天然植物纖維及其加筋土體研究綜述

徐敏普，殷 勇，沈文輝

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000；3.常州市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，江蘇 常州 213000)

0 前 言

人工合成材料加固土體技術(shù)在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，例如土工布、土工條以及土工格柵等，都分別應(yīng)用于巖土工程不同的土體加固領(lǐng)域。在過去的30年里，離散纖維作為新的加筋材料則引起了研究學(xué)者們的廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)的土工材料相比，離散纖維材料與土體的施工方法更為簡(jiǎn)單，同時(shí)纖維在土體中分散性好，加固后的土體不易形成潛在的薄弱面[1]，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前，纖維加筋材料主要分為人造纖維和自然纖維兩類。人造纖維，包括如聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和鋼纖維等，這些人造纖維應(yīng)用于土體中加固，不易降解，會(huì)對(duì)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，是非生態(tài)環(huán)境友好型加筋材料。而天然植物纖維作為自然纖維的一個(gè)類別，是一種環(huán)境友好型的材料。它不僅具有來源廣、可再生、無污染、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，而且天然植物纖維較高的強(qiáng)度與較輕的密度使其備受研究學(xué)者的青睞。因而，天然植物纖維加筋技術(shù)的應(yīng)用是增強(qiáng)巖土工程可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

本文總結(jié)了前人對(duì)天然植物纖維植物纖維構(gòu)成、成分、降解特性等方面的研究，以及天然植物纖維作為加筋材料在土體加固等方面的研究現(xiàn)狀，對(duì)目前天然植物纖維加筋土存在的一些問題進(jìn)行了分析，并對(duì)其未來的研究熱點(diǎn)進(jìn)行展望。

1 天然植物纖維研究現(xiàn)狀

1.1 天然植物纖維概述

天然植物纖維是指從自然界中直接獲取的一種纖維材料。通常，根據(jù)植物類型和纖維獲取的位置，將天然植物纖維大概可以分為秸稈纖維(如小麥和水稻)、種子纖維(如棉花)、韌皮纖維(如黃麻、亞麻、劍麻和大麻)、葉纖維(如菠蘿葉、劍麻和蕉麻)、果實(shí)纖維(如椰殼)等[2]。

天然植物纖維主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、蠟質(zhì)和礦物質(zhì)等組成[2-3]。表1總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同種類天然植物纖維化學(xué)成分的測(cè)試結(jié)果。從表1可以看出，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是天然植物纖維的主要組成物質(zhì)，其中又以纖維素含量最高，是最重要的成分。

表1 不同種類天然植物纖維的化學(xué)成分[2-3] %

纖維素是由植物經(jīng)光合作用生成葡萄糖(C6H12O6),然后葡萄糖被輸送至纖維素形成層區(qū)域，在這里它們線性地結(jié)合形成纖維素。從化學(xué)上來說，纖維素是D-呲喃式葡萄糖的聚合物，分子式可以表示為(C6H12O6)n。葡萄糖聚合物通過β-1,4糖苷鍵連接形成纖維二糖分子。纖維素大部分以結(jié)晶形式出現(xiàn)，稱為結(jié)晶纖維素。此外，還有一小部分無組織纖維素鏈形成無定形纖維素[3]。纖維素對(duì)水解、堿性和氧化劑具有一定的抵抗性，其含量決定了纖維的強(qiáng)度。因而，結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，天然纖維由于含量較多的纖維素，其力學(xué)性能較好，在巖土工程中有良好的應(yīng)用前景。

半纖維素是一種復(fù)雜的碳水化合物聚合物，它是一種分子量比纖維素低的多糖。半纖維素具有親水性，很容易在酸和堿性溶液中水解。而木質(zhì)素是一種具有無定形結(jié)構(gòu)的三維高分子聚合物，承擔(dān)纖維結(jié)構(gòu)支撐作用。它具有疏水性，抗酸水解和大多數(shù)微生物攻擊，可溶于熱堿，易氧化等特點(diǎn)。因而，天然纖維由于半纖維素和木質(zhì)素的存在，其耐酸堿等性能較好，更適合工程的推廣。

1.2 天然植物纖維降解特性

將天然植物纖維應(yīng)用于工程實(shí)際中，不容忽視的性能即為植物纖維的降解特性。為此，很多學(xué)者開展了關(guān)于天然植物纖維的降解研究。學(xué)者們將天然植物纖維置于不同的環(huán)境中研究其降解特性。Ramakrishna等[4]將椰殼、劍麻、黃麻和木槿麻四種纖維暴露在水、飽和石灰和氫氧化鈉三種不同的溶液介質(zhì)中，實(shí)施干濕循環(huán)和連續(xù)浸泡兩種方式，結(jié)果表明纖維的化學(xué)成分和抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的降低。Wei等[5]將劍麻纖維埋入水泥復(fù)合材料基體中，設(shè)置七種不同的加速腐蝕條件，發(fā)現(xiàn)在干濕環(huán)境下劍麻纖維的強(qiáng)度和韌性劣化程度更大。孫浩等[6]將麥秸稈纖維浸泡在不同的pH值溶液中，從纖維的外觀變化、質(zhì)量損失以及拉伸強(qiáng)度揭示了酸堿環(huán)境對(duì)纖維降解的程度，得出了麥秸稈纖維在不同PH值下的降解規(guī)律。Filho等[7]指出水泥基質(zhì)中的劍麻纖維在經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后，纖維素和半纖維素降解，劍麻纖維幾乎完全喪失性能。

從上述文獻(xiàn)中可以看出，天然纖維在不同的工程環(huán)境中，其降解特性相差較大。同時(shí)，纖維強(qiáng)度與纖維中主要化學(xué)成分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)的含量直接相關(guān)聯(lián)。因而，探究在不同工程環(huán)境中天然纖維的強(qiáng)度衰減機(jī)理，以及建立在不同工程環(huán)境中的天然纖維的物理力學(xué)性能與纖維的組成物質(zhì)變化之間的定量關(guān)系是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

2 天然植物纖維加筋土研究現(xiàn)狀

將天然植物纖維作為加筋材料加固土體，目前有研究成果進(jìn)行了報(bào)道。國內(nèi)外學(xué)者主要通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了不同纖維摻入量、纖維長度、纖維種類等對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的改善效果的影響。吳燕開等[8]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究了不同劍麻纖維長度與摻量的影響，得出在纖維長度為5 mm，摻量為0.4%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。劉威等[9]選取四種不同的纖維進(jìn)行直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維的摻入提高了土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角，且椰絲與稻秸稈絲對(duì)土體粘聚力與內(nèi)摩擦角的貢獻(xiàn)效果要優(yōu)于玻璃聚丙烯纖維。馬強(qiáng)等[10]通過三軸試驗(yàn)證明了棕麻纖維加筋土的粘聚力與內(nèi)摩擦角較純砂的有顯著提升，強(qiáng)度和抗變形能力都得到提高。Brahmachary等[11]發(fā)現(xiàn)加入竹纖維可以改善土壤的延性并且增加了土壤的CBR值。

針對(duì)天然纖維加筋土的加筋機(jī)理，也有相關(guān)研究的報(bào)道。金嘉林[12]認(rèn)為纖維加筋土的增強(qiáng)效果主要得益于纖維與土之間的“握裹作用”以及纖維間形成的“空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”緩解了土體的破壞趨勢(shì)。錢葉琳等[13]認(rèn)為在纖維發(fā)生側(cè)向破壞時(shí)，纖維與土體之間形成相互作用力，抑制土顆粒的移動(dòng)，“無側(cè)限”變成了“有側(cè)限”，土體的變形受到限制。邢文文[14]通過分析認(rèn)為棕麻纖維的加筋作用主要是因?yàn)槔w維與土體間的摩擦阻力以及纖維形成的“纖維網(wǎng)”約束了土體的變形。

同時(shí)，不少學(xué)者利用土體的本構(gòu)模型構(gòu)建纖維土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，郭盼盼[15]建立了各向異性分布纖維加筋土本構(gòu)模型，較為準(zhǔn)確地反映出不同纖維含量下纖維加筋土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)和體應(yīng)變行為的關(guān)鍵特征。但是相較于素土，加筋土的本構(gòu)模型研究相對(duì)復(fù)雜，纖維種類、纖維摻量以及筋土界面特征等都對(duì)天然纖維加筋土本構(gòu)模型的建立起著影響作用。

目前，天然植物纖維加筋土在工程應(yīng)用中尚且存在一些不足之處。由于天然植物纖維具有親水性以及生物降解性的特點(diǎn)，當(dāng)纖維應(yīng)用于工程環(huán)境中，不可避免遭受到干濕、凍融等惡劣氣候的影響，其力學(xué)性能必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，影響纖維的耐久性。但纖維加筋土在不同工程環(huán)境中其力學(xué)特性的變化規(guī)律尚未得到統(tǒng)一的變化規(guī)律。同時(shí)，單根纖維的筋土界面的強(qiáng)度以及纖維與纖維的網(wǎng)狀效益是土體強(qiáng)度增加的機(jī)理，但在不同工程環(huán)境中加筋效應(yīng)如何衰減鮮有報(bào)道。

3 結(jié)論與展望

天然植物纖維加筋技術(shù)作為巖土工程中可持續(xù)發(fā)展的加固技術(shù)之一，具有資源豐富、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在未來巖土工程中的發(fā)展?jié)摿薮?。但目前的研究并未考慮到纖維降解所帶來的影響，由于天然植物纖維具有親水性以及生物可降解性特性，會(huì)直接影響纖維的耐久性以及加筋作用，進(jìn)而威脅加筋土工程的安全穩(wěn)定。因而，天然植物纖維加筋土的研究需從以下兩個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步探究從而拓展天然植物纖維的工程應(yīng)用。

1)如何構(gòu)建纖維中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量與纖維的力學(xué)性能構(gòu)建定量關(guān)系，從而以纖維組成成分的衰減變化指標(biāo)表征纖維加筋土的強(qiáng)度劣化。

2)進(jìn)一步探究提高纖維力學(xué)性能及延長纖維耐久性的處理方法與處理工藝，緩解天然植物纖維加筋土的強(qiáng)度劣化。

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