植物纖維增強(qiáng)混凝土研究進(jìn)展

郭宜杭，李 黎，楊晨欣，石玉瓊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100)

0 引 言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國建筑面積保持年均3%～5%的增速，2020年達(dá)到688億m2[1]，當(dāng)前我國建筑行業(yè)CO2排放量約為21億t，占全國CO2總排放量的20%[2]。為實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展，要把“碳達(dá)峰、碳中和”納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，建筑行業(yè)對可再生資源的使用將有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[3]。目前，普通混凝土的抗拉強(qiáng)度低，韌性差，易開裂，抗?jié)B能力低，水及水中的氯離子極易與鋼筋接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋腐蝕，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[4-5]。植物纖維作為一種價(jià)格低廉且來源豐富的高分子材料，將其應(yīng)用于混凝土中，不僅可以有效提升混凝土的抗裂性和耐久性，同時(shí)也有助于對農(nóng)業(yè)廢棄物資源的回收利用[6-7]。

作為農(nóng)業(yè)大國的中國，每年會有大量不同種類的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出。由于體積松散、運(yùn)輸不便等，每年大約2億t農(nóng)作物秸稈被焚燒或廢棄，不但造成資源浪費(fèi)，而且會污染環(huán)境[8]。植物纖維主要從農(nóng)作物或者天然植物中提取，經(jīng)過加工處理制備而成，是一種綠色可降解的天然纖維[9]。與傳統(tǒng)的合成纖維相比,植物纖維不僅具有低碳環(huán)保、能夠可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，同時(shí)可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性[10]。盡管天然植物纖維增強(qiáng)混凝土材料優(yōu)點(diǎn)眾多，但也存在耐久性較低、高吸濕性易導(dǎo)致腫脹、纖維老化和粘結(jié)力減弱等諸多問題[11]，從而影響植物纖維增強(qiáng)混凝土材料的綜合性能。為改善天然植物纖維與混凝土的結(jié)合力,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,研究者進(jìn)行了大量的工作。將植物纖維作為混凝土基增強(qiáng)材料，一方面能夠提高混凝土基復(fù)合材料的力學(xué)性能，另一方面也可以降低燃燒導(dǎo)致的污染，讓植物纖維增強(qiáng)混凝土成為未來發(fā)展的新方向。

1 植物纖維的微觀結(jié)構(gòu)和性能

植物纖維是具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的天然復(fù)合材料，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主要成分，其中纖維素是一種含葡萄糖的線性多聚物，半纖維素是由各種半纖維素多糖組合而成的，而木質(zhì)素是高度支鏈的芳香烴高分子化合物[12]。植物纖維中最主要的成分是纖維素，其決定著植物纖維的物理和化學(xué)性能，也對纖維增強(qiáng)混凝土的性能起著控制性作用。目前常用的植物纖維有劍麻纖維、黃麻纖維、蘆葦纖維等，不同種類植物纖維的組成如圖1所示。

圖1 不同種類植物纖維的組成[13]Fig.1 Composition of different kinds of plant fibers[13]

相對于人工合成纖維，植物纖維的優(yōu)勢包括低密度、低成本、可回收和可生物降解等[14]，使天然纖維有取代合成纖維的潛在可能。植物纖維由大約50萬個纖維素分子組成，每個纖維素分子由重復(fù)5 000次的葡萄糖組成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大約25億個氫鍵。雖然氫鍵的強(qiáng)度約為共價(jià)鍵的1/10，但25億個氫鍵仍然是植物纖維獲得高抗拉強(qiáng)度的主要原因[15]。因此天然纖維的力學(xué)性能，特別是亞麻、黃麻和劍麻纖維可以在強(qiáng)度和彈性模量上與人工合成纖維相媲美。表1列出了一些天然纖維和合成纖維的力學(xué)性能指標(biāo)。Munawar等[16]研究了苧麻、菠蘿、三葉草、洋麻、蕉麻、劍麻、椰子纖維等非木植物纖維束的形態(tài)、物理和力學(xué)性能。除椰子纖維外，所有纖維都具有非圓形橫截面，并且椰子纖維是最堅(jiān)韌的天然纖維，其應(yīng)變能力是其他天然纖維的4～6倍，椰殼纖維的高延展性非常有利于改善混凝土的高脆性。

表1 天然纖維和合成纖維的性能[17-18]Table 1 Properties of natural fiber and synthetic fiber[17-18]

植物纖維的細(xì)胞主要由初生壁(P)、次生壁(S1、S2、S3)和空腔組成[19]，植物纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)如圖2所示。初生壁由纖維素、半纖維素等在細(xì)胞間層的內(nèi)側(cè)沉積形成，具有柔性和可塑性；次生壁由原生質(zhì)體所分泌的纖維素等產(chǎn)物在初生壁內(nèi)沉積形成，其中，次生壁中層(S2)最厚，占細(xì)胞壁厚的70%～90%，是構(gòu)成細(xì)胞壁的主體，決定著植物纖維的力學(xué)性能[20]。

圖2 植物纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)[21]Fig.2 Structure of plant fiber cells[21]

2 植物纖維對混凝土宏觀性能的影響

2.1 力學(xué)性能

通常在混凝土中添加纖維可增強(qiáng)其韌性、延性和抗沖擊性能[22-24]。Ramakrishna等[25]通過對劍麻、椰殼、黃麻、木槿纖維砂漿板進(jìn)行抗沖擊測試，四種纖維砂漿板試樣吸收的沖擊能量如圖3所示。測試結(jié)果表明，植物纖維砂漿板的抗沖擊性能是無纖維砂漿板的3～18倍，無論何種纖維，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)和長度的增加，板的抗沖擊性能都得到顯著提高，其中摻加1.5%～2.0%(體積分?jǐn)?shù))劍麻纖維和椰殼纖維的增強(qiáng)效果最為突出。

圖3 四種纖維砂漿板試樣吸收的沖擊能量[25]Fig.3 Impact energy absorbed by four kinds of fiber mortar board samples[25]

除了抗沖擊性能外，更多的學(xué)者研究了植物纖維增強(qiáng)混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能，多數(shù)通過三點(diǎn)或四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)來探討植物纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎性能[26]。Ranjbar等[27]強(qiáng)調(diào)：當(dāng)纖維含量在8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下時(shí)，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度都隨著纖維含量的增加而增強(qiáng)；但是當(dāng)纖維含量高于8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，抗彎強(qiáng)度將會隨摻量增加而降低，這說明植物纖維的摻量通常有一個合理的上限值。蘇林強(qiáng)[28]總結(jié)了部分植物纖維增強(qiáng)混凝土的28 d抗彎強(qiáng)度，4%和8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))植物纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎強(qiáng)度分別如圖4和圖5所示，發(fā)現(xiàn)8%香蕉纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎強(qiáng)度比4%的香蕉纖維增強(qiáng)混凝土高29%。

圖4 4%植物纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎強(qiáng)度[28]Fig.4 Bending strength of concrete with 4% plant fiber[28]

圖5 8%植物纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎強(qiáng)度[28]Fig.5 Bending strength of concrete with 8% plant fiber[28]

Abbas等[29]指出，植物纖維增強(qiáng)混凝土的起裂強(qiáng)度主要取決于基體的強(qiáng)度，而纖維控制開裂后強(qiáng)度，即纖維起吸收能量的作用。何玉梅等[30]對麻稈、麥稈、玉米稈和棉稈四種植物纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了研究，可以看出，麻稈纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓、抗拉、抗彎強(qiáng)度均優(yōu)于其他三種纖維增強(qiáng)混凝土，而棉稈纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能最差，在纖維摻量相同條件下四種植物纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能如圖6所示。

圖6 纖維摻量相同時(shí)四種植物纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能[30]Fig.6 Mechanical properties of four kinds of plant fiber reinforced concrete with the same fiber content[30]

眾多學(xué)者對植物纖維增強(qiáng)混凝土的彎拉性能進(jìn)行了研究，植物纖維增強(qiáng)混凝土的彎拉性能研究結(jié)果如表2所示?？傮w來看，在混凝土中摻入適量的植物纖維，能明顯改善混凝土的抗彎、抗拉、抗沖擊等力學(xué)性能，8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下是較為理想的摻量，比較現(xiàn)有文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)劍麻和椰子纖維是較理想的混凝土用纖維。

表2 植物纖維增強(qiáng)混凝土的彎拉性能Table 2 Bending tensile properties of plant fiber reinforced concrete

2.2 耐久性

由高脆性水泥基材料制備復(fù)合材料時(shí)，植物纖維的主要貢獻(xiàn)是提高混凝土的韌性和開裂后性能，但長期以來學(xué)者們普遍擔(dān)心植物纖維在混凝土基體中的適用性，主要原因是植物纖維增強(qiáng)混凝土的長期耐久性不足可能會降低服役階段的強(qiáng)度和韌性。部分學(xué)者對植物纖維在堿性環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。Tolêdo Filho等[37]將劍麻和椰子纖維浸入pH值為12的NaOH溶液中300 d，發(fā)現(xiàn)劍麻和椰子纖維完全失去了柔韌性，容易脆斷，植物纖維的脆化主要與纖維的礦化有關(guān)，具體來說是水化產(chǎn)物氫氧化鈣遷移到纖維內(nèi)腔和空隙中結(jié)晶導(dǎo)致的。

植物纖維有利于提高混凝土的抗凍融能力。陳毅等[38]通過對棕纖維和黃麻纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物纖維增強(qiáng)混凝土較對照組抗凍性能更強(qiáng)，主要是由于植物纖維的橋連作用有效減少了凍融循環(huán)中混凝土的結(jié)構(gòu)損傷。另外，鞏亞琦[39]發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率呈增長趨勢，但植物纖維增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失率和增長速度小于對照組，凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，且普通混凝土試件的外觀破損程度比植物纖維增強(qiáng)混凝土更嚴(yán)重，植物纖維有效提高了混凝土的抗凍性能。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的質(zhì)量損失率變化[39]Fig.7 Change of mass loss rate of concrete under different freeze-thaw cycle times[39]

2.3 熱物理性能

長期以來，以混凝土為基體摻加秸稈制備的保溫隔熱材料在部分地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，原因是其具有選材方便、成本低、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)[40]。天然植物纖維作為輕質(zhì)、多孔、保溫效果好的材料，得到了廣泛關(guān)注。倪源等[41]對植物纖維保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)植物纖維水泥基保溫砂漿的綜合性能優(yōu)于植物纖維陶砂保溫砂漿。Zhu等[42]認(rèn)為植物纖維復(fù)合材料的低導(dǎo)熱性主要是由于植物纖維是熱的不良導(dǎo)體，當(dāng)熱能垂直于纖維的方向流動時(shí)，纖維會起到阻礙熱傳播的作用。

3 植物纖維對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

3.1 凝結(jié)硬化

水泥需要在堿性環(huán)境下才能凝結(jié)硬化，研究表明，天然植物纖維中某些成分可能對混凝土的水化作用有一定負(fù)面影響。Gwon等[43]在研究纖維素微纖維時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著纖維素微纖維摻量的增加混凝土的凝結(jié)時(shí)間也會隨之延長，植物纖維素微纖維水泥的凝結(jié)時(shí)間如圖8所示，這種現(xiàn)象主要是由于植物纖維木質(zhì)素在堿性環(huán)境下的水解和半纖維素的部分溶解。無獨(dú)有偶，Sudin等[44]也發(fā)現(xiàn)，在竹纖維中含有的糖類能夠延緩水泥漿的凝結(jié)時(shí)間。Sedan等[45]則認(rèn)為纖維中的果膠可以形成含有鈣離子的復(fù)雜分子，引起混凝土凝結(jié)硬化的延遲。

圖8 植物纖維素微纖維水泥的凝結(jié)時(shí)間[43]Fig.8 Setting time of plant cellulose microfiber cement[43]

3.2 纖維/混凝土界面過渡區(qū)特性

混凝土和天然纖維的界面是多孔、帶裂縫的，同時(shí)富含氫氧化鈣晶體[46]，因此界面咬合力較弱。潘宜健[47]通過堿處理對不同浸泡時(shí)間的椰殼纖維進(jìn)行單絲拔出試驗(yàn)，不同浸泡時(shí)間的植物纖維/水泥石界面摩擦力如表3所示，浸泡時(shí)間越長表面越粗糙，相對應(yīng)的界面摩擦力越大，但同時(shí)過長時(shí)間的堿處理也會降低椰殼纖維的力學(xué)性能，浸泡5 h后的性能最優(yōu)。Li等[48]指出，植物纖維/水泥基質(zhì)界面過渡區(qū)的特點(diǎn)是高孔隙率，經(jīng)常在植物纖維周圍形成間隙，椰殼纖維-混凝土界面過渡區(qū)SEM照片如圖9所示。與普通混凝土一樣，過渡區(qū)厚度隨水灰比的增加而增加。高孔隙率可以通過纖維的極高初始吸水率來解釋，纖維和基質(zhì)之間的間隙則可以通過植物纖維的較高干燥收縮率來解釋。Bonnet-Masimbert等[49]通過混凝土中油棕纖維的拔出試驗(yàn)證明，與未經(jīng)處理的纖維相比，經(jīng)過處理的油棕纖維/混凝土具有更強(qiáng)的界面粘結(jié)強(qiáng)度，這是由于去除糖后形成了更粗糙多孔的纖維表面。

表3 不同浸泡時(shí)間植物纖維/水泥石界面摩擦力[47]Table 3 Interfacial friction stress of plant fiber/cement stone at different immersion time[47]

圖9 椰殼纖維-混凝土界面過渡區(qū)SEM照片[47]Fig.9 SEM image of coconut shell fiber-concrete interface transition zone[47]

3.3 內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用

混凝土養(yǎng)護(hù)是在混凝土澆筑后為膠凝材料水化提供所需的溫度和濕度而采取的相應(yīng)措施，以保證混凝土性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。養(yǎng)護(hù)過程中的濕度和溫度條件以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長短對混凝土水化速度、微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度發(fā)展和耐久性均會產(chǎn)生顯著影響[50]。劉玉瑩[51]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)竹纖維摻量為2.0 kg/m3時(shí)，相對于沒有添加竹纖維的砂漿開裂面積降低69%。張文瀟[52]提到植物纖維有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有親水性。植物纖維可以作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，在早期吸收自由水，為水泥水化反應(yīng)提供所需要的水分，進(jìn)而改善混凝土干燥收縮導(dǎo)致的開裂。

4 植物纖維增強(qiáng)混凝土性能提升的措施

提高植物纖維增強(qiáng)混凝土的耐久性，加強(qiáng)植物纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，是提升植物纖維增強(qiáng)混凝土性能的主要方法。目前，國內(nèi)外研究者采用的方法有兩種：一種是對混凝土基體進(jìn)行改性，目的是消耗水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)——Ca(OH)2；另一種是對植物纖維采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行改性，目的是改善纖維在混凝土基體中的穩(wěn)定性。

4.1 混凝土基體改性

4.1.1 基體碳化

根據(jù)研究表明，碳化可以使混凝土基體內(nèi)水化產(chǎn)生的Ca(OH)2與CO2快速反應(yīng)生成CaCO3，從而降低堿性Ca(OH)2含量，提高植物纖維增強(qiáng)混凝土的性能。Tonoli等[53]指出，加速碳化提高了劍麻纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，試驗(yàn)表明，混凝土的韌性及抗拉強(qiáng)度分別提升了80%和25%，并且降低了試樣的表觀孔隙率和吸水率。Soroushian等[54]也認(rèn)為，碳化養(yǎng)護(hù)降低了混凝土的孔隙率，使纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎強(qiáng)度得到改善。然而，碳化對提高植物纖維增強(qiáng)混凝土性能也有一定的局限性，Neves等[55]指出，早期碳化對劍麻纖維增強(qiáng)混凝土有降低孔隙率的作用，但干濕循環(huán)后的殘余力學(xué)性能波動較大，不能穩(wěn)定保持在一定范圍內(nèi)。因此，加速碳化的有效性，尤其是長期服役狀態(tài)下的有效性尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.1.2 添加活性膠凝材料

在混凝土中添加硅灰、偏高嶺土和高爐礦渣等活性膠凝材料可以提高材料的性能，作用機(jī)理是與水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化鋁硅酸鈣和水化硅酸鈣，可以有效降低基體堿性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，降低纖維的降解速度。Tolêdo Filho等[37]發(fā)現(xiàn)，用硅灰代替10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的普通硅酸鹽水泥制成的劍麻纖維增強(qiáng)混凝土在干濕循環(huán)加速老化試驗(yàn)后韌性損失率明顯降低；樊華等[56]用偏高嶺土替代部分水泥制備稻草纖維增強(qiáng)混凝土?xí)r，隨著偏高嶺土摻量的增加，稻草纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度呈增長趨勢，在偏高嶺土摻量為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，稻草纖維增強(qiáng)混凝土7 d、28 d的強(qiáng)度較對照組均有所提高，28 d抗壓強(qiáng)度提升了14.4%，28 d抗折強(qiáng)度提升了9.4%。然而，添加過量的活性膠凝材料可能會出現(xiàn)混凝土性能降低的情況，且過多的摻合料在工程中存在成本問題，因此要謹(jǐn)慎添加活性膠凝材料。

4.2 纖維改性

目前，纖維改性的方法主要分為物理和化學(xué)方法，包含熱處理、蒸汽爆破處理、等離子體處理、高能輻射處理、角質(zhì)化處理、堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理等。物理改性是通過改變纖維的結(jié)構(gòu)和表面性能，纖維的整體屬性保持不變，通過增強(qiáng)纖維和基體之間的機(jī)械咬合而使界面粘結(jié)性增強(qiáng)；化學(xué)改性是通過去除纖維成分，包括半纖維素、木質(zhì)素、果膠、脂肪和蠟，從而暴露纖維素并增加表面粗糙度和面積，從而改善界面粘結(jié)性。

4.2.1 物理改性

(1)熱處理

熱處理法是利用半纖維素?zé)峤鉁囟缺壤w維素低的特性，通過加熱的方法去除植物纖維中的半纖維素等物質(zhì)，并且在高溫條件下植物纖維中各成分之間發(fā)生某些反應(yīng)，改變植物纖維的結(jié)構(gòu)和表面性能[57]。Prasad等[58]將大麻纖維在空氣和惰性環(huán)境封閉容器中進(jìn)行熱處理，并將其力學(xué)性能與原始大麻纖維進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在惰性環(huán)境中處理的纖維整體拉伸強(qiáng)度和模量有所增加，而在空氣中處理的纖維整體強(qiáng)度降低，這是由于在空氣中纖維發(fā)生氧化；對于原始質(zhì)量相同的纖維，在熱處理過程中纖維的總數(shù)量會增加，惰性環(huán)境的增量高達(dá)32%，空氣環(huán)境的增量為39%，原因是纖維的直徑變小了。

(2)蒸汽爆破處理

蒸汽爆破工藝是一種熱機(jī)械化學(xué)處理方法，即蒸汽和相關(guān)試劑在高壓和高溫下穿透纖維。該過程分為兩個階段：木質(zhì)纖維素材料的加熱和爆炸減壓對材料的機(jī)械分解，同時(shí)伴隨著半纖維素組分的水解、木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的改變、結(jié)晶度指數(shù)的降低[59]。Sellami等[60]通過蒸汽處理明顯改善了植物纖維的力學(xué)特性，可以消除有機(jī)成分，特別是水溶性糖類，未經(jīng)處理前蘆葦纖維中水溶性糖類質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.78%，煮沸并清洗后下降到0.72%。消除糖類使纖維與水泥基體的反應(yīng)顯著改善，由此制備的混凝土與未加工的纖維制備的混凝土相比具有更高的耐久性，同時(shí)蒸汽處理后的植物纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能得到明顯提高。

(3)等離子體處理

等離子體改性是一種由中性粒子與高能帶電粒子組成離子體的綜合改性技術(shù)，依據(jù)等離子體對材料表面的活化作用以及表面刻蝕作用，所包含的多種高能活性粒子可以通過碰撞作用向材料表面的分子傳遞能量，引發(fā)材料表面分子間化學(xué)鍵的斷裂與重組，使其被成功電離或激發(fā)，從而達(dá)到活化材料表面、提高界面粘結(jié)性能的目的[61]。等離子體反應(yīng)改變了香蕉樣品的表面化學(xué)性質(zhì)，增加了纖維表面親水官能團(tuán)的含量，處理后的香蕉纖維在纖維表面的親水性和蒸餾水的擴(kuò)散方面有顯著改善[62]。

(4)高能輻射處理

高能輻射方法是使用電子束、γ射線、X射線和紫外線等高能射線輻照植物纖維。輻射的劑量不同，效果差異較大，從降解和解聚到輻照纖維素材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，含氧官能團(tuán)數(shù)量的增加讓各種試劑更容易進(jìn)入纖維素的結(jié)晶區(qū)域。李善明等[63]對高能微波預(yù)處理后松木材的彎曲性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)修正微波能量密度為31.56 kW·h/m3、微波功率為100 kW、加工速度為1.0 m/min時(shí)，得到最優(yōu)處理后木材的彎曲系數(shù)值為0.032(當(dāng)曲線系數(shù)值范圍為0.022～0.029時(shí)，曲線系數(shù)值越大，木材彎曲性能越好)。結(jié)果表明，適當(dāng)微波處理可以提高輻射松木材的彎曲性能。

(5)角質(zhì)化處理

角質(zhì)化處理是將天然纖維放入水中使其吸水飽和，然后將其放入烘箱中以合適的溫度干燥，該過程重復(fù)約10次。Claramunt等[64]發(fā)現(xiàn)一些超細(xì)纖維，例如軟牛皮紙漿和棉絨纖維，使用較少的干燥和再潤濕循環(huán)次數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)角質(zhì)化，有效促進(jìn)植物纖維微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而提升纖維性能的穩(wěn)定性。處理過程還使植物纖維細(xì)胞腔發(fā)生不可逆收縮和形成內(nèi)部氫鍵，從而降低親水性，增加剛度，并最終通過交替溶脹和干燥來增強(qiáng)纖維強(qiáng)度。同時(shí)，該工藝減小了纖維體積變化，從而增強(qiáng)了纖維與基體之間的粘結(jié)力。

4.2.2 化學(xué)改性

(1)堿處理

堿處理是最常用的化學(xué)處理方法之一。堿處理通過破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的氫鍵增加表面粗糙度，去除覆蓋纖維細(xì)胞壁外表面的部分木質(zhì)素、蠟和油，解聚纖維素并暴露短長度微晶。堿處理能降低纖維直徑，增加長徑比，使纖維表面變得更粗糙，有利于強(qiáng)化纖維和基質(zhì)之間的界面粘結(jié)[65]。盛莉[66]研究表明，養(yǎng)護(hù)28 d后，摻加NaOH溶液處理的稻草秸稈制備的混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度分別是未處理對比樣的2.1倍和2.4倍。Klerk等[67]通過單纖維拔出測試發(fā)現(xiàn)，在低濃度2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、6%和10%NaOH作用下，纖維強(qiáng)度增加，纖維基質(zhì)鍵得到改善，而較高濃度的NaOH(20%和30%)則對纖維結(jié)構(gòu)造成損害。

(2)硅烷偶聯(lián)劑處理

硅烷偶聯(lián)劑使植物纖維粘附在水泥基體上，從而穩(wěn)定復(fù)合材料。硅烷偶聯(lián)劑可以減少纖維-基質(zhì)界面中纖維素羥基的數(shù)量。在水分存在下，可水解的烷氧基使硅醇形成。然后，硅烷醇與纖維發(fā)生羥基反應(yīng)，細(xì)胞壁上形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，這些鍵被化學(xué)吸附到纖維表面，由于基質(zhì)和纖維之間的共價(jià)鍵合，通過硅烷提供的烴鏈產(chǎn)生交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來抑制纖維的膨脹[68]。程澤三[69]研究表明，硅烷偶聯(lián)劑處理后，植物纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提高，以摻量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、長度為20 mm的劍麻纖維為例，混凝土抗折強(qiáng)度由3.698 MPa提升至4.123 MPa，吸水率由9%減少至7%，耐久性提高。

4.2.3 組合處理

組合處理的方法是使用兩種或者多種方法來處理植物纖維。Akinyemi等[70]采用微波輔助氫氧化鈉(MT)、單用氫氧化鈉(AA)和熱水(HT)對竹纖維處理，發(fā)現(xiàn)MT處理后的拉伸強(qiáng)度分別比HT和AA處理后高24.32%和20%，MT處理后的抗彎強(qiáng)度較HT和AA處理后分別提高了54.5%～97%，因此使用微波輔助堿處理具有最佳改性效果。Bilba等[71]通過熱解-硅烷涂層組合處理甘蔗渣纖維，使甘蔗渣纖維增強(qiáng)混凝土凝結(jié)時(shí)間延長，提高了纖維的耐水性，使其更具疏水性。

5 結(jié)論與展望

在資源日益緊張的大背景下，對于綠色新型材料的探索迫在眉睫，而植物纖維作為一種廣泛存在的可再生資源，由于其潛在的優(yōu)異力學(xué)性能、易加工優(yōu)勢和環(huán)境效益，被越來越多的用作混凝土的增強(qiáng)材料。然而，植物纖維的親水性和與混凝土基體的不相容性限制了其在混凝土中的廣泛使用，進(jìn)行改性處理十分必要。主要結(jié)論與展望如下：

(1)劍麻、棉花、亞麻、大麻和竹等短纖維常被研究用于制備水泥復(fù)合材料，其中劍麻纖維和竹纖維對混凝土性能有良好的提升作用，應(yīng)用最為廣泛。

(2)為了提高纖維/混凝土界面的粘結(jié)力，已經(jīng)開發(fā)了各種化學(xué)、物理和組合改性方法，現(xiàn)有的研究主要是通過物理和化學(xué)的處理方法來探究植物纖維增強(qiáng)混凝土的性能，而對生物處理植物纖維的方法關(guān)注較少。

(3)如何在不增加生產(chǎn)成本的情況下進(jìn)一步提高植物纖維增強(qiáng)混凝土的耐久性和力學(xué)性能是進(jìn)一步研究中要解決的主要問題，也是進(jìn)一步節(jié)能減排、推動綠色生態(tài)的重要保障。

(4)改善植物纖維和混凝土相容性的處理方法也需要進(jìn)一步的優(yōu)化，從而滿足不同使用環(huán)境中混凝土工程應(yīng)用的需要。