周一至周日 8:00-22:30(免长途费):
学术咨询:400-888-7501 订阅咨询:400-888-7502
征稿授权 经营授权
当前位置:中文期刊网 > 工程论文 > 土木工程论文 > 正文
土木工程论文( 共有论文资料 456 篇 )
推荐期刊
热门杂志

亚麻纤维材料在土木工程中的应用

2020-01-21 17:04 来源:土木工程论文 人参与在线咨询

摘要:介绍了亚麻纤维的性能与不足,对其碱液处理、纤维素的酯化处理、有机硅烷偶联剂处理和接枝共聚等高性能化研究进行了综述。介绍了亚麻纤维在纤维增强混凝土及混凝土构件外贴纤维复合材两方面的应用情况,并提出未来发展需要解决的关键问题。

关键词:亚麻纤维,纤维复合材料,土木工程

0引言

纤维增强复合材料(FRP,FiberReinforcedPolymer/Plastic)是由纤维和聚合物基体两部分经一系列工艺制备而得的一种复合材料[1]。它具有工艺简单、耐腐蚀性好、密度较小及强度较高等特点。目前,纤维复合材料在医疗、汽车和土木工程等领域都已广泛应用。然而,当前大量应用的纤维复合材所用的纤维多为人造纤维,人造纤维往往价格昂贵,不仅在生产过程中需要消耗大量能源,且不可再生,无法完全生物降解,因而不利于我国乃至全球的生态建设[2]。亚麻纤维是一种可完全生物降解的材料,在环境与资源问题日益严重的今天,以亚麻纤维作为增强体制备植物纤维复合材料成为当前的热点问题。目前,关于亚麻纤维在土木工程领域的应用已有一部分研究,而拓展其在土木工程领域的应用必将是未来的研究方向。

1亚麻纤维简介

天然纤维包括苎麻纤维、亚麻纤维和椰壳纤维等植物纤维[3]。与碳纤维和玄武岩纤维等人造纤维相比,天然纤维具有能量消耗低、可就地取材、密度较小、拉伸性能较好和可降解再生等特点[4]。而且与人工纤维相比,植物纤维只需要大约20%~40%的生产能源。亚麻纤维与人工合成纤维的力学性能如表1所示。麻纤维作为天然纤维的一种,以纤维素为主要成分,已经被人类广泛应用,并一直持续到今天。国外学者曾对植物纤维与玻璃纤维的强度、密度和成本进行了综合性的对比。在所有天然纤维中,亚麻纤维的比模量仅次于苎麻纤维,排在第二位,其抵抗100kN拉力的成本较低。与其他纤维相比,同样质量的亚麻纤维的成本也较低。因此,亚麻纤维在麻纤维中力学性能和经济性方面良好。亚麻纤维是在人工培植或者野生亚麻中进行直接提取的纤维,取自植物地上茎的韧皮纤维层部分,经过一系列工艺得到原麻纤维[5],具有比强度高、生长周期短、来源广泛、杀菌抗菌、可完全生物降解等特点[2]。

2亚麻纤维复合材料的高性能化研究

亚麻纤维具有高比强度和弹性模量,但与人工合成纤维相比,亚麻纤维的抗拉强度较低,同时又有一定的亲水性和极性,使其一方面吸湿性较强,会一定程度影响复合材料的耐久性。另一方面其亲水性与极性与大多数具有疏水性的聚合物基体相反,因而二者难以相容,而这直接影响FRP的机械性能,需要通过表面处理使纤维获得最佳的界面结构[6],故亚麻纤维的高性能化处理方法值得探究。

2.1碱液处理和纤维素的酯化处理

麻纤维可通过碱液进行处理以改变其力学性能。黄鑫鑫等[7]研究碱液对亚麻纤维的影响。实验数据表明,一定的碱液浓度、浸碱时间和浴比可以提高亚麻纤维的相对断裂强度,其中碱液浓度是影响亚麻纤维性能的最显著因素。才红等[8]研究了碱液对剑麻纤维加强酚醛树脂复合材料性能的影响。结果表明:碱处理后其力学性能得到改善,复合材的冲击和弯曲强度比未处理的材料体系分别提高了34%和10%,并且耐磨性耐水性均有所改善。天然纤维中,纤维素含有羟基,在强酸液里,能和有机酸等反应为纤维素酯[6],这种方法为纤维素的酯化反应。

2.2硅烷偶联剂反应处理

硅烷偶联剂即有机硅化合物,用硅烷偶联剂反应处理是使纤维复合材高性能化最常用的方法之一。硅烷氧基对无机物具有反应性,而有机官能基和有机物可以反应或具有相容性。因此,硅烷偶联剂可以介于无机和有机界面之间,形成一种特殊的化学“键桥”[9]。既能够提高复合材料的机械性能又能改善两种材料之间的界面粘结性。厉国清[10]在亚麻纤维增强聚乳酸复合材料的研究中,用硅烷偶联剂KH550对亚麻纤维布进行处理,改善了两种材料的相容性,同时,增大了纤维复合材料的储能与耗能模量。

2.3接枝共聚

接枝共聚是天然植物改性的一种方式。通过该方法使两种物理化学性质不同的物质接枝,生成具有新性能的物质。通常先用辐射或加热等方法使纤维产生活性接枝点,同时在一定离子的水溶液中进行处理,使纤维素高分子与单体发生接枝反应。最终反应生成的共聚物同时具有植物纤维的良好性能和支链提供给生成物的耐磨性和疏水性等优良的机械性能。关于麻纤维的接枝反应研究始于20世纪60年代,其单体种类丰富,包括丙烯酯、丙烯腈等。韩志超[11]研究了聚烯烃/亚麻纤维复合材料,以MA为单体接枝亚麻纤维,并制得纤维复合材,其冲击及拉伸强度都有一定的提高。

3亚麻纤维在土木工程领域的应用

3.1纤维增强混凝土的研究

纤维增强混凝土(TextileReinforcedConcrete,TRC),是以混凝土等为基材,用长或者短纤维作为增强材,均布地放入混凝土中,从而制成的一种新的增强建筑材。用可降解的天然纤维取代以往的碳纤维或玻璃纤维等人工纤维是未来建筑材料的趋势。徐蕾[12]在亚麻纤维对混凝土收缩开裂的影响试验中,将短亚麻纤维掺入砂浆中,研究其塑性收缩性能。试验发现,当保证亚麻纤维的掺量为0.3%的情况下,与普通样品对比,裂缝的总面积降低了99.5%,最大裂缝宽度不到0.022,比以往减少了98.5%。

3.2亚麻纤维增强混凝土构件的研究

在土木工程领域,纤维复合材料外贴加固法已经广泛应用于实际工程,但对于生物材料的研究很少,天然纤维增强复合材料的发展很不成熟。如果将人造纤维替换成天然纤维,并将天然纤维作为结构材料大量应用到实际工程当中,将很大程度减轻环境负担,有利于我国的生态建设,体现了绿色建筑的思想[13]。王宏光[2]用多壁碳纳米管改性环氧树脂,并用纳米二氧化钛(TiO2)接枝亚麻纤维布,研究相应的复合材料的力学性能和界面结构;再用该亚麻纤维复合材料加强钢筋混凝土梁,分析梁的抗剪性能。许颀[14]在亚麻纤维复合材加强混凝土梁的试验中,用亚麻纤维增强塑料加固钢筋混凝土梁并和普通梁作对比,分析不同数量的纤维和预裂程度不同的情况下梁的抗弯性能,其加固试件如图1所示。亚麻纤维力学性能和经济性能良好,同时可以降低工程建设对自然环境的破坏和不可回收资源的浪费,对解决温室效应等环境问题、促进我国绿色建筑的发展具有十分重要的意义[2]。

4结语

亚麻自身的性能及其与基体的界面粘结性是影响其复合材机械性能的关键要素。土木工程领域对纤维材料的拉伸强度有较高的要求,因此开发新的胶黏剂和新的改性工艺是拓展亚麻纤维在土木工程大量应用的关键,有待加强该方面研究。

作者:马伟男 卢立程 孟祥申 刘河森 左宏亮 李熠诗 单位:东北林业大学

在线咨询
推荐期刊阅读全部
.