摘要
使用纤维对水泥基材料进行增强增韧是现代高性能水泥基材料研究的主要方向之一。作为一种极易获取且绿色经济的可再生资源，植物纤维的掺入不仅能改善水泥基材料的力学性能，还可以改善保温、隔音等物理性能，因此将植物纤维代替人工纤维制作纤维增强水泥基复合材料的研究近年来广受关注。然而，硅酸盐水泥基体高碱性环境对植物纤维的矿化和降解劣化是其应用的最大障碍。本论文立足于植物纤维在不同碱性基体中的劣化问题，首先提出以碱性较低的水化硅酸镁胶凝材料(M-S-H)与水化产物单一的水化硅酸钙胶凝材料(C-S-H)基体作为复合材料增强基体，研究了两种胶凝材料的力学性能与物相组成；并研究了竹浆纤维增强两种基体所制备复合材料的物理、力学性能及纤维劣化情况；在此基础上，系统探讨了竹浆和剑麻两种纤维对M-S-H、C-S-H及普通硅酸盐水泥三种基体的增强效果，所制备复合材料的耐久性与纤维的劣化规律；最终选择以水化硅酸镁为增强基体，通过竹浆纤维与剑麻进行不同比例混掺，制备出力学性能优异且耐久性强的混杂植物纤维/水化硅酸镁复合材料。 (1)以高活性硅灰、氧化镁和生石灰作为原材料制备出M-S-H与C-S-H净浆试样，并研究了Mg/Si摩尔比和Ca/Si摩尔比在0.7~1.6之间试样抗压强度及物相组成的变化规律。在此基础上固定Mg/Si摩尔比和Ca/Si摩尔比，探讨标养和70、80、90℃蒸养方式对两种胶凝材料体系性能的影响规律。研究结果表明，随着摩尔比的增加两种试样的抗压强度均呈先增加后下降的趋势，当Mg/Si摩尔比和Ca/Si摩尔比为1.3时，两种胶凝材料的抗压强度最好，且此时试样中生成的M-S-H与C-S-H凝胶含量最多。此外，在固定Mg/Si摩尔比和Ca/Si摩尔比为1.3时，标养条件下两种试样的力学强度发展均比较缓慢，在标养120d后试样的抗压强度略等同于80℃蒸养2d试样的强度。结合试样物相分析和SEM分析结果发现，标养条件下两种试样早期水化反应主要生成大量Mg(OH)2和Ca(OH)2，M-S-H与C-S-H凝胶的生成则在标养龄期60d之后，而蒸养条件可大幅缩短凝胶的生成时间。 (2) 以4~20wt.%掺量的竹浆纤维为增强纤维，以Mg/Si和Ca/Si摩尔比为1.3的M-S-H与C-S-H试样为基材，通过抄取法制备了竹浆纤维/水化硅酸镁复合材料（BFMSC）和竹浆纤维/水化硅酸钙复合材料（BFCSC），研究了蒸养与标养相结合方式下不同纤维掺量复合材料在不同龄期下物理、力学性能的变化规律，不掺纤维的M-S-H与C-S-H试样以同样的方式制备作为对比。结果表明，随着竹浆纤维掺量的增加，两种复合材料的表观密度均逐渐降低，吸水率逐渐升高，抗弯强度和断裂韧性均随竹浆纤维掺量的增加而大幅提升，纤维掺量为20 wt.% 时，蒸养2 d BFMSC 与BFCSC 的抗弯强度分别较未掺纤维的对照组提高了11.9和9.9倍，断裂韧性提高了492和515倍。同时，相同纤维掺量下复合材料的抗弯强度均随龄期延长而持续增加，而荷载-挠度曲线表明BFMSC仍然呈现延性断裂，其挠度总体上保持稳定，而BFCSC则有从延性断裂向脆性断裂发展的趋势。 (3) 以竹浆纤维和剑麻纤维为增强材料，以M-S-H、C-S-H和普通硅酸盐水泥为基体材料，制备复合材料，通过干湿老化循环试验对复合材料的耐久性以及植物纤维在不同碱性基体中的劣化行为开展研究。研究结果发现，竹浆纤维对三种基体均有着明显的增强和增韧作用，而剑麻则主要起到增韧作用。此外，M-S-H基体复合材料的耐久性明显优于C-S-H基体复合材料，而水泥基复合材料的耐久性能最差。以竹浆纤维为增强材料为例：循环50次后BFMSC的抗弯强度较未循环试样增长了230.8%，BFCSC则下降了20.6%，竹浆纤维/水泥基复合材料(BFCMT)下降了42.0%；循环50次后BFMSC的断裂韧性较未循环试样增加了133.6%，BFCSC则降低了35.4%，BFCMT降低了63.1%。结合不同老化循环次数后两种纤维的XRD、SEM分析及复合材料试样的断面形貌分析可知，两种纤维在M-S-H基体中均未出现劣化情况，在C-S-H基体中均出现轻微的劣化，而在水泥基体中则受到严重劣化。 (4) 将竹浆纤维和剑麻纤维混合掺入M-S-H基体制备混杂纤维/水化硅酸镁复合材料，并对复合材料进行了三点抗弯试验和抗冲击实验试验。研究结果表明，竹浆纤维与剑麻纤维混掺可以明显改善M-S-H基体的抗弯性能与抗冲击性能。标养180 d时，纤维混掺复合材料试样D（10wt.%竹浆纤维与2wt.%长度为20mm剑麻混惨）的抗弯强度和断裂韧性分别为10.6MPa和5.86 kJ/m2，相比于对照组的1.4 MPa和0.009kJ/m2分别提高了657.1%和650倍。就混杂纤维复合材料的抗冲击性而言，在不同冲击压强条件下，试样有着不同的破坏形态。此外，0.4MPa冲击压强条件下，不同试样的破坏形态及吸收能量的大小各不相同：未掺纤维的净浆试样呈完全粉碎状态；单掺12wt.%竹浆纤维试样的结构受到严重损坏，碎裂成几个小块试样；而混杂纤维试样均能保持主体结构完整，这表明竹浆纤维与剑麻的混合掺加可以明显改善复合材料的抗冲击性能。
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