，，

(1. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590； 2. 山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

椰子殼是一種天然高聚物，質(zhì)地十分堅(jiān)實(shí)[1]，在我國(guó)南方有著豐富的資源。由于椰子殼具有較高強(qiáng)度和不易腐爛的性質(zhì)，可用于填海造地的吹填料，以節(jié)省大量的砂石料。特別是南海，砂石料資源匱乏，而椰子殼資源豐富，可與南海鈣質(zhì)砂混合作為吹填料，降低填海成本。因此，對(duì)椰子殼的材料力學(xué)性能進(jìn)行研究顯得十分必要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)椰子殼的材料性能已經(jīng)開(kāi)展了一些研究工作。張會(huì)平等[2-4]成功制備椰殼活性炭，對(duì)椰殼活性炭吸附性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Pashaei等[5]分析了椰殼粉作為添加劑制備綠色復(fù)合材料的可行性。葉穎薇等[6]研究了椰纖維增強(qiáng)水泥的力學(xué)性能，結(jié)果表明椰纖維改善了水泥的脆性，對(duì)水泥的拉伸彎曲強(qiáng)度都有提高。Kalyana等[7-10]研究了用椰子殼作為粗骨料的混凝土的力學(xué)性能。Gludovatza等[11]研究了椰子殼成熟狀態(tài)和切片方向?qū)ζ淞W(xué)性能的影響。Babel等[12-14]研究了椰殼炭對(duì)工業(yè)廢水中重金屬的吸附能力，研究表明椰殼炭有較好的吸附能力而且價(jià)格便宜。Mohd等[15]研究了一種新的椰殼活性炭CS850A對(duì)有機(jī)溶劑的吸附能力，研究表明CS850A具有較大比表面積和較好的化學(xué)吸附能力。上述文獻(xiàn)對(duì)椰子殼作為增強(qiáng)體的材料性能和椰殼活性炭的吸附能力進(jìn)行了研究，但對(duì)椰子殼本身的力學(xué)性能研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)椰子殼的材料力學(xué)性能試驗(yàn)，考察椰子殼的抗壓強(qiáng)度、變形、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和伸長(zhǎng)率等性能，分析加載方向、加載速度和椰殼干濕狀態(tài)對(duì)其力學(xué)性能的影響，為椰子殼作為填海造地吹填料的可行性提供理論根據(jù)。

1 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用椰子殼來(lái)源于海南野生老椰子，將其中兩個(gè)椰子放干椰汁，自然風(fēng)干；另外兩個(gè)在做實(shí)驗(yàn)前將椰汁放干，保持椰殼內(nèi)部濕潤(rùn)。椰子殼近似為橢圓形，分別開(kāi)展長(zhǎng)軸、短軸豎向抗壓試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有電液伺服巖石三軸儀TAW-2000，應(yīng)變片和位移計(jì)等。

1.3 試驗(yàn)方法

1) 實(shí)驗(yàn)前預(yù)先在椰子殼受壓處的外表面撒上粉筆末，并在電液伺服巖石三軸儀加壓頭上涂抹上固體膠，使其加壓頭具有粘性，便于測(cè)量在豎向壓縮試驗(yàn)中椰子殼的受力面積A。

2) 加壓方向?yàn)殚L(zhǎng)軸和短軸兩個(gè)方向，加載速度分別為0.1 mm/mim和0.1～1 mm/mim漸快。

3) 當(dāng)椰子殼破裂時(shí)，加壓頭停止加壓，將加載與變形量記錄下來(lái)；豎向位移由位移計(jì)自動(dòng)記錄。

圖1 椰子殼荷載-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve of coconut shell

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，最大變形量為4.611 mm，最大壓力為4.02 kN。將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為椰子殼荷載-位移曲線，如圖1所示。從圖1中試件1～3可以看出椰子殼荷載-位移曲線為均勻壓縮階段和破壞階段。均勻壓縮階段，椰子殼的變形主要有豎向壓縮變形和橫向均勻膨脹變化，其豎向位移隨著荷載的增加近似成線性關(guān)系。破壞階段為脆性破壞，開(kāi)口方向和荷載方向基本一致，外荷載急劇減小，豎向位移繼續(xù)增大。對(duì)比試件4和試件1～3，試件4為變加載速度，試件1～3為恒定加載速度，試件1～3加載曲線近似為直線，試件4曲線斜率一直在變化，由此可以看出加載速度對(duì)于強(qiáng)度有較大影響。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

荷載-位移曲線與試樣的尺寸有關(guān)，為了消除試樣尺寸的影響，得到不同狀態(tài)、不同加載方向和不同加載速率下椰子殼的力學(xué)性能。現(xiàn)將荷載-位移曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示，圖中應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)欧謩e由式(1)和式(2)計(jì)算得出。

表1 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of uniaxial compression

圖2 椰子殼應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of coconut shell

(1)

其中：F為荷載大小，kN；A為椰子殼名義受壓面積(本文受壓面積為加壓頭作用在椰子殼上最大直徑對(duì)應(yīng)的圓的面積，mm2)。

(2)

其中：Δl為椰子殼的位移量，mm；l為加載前椰子殼的長(zhǎng)軸或者短軸長(zhǎng)度，mm。

由圖2可知，椰子殼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與荷載-位移曲線基本相似，應(yīng)力-應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，破壞為脆性破壞。

2.3 與已有結(jié)果的比較

文獻(xiàn)[11]將椰子殼沿著經(jīng)線和緯線將椰子切成兩半，并沿著經(jīng)線和緯線制作拉伸試驗(yàn)切片，對(duì)成熟狀態(tài)和稚嫩狀態(tài)的椰子殼切片進(jìn)行不同方向的拉伸試驗(yàn)。本研究的豎向抗壓試驗(yàn)和文獻(xiàn)[11]拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 本研究結(jié)果與文獻(xiàn)[11]結(jié)果對(duì)比Tab.2 Results of comparison between this paper and Ref.[11]

由表2可知，抗壓試驗(yàn)中椰子殼在長(zhǎng)軸和短軸方向上的應(yīng)變相差不大，文獻(xiàn)[11]抗拉試驗(yàn)中椰子殼切片在經(jīng)度和緯度方向上的應(yīng)變相差較大。對(duì)比椰子殼的彈性模量可知，椰子殼在抗拉試驗(yàn)中的彈性模量要大于本文抗壓試驗(yàn)中的彈性模量。

圖3為本椰子殼試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖3中可以看出，成熟椰子的抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線基本相似。干態(tài)試件4的應(yīng)力應(yīng)變曲線和文獻(xiàn)[11]中成熟椰子開(kāi)始階段變化趨勢(shì)基本相同，從應(yīng)力為10 MPa開(kāi)始，試件4的斜率開(kāi)始增大，這是由于試件4加載速度逐漸增大的原因。這說(shuō)明成熟椰子殼抗壓與抗拉強(qiáng)度變化基本相同，加載速度提高，能增大椰子殼的彈性模量。

圖4和圖5分別為椰子殼長(zhǎng)軸和短軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]拉伸試驗(yàn)結(jié)果的比較。由圖可知，成熟椰子的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本相似，不成熟的相差較大，原因是本研究采用的試件為成熟椰子，而文獻(xiàn)[11]采用的試樣為未成熟椰子。

圖3 成熟椰子應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比Fig.3 Comparison of stress and strain of mature coconut

圖4 短軸方向應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

圖5 長(zhǎng)軸方向應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比Fig.5 Comparison of stress and strain in long axis direction

編號(hào)彈性模量/MPa抗壓強(qiáng)度極限/MPa最大應(yīng)變/%155424.74.4621 03436.43.5231 16847.24.0441 59551.23.21

2.4 彈性模量和極限強(qiáng)度

本研究椰子殼的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似看成直線，計(jì)算彈性模量見(jiàn)表3。

由表3可知，對(duì)比試件1和試件2，在加載方向和加載速度相同的情況下，干濕狀態(tài)不同將大大影響椰子殼的彈性模量等力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)椰子殼為濕態(tài)的時(shí)候，彈性模量?jī)H為554 MPa，而干態(tài)時(shí)椰子殼的彈性模量為1 034 MPa，相差較大。

對(duì)比試件1和試件3，干濕狀態(tài)和加載速度相同，當(dāng)加載方向?yàn)槎梯S時(shí)，彈性模量為554 MPa；當(dāng)加載方向?yàn)殚L(zhǎng)軸時(shí)，彈性模量為1 168 MPa：相差較大。通過(guò)對(duì)比試件1、2、3和4的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，當(dāng)加載速度為恒定速度時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似為線性變化。當(dāng)加載速度從0.1變化到1 mm/min時(shí)，試件4的應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率變大。由此可知，加載速度對(duì)椰子殼的極限抗壓強(qiáng)度有較大影響。

3 結(jié)論

采用電液伺服巖石三軸儀對(duì)椰子殼進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1) 當(dāng)加載速度和干濕狀態(tài)相同時(shí)，椰子殼加載方向?qū)σ託さ膹椥阅Ａ亢蜆O限抗壓強(qiáng)度有顯著影響，長(zhǎng)軸方向比短軸方向承載能力大很多。

2) 當(dāng)加載方向和加載速度相同時(shí)，椰子殼含水率對(duì)椰子殼的彈性模量和極限抗壓強(qiáng)度有顯著影響，干態(tài)的椰子殼比濕態(tài)的椰子殼承載力大很多。

3) 不同加載速度對(duì)椰子殼彈性模量和極限抗壓強(qiáng)度有較大影響。加載速度提高，能增加椰子殼的極限抗壓強(qiáng)度。

4) 對(duì)比椰子殼的抗拉實(shí)驗(yàn)得出，成熟椰子殼的拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率基本相同。椰子殼的極限抗壓強(qiáng)度大于極限抗拉強(qiáng)度。

5) 計(jì)算出的椰子殼抗壓強(qiáng)度最小值為24.7 MPa，可知椰子殼在強(qiáng)度方面完全符合填海造陸材料的高強(qiáng)度要求。另外，椰子殼又不易腐爛，所以椰子殼用于填海造陸的吹填料是可行的。