植物纖維混凝土性能研究

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 概述

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，如何處理大量農(nóng)業(yè)廢棄物是一個(gè)棘手的問題。隨著科技的進(jìn)步以及人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們發(fā)現(xiàn)由于植物纖維制備混凝土可以滿足低碳環(huán)保、取材方便、輕質(zhì)高強(qiáng)以及保溫性能好的要求，因此它逐漸成為國內(nèi)外纖維混凝土方向的一大研究熱點(diǎn)。植物纖維混凝土通常是將秸稈纖維、稻殼等植物纖維粉碎或處理成一定長度后添加到混凝土中，再以粉煤灰作為摻合料，以CaCl2等作為促凝劑，混合攪拌所制成。目前，已有大量文獻(xiàn)針對(duì)單種植物纖維摻入混凝土后的性能進(jìn)行研究，但缺少對(duì)不同種類的植物纖維混凝土進(jìn)行綜合對(duì)比分析。該文將分別研究多種植物纖維混凝土的力學(xué)性能、保溫性、吸水性、耐腐蝕性能以及對(duì)水泥水化的影響效果，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)述，分析其特點(diǎn)并指出存在的短板。盡管目前植物纖維混凝土有局限性，但是隨著技術(shù)研究的不斷深入，相信在未來仍有很好的應(yīng)用前景。

1 植物纖維處理技術(shù)

為了制備植物纖維混凝土，需要提前對(duì)植物纖維進(jìn)行處理。該處理過程通常是先挑選色澤光亮、保存完好的植物纖維，進(jìn)行洗凈后烘干，處理掉多余枝葉和表面的雜質(zhì)，再加工成2種形狀：1種是用粉碎機(jī)把植物纖維粉碎，另1種是用剪刀或鍘刀把植物纖維剪切目標(biāo)長度。用粉碎機(jī)粉碎的植物纖維可以直接摻入混凝土中；用剪刀或鍘刀剪切的植物纖維可以直接摻入混凝土中；也可以將切好的植物纖維先浸泡于氫氧化鈉溶液里，洗凈干燥后再摻入混凝土中。當(dāng)前，還有許多植物纖維的表面處理改性措施在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，化學(xué)改性方法如堿性化、酸處理、酯化預(yù)處理和聚合物涂料，物理處理方法如熱液治療、超聲改性和蒸汽處理，生物改性方法如生物酶治療。但是大多數(shù)的改性方式工藝復(fù)雜而且污染環(huán)境，因此并沒有得到大范圍的推廣應(yīng)用。

近年來，等離子體改性植物纖維在發(fā)達(dá)國家已得到廣泛報(bào)道。等離子處理可使材料表面產(chǎn)生蝕刻等物理反應(yīng)和接枝共聚、氧化、分解等化學(xué)反應(yīng)，從而有效地提高疏水性、黏附性等。國內(nèi)一些研究人員還發(fā)現(xiàn)，植物纖維表面的弱界面層可以通過空氣低溫等離子處理被破壞，并引入可以增強(qiáng)秸稈表面活性的含氧官能團(tuán)，如羰基、羧基等，有助于秸稈與原材料建立以化學(xué)結(jié)合為主的界面。

2 植物纖維混凝土的力學(xué)性能

植物纖維的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠以及蠟質(zhì)等物質(zhì)。植物纖維在混凝土中分散交叉，每克混凝土中植物纖維的含量是其他纖維的幾十倍，因此可以將混凝土開裂時(shí)的裂縫限制在更小的范圍內(nèi)。纖維素表面的羥基也可以與水泥水化產(chǎn)物中的羥基形成氫鍵，使界面結(jié)合更加緊密。在外荷載作用下，植物纖維與水泥基體共同作用，在混凝土開裂時(shí)植物纖維能承受拉應(yīng)力，從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

由于植物纖維本身的強(qiáng)度較低，在混凝土中加入植物纖維會(huì)增加混凝土中的含氣量，從而對(duì)材料的和易性和密實(shí)性產(chǎn)生不利的影響，因此隨著植物纖維含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。李超飛等[1]將不同摻量不同形態(tài)的稻草秸稈摻入混凝土中測(cè)試養(yǎng)護(hù)28 d后的力學(xué)性能，結(jié)果如圖1所示，隨著稻草纖維含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都會(huì)降低。但是，張昌等人[2]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加竹纖維可以大大提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，這與李超飛的研究結(jié)果不一致。推測(cè)是由于竹纖維抗拉強(qiáng)度為350 MPa～500 MPa[3]，比秸稈纖維高得多，當(dāng)裂紋發(fā)展到與竹纖維相交時(shí)，竹纖維可以承受更大的拉力來阻止裂紋的發(fā)展

目前，大多數(shù)研究都是針對(duì)纖維含量大于1%的情況進(jìn)行的，曾哲[4]便選擇對(duì)低摻量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）的油菜秸稈混凝土進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，隨著纖維含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)?？梢酝茰y(cè)低摻量的植物纖維混凝土的力學(xué)變化規(guī)律與之前針對(duì)纖維摻量大于1%的研究結(jié)果也不相同。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度在加入體積分?jǐn)?shù)為0.2%、長度為20 mm～30 mm的油菜秸稈時(shí)達(dá)到最高。這是因?yàn)槔w維體積摻量小于0.2%時(shí)混凝土內(nèi)部孔隙能被有效填充，增加密實(shí)度（圖2（b）），但過大的摻量會(huì)使植物纖維包裹的水泥漿體分布不夠均勻，形成大量有害孔洞（如圖2（c）所示）[4]。

圖1 稻草纖維形態(tài)和摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3 植物纖維混凝土的保溫性能

我國建筑能耗一直處于過度狀態(tài)，因此研究植物纖維混凝土的保溫性能具有重要意義。在使用掃描電鏡觀察普通混凝土和油菜秸稈纖維混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖2（a）、圖2（b））時(shí)發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，油菜秸稈纖維混凝土具有更多更大的孔隙；利用穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱儀進(jìn)行保溫性能測(cè)試，結(jié)果表明：導(dǎo)熱系數(shù)隨著砂率增加而增大，隨著纖維摻量增加而減小。由于存在氣孔內(nèi)的氣體對(duì)流換熱和孔壁間的輻射換熱，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降低。與發(fā)達(dá)國家相比，我國建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能差距較大，開展建筑節(jié)能保溫是十分必要的。亢毅[5]制作的秸稈氯氧鎂水泥砌塊可以作為一種新型外墻保溫墻體材料，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.15 W/（m·k），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)熱系數(shù)為0.81 W/（m·k）的普通黏土磚和導(dǎo)熱系數(shù)為1.51 W/（m·k）的混凝土。因此，使用植物纖維制得墻體材料可以滿足保溫的需要，這也是植物纖維混凝土相對(duì)于一般纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)。

4 植物纖維混凝土的吸水性

植物纖維本身就是多孔材料，纖維素中羥基含量也很高，這就導(dǎo)致植物纖維具有較強(qiáng)的吸水性，所以在制備植物纖維混凝土?xí)r，混凝土耗水量增加，和易性下降，并且在攪拌過程中容易形成團(tuán)聚體。植物纖維還具有潮濕時(shí)膨脹和干燥時(shí)收縮的特性，對(duì)濕度表現(xiàn)得十分敏感，細(xì)胞壁孔隙和羥基的累積效應(yīng)導(dǎo)致其尺寸的不確定性，這使植物纖維與混凝土容易發(fā)生黏結(jié)破壞。黃麗媛[6]通過秸稈纖維預(yù)處理，測(cè)定了不同纖維含量水泥基復(fù)合材料浸泡12 h后的吸水率。研究表明，復(fù)合材料的吸水率隨著纖維含量的增加而逐漸增加，但是經(jīng)室溫冷水處理和氫氧化鈉溶液處理的纖維會(huì)降低復(fù)合材料的吸水率。尤其是經(jīng)過4%氫氧化鈉溶液處理過的秸稈纖維，在摻量為5%時(shí)吸水率最小，僅為9.32%。推測(cè)是由于秸稈纖維經(jīng)過處理后分離出對(duì)水泥起到緩凝、阻凝作用的物質(zhì)，使纖維與水泥有更好的界面結(jié)合效果，降低孔隙率從而降低了吸水率。

表1 植物纖維增強(qiáng)水泥基材料的強(qiáng)度損失對(duì)比

圖2 不同纖維摻量的油菜秸稈混凝土的SEM圖

5 植物纖維混凝土的耐腐蝕性

土木工程所處的環(huán)境因此，需要格外重視，因此，需要格外重視植物纖維混凝土的耐腐蝕性。通過將麥秸稈纖維浸泡于不同pH值的溶液中，我們發(fā)現(xiàn)酸堿環(huán)境都會(huì)對(duì)麥秸稈纖維造成嚴(yán)重腐蝕，秸稈的質(zhì)量損失可達(dá)30%～40%。而硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生氫氧化鈣，使普通混凝土環(huán)境為堿性，植物纖維在其中就極易被腐蝕。Ramakrishna等人[7]分別將椰殼纖維、劍麻纖維、黃麻纖維和木槿大麻素纖維4種纖維干濕交替、連續(xù)浸泡在水、NaOH溶液、飽和Ca（OH）2溶液中60 d，發(fā)現(xiàn)四種纖維中的木質(zhì)素、半纖維素和纖維素成分均減少，并且由表1可知，這些被腐蝕的纖維增強(qiáng)水泥基材料抗壓、抗折的效果也不如未被腐蝕的纖維。因此，植物纖維混凝土的耐腐蝕性并不出色。如今為解決此問題，通常是對(duì)纖維進(jìn)行酸液（如丙三醇甲酸酯、硬脂酸）預(yù)泡處理，或者加入粉煤灰、硅灰等替代一些水泥，也有采用低堿水泥等手段。鄧華等人[8]曾對(duì)植物纖維進(jìn)行微波與偶聯(lián)劑的物化綜合改性，發(fā)現(xiàn)這種方法也可以提高其化學(xué)穩(wěn)定性，增加耐化學(xué)腐蝕性。

6 纖維對(duì)水泥水化的影響

目前已有大量針對(duì)于植物纖維影響混凝土力學(xué)性能和耐久性等研究的文獻(xiàn)，但是，植物纖維對(duì)水泥水化過程的影響卻少見。謝曉麗[9]用等溫的微熱量熱法來測(cè)定水泥的水化速率和放熱量，以此來檢驗(yàn)秸稈纖維是如何影響水泥水化的。試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈使水泥的最大水化速率降低，延遲了水化過程，使7 d內(nèi)的放熱量減少。這主要是因?yàn)橹参锢w維中所含的半纖維素和木質(zhì)素阻礙了水泥水化過程。半纖維素在呈堿性的水泥漿環(huán)境中水解產(chǎn)生糖，然后在水中又轉(zhuǎn)變?yōu)樘撬?，再與水泥漿中的鈣離子相結(jié)合，使鈣離子不易達(dá)到飽和狀態(tài)，阻礙了氫氧化鈣的結(jié)晶分離，混凝土凝結(jié)成形也變得更加困難。而木質(zhì)素離解所產(chǎn)生的離子附著到水泥顆粒的表面，從而使水泥顆粒帶同種電荷，導(dǎo)致彼此排斥顆粒分散，水泥水化也會(huì)受到影響。當(dāng)半纖維素和木質(zhì)素含量降低時(shí)，植物纖維水泥基復(fù)合材料的水化反應(yīng)會(huì)更接近純水泥的水化反應(yīng)。

7 存在問題

雖然植物纖維混凝土具有輕質(zhì)環(huán)保、韌性高以及保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是植物纖維本身的特性限制了其大范圍推廣使用，這種混凝土仍然存在一些目前難以解決的問題。

7.1 吸水性問題

由于含有大量羥基，植物纖維具有很強(qiáng)的吸水性，加入不同摻量的植物纖維時(shí)混凝土的用水量也不同，因此對(duì)于和易性的控制較為麻煩。同時(shí)，植物纖維對(duì)濕度很敏感，干縮濕脹，易導(dǎo)致植物纖維與混凝土發(fā)生黏結(jié)破壞。

7.2 腐蝕問題

硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)使水泥漿整體呈現(xiàn)堿性，天然植物纖維中所含的木質(zhì)素、半植物纖維素和纖維素等物質(zhì)在該環(huán)境下被分解，使纖維整體力學(xué)性能明顯有所下降，增強(qiáng)水泥基材料抗彎、抗折的效果也大打折扣。

7.3 黏結(jié)問題

由于蠟質(zhì)層的存在，植物纖維的表面是光滑的，就很難與粗糙的水泥漿體較好地結(jié)合，在外力作用時(shí)易被拉出。在堿性的水泥漿中，植物纖維可以分離出許多對(duì)水泥凝結(jié)起到抑制作用的萃取物，這也對(duì)植物纖維和堿性水泥基之間的界面結(jié)合產(chǎn)生了負(fù)面影響。

8 結(jié)語

不同種類的植物纖維雖然存在共性問題，但不同的屬性構(gòu)造、處理方法具有不同的適用范圍，對(duì)混凝土的性能也會(huì)產(chǎn)生不同影響。因此建議有針對(duì)性地研究出規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化的處理方法和篩選方式，根據(jù)不同要求選擇最適宜的植物纖維，確定最合適的摻量，提高生產(chǎn)該類混凝土的效率。在植物纖維混凝土中雖然存在一些問題，但是已經(jīng)開始運(yùn)用于實(shí)際工程中，也取得了很好的效果。相信隨著研究機(jī)理的不斷深入，制作工藝的愈加成熟，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的逐漸累積，植物纖維混凝土?xí)懈鼮閺V闊的應(yīng)用前景。