝土的微观结构特性。不同纤维的混凝土混合组成的香蕉纤维长度(40、50和60毫米)和纤维含量(0.1,0.2,1.0,1.5,2.5%)评估对机械(压缩、分割张力和弯曲)和微观结构(微观形态和能量色散x射线能谱法)的属性。的基础上进行分析,可以得出以下结论。(1)只增加香蕉纤维混凝土显著给予抗压强度较低的纤维含量高达0.25%的纤维长度,因为更高的抗压强度在BFRC与素混凝土相比。然而,并没有明显的纤维长度的影响抗压强度较低的纤维高达0.25%的内容。纤维长度的影响变得越来越明显更高的剂量超过0.25%,在BFRC较短纤维长度较长的执行得更好。(2)增加纤维含量只有积极传授在混凝土的抗拉强度相对较低的纤维用量的1%。同样,一个重要的纤维长度对混凝土抗拉强度的影响被观察到的在较低纤维较长的纤维高达1%的内容注意到更有效的较短的,而相反的趋势发现1%以上的纤维含量。这种现象更明显的极端的纤维用量(0.1%和2.5%)。(3)添加香蕉纤维通常没有大大有助于混凝土挠曲强度但边际影响只有当短纤维在纤维低剂量使用。与之相反,所有BFRC混合的挠曲强度包含长纤维随纤维含量增加而降低。(4)将香蕉纤维在混凝土提高了显微组织通过更好的纤维之间的结合和矩阵以及减少ITZ的大小的孔隙度,因此矩阵填充毛孔,最终导致改善复合材料的力学性能。(5)香蕉纤维造成的变化阶段的复合结构BFRC因为他们的合并导致减少平面间距和BFRC的晶格结构。(6)香蕉纤维的最佳目的,除了应该限制在最多1%纤维内容最好是使用短纤维代替的。进一步研究如何提高BFRC的挠曲强度以满足所需的最低技术要求在香蕉纤维可以考虑结构在建筑行业中的应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认这项研究部分是基于一项由阿道夫Karubanga罗杰斯B穆古梅的监督下和迈克尔Kyakula。作者承认Busitema大学和Makerere大学实验室的工作人员和设施被用来进行一些测试。他们的援助在这学习我将非常感谢。