纖維對(duì)脫硫建筑石膏性能的影響

歐陽(yáng)辰

濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 濟(jì)南 250002

1 背景與意義

近年來(lái)，隨著我國(guó)開(kāi)展了大規(guī)模的基建運(yùn)動(dòng)，居民的居住條件得到大幅改善，城鄉(xiāng)居民的人均居住面積從不足7m2分別增加至40m2和49m2，明顯高于日韓，僅次于英美等國(guó)[1,2]。然而，頻繁開(kāi)展的基建運(yùn)動(dòng)和城市擴(kuò)容更新過(guò)程往往伴隨著建筑材料的大量消耗，也帶來(lái)了能源消耗與環(huán)境污染等問(wèn)題[3,4]。選用合適的建筑材料解決建材生產(chǎn)和建筑施工領(lǐng)域的高能耗、高污染等問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。

相比于水泥120kg標(biāo)準(zhǔn)煤/噸和實(shí)心黏土磚的600kg標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)塊標(biāo)準(zhǔn)磚的生產(chǎn)能耗，建筑石膏以不足40kg標(biāo)準(zhǔn)煤/噸的生產(chǎn)能耗在能源經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。當(dāng)前天然石膏在開(kāi)采、運(yùn)輸過(guò)程中帶來(lái)的生態(tài)破壞和地表沉降等問(wèn)題已經(jīng)引起了重視，而脫硫石膏作為年產(chǎn)量最高的工業(yè)副產(chǎn)石膏，具有堆積量大、利用率提升空間大和低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)使其成為建筑石膏生產(chǎn)的主要原料來(lái)源。脫硫石膏建筑石膏及其制品在生產(chǎn)施工過(guò)程中的低能耗、低排放等的特點(diǎn)，符合節(jié)能減排的要求以及“碳中和”的新型環(huán)保理念，有利于實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益方面的三贏。

2 研究現(xiàn)狀

作為綠色建筑材料的石膏盡管擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，但石膏自身性能存在著諸多缺陷限制了其在建筑和建材領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。相比水泥等膠凝材料，石膏的強(qiáng)度偏低、抗沖擊性較差、易吸水而且耐水性不佳。另外，石膏與水泥同屬脆性材料，韌性較差，在材料失效方式方面往往表現(xiàn)為脆性斷裂，應(yīng)力達(dá)到峰值后殘余應(yīng)力迅速歸零，并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化或應(yīng)變軟化現(xiàn)象。因此，純石膏難以在物理、力學(xué)等性能方面勝任建筑材料的要求。

針對(duì)石膏、水泥等膠凝材料強(qiáng)度低、韌性差等特點(diǎn)，摻加纖維是有效的改性方式：纖維的摻入可通過(guò)抑制材料中微裂紋的產(chǎn)生和裂紋的發(fā)展來(lái)發(fā)揮對(duì)基體材料的強(qiáng)度、韌性和彈性模量等力學(xué)性能的提升作用。

金屬纖維、有機(jī)合成纖維等傳統(tǒng)纖維盡管憑借自身優(yōu)異的力學(xué)特性能夠較大幅度地提升復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性，但也帶來(lái)了生產(chǎn)能耗高、成本高、大氣與水體污染等問(wèn)題。相比之下植物纖維具有成本低、原料來(lái)源廣、取材方便、生產(chǎn)過(guò)程綠色環(huán)保且可自然降解等優(yōu)點(diǎn)，成為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)古老又嶄新的研究方向。

黃麻纖維屬于植物韌皮部纖維，主要成分為半纖維素、纖維素、木質(zhì)素以及少量的果膠等。黃麻纖維相比人造纖維，不僅擁有成本低、密度小和彈性佳等優(yōu)勢(shì)，而且具有較好的吸聲性能和一定的抗菌性，在汽車(chē)吸聲、家居服飾用料、建筑材料增強(qiáng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。此外，由于黃麻纖維屬于綠色植物纖維，不會(huì)對(duì)大氣、水體、人體產(chǎn)生污染與毒害，取材方便，而且相比劍麻纖維等其他植物纖維在原料成本和可加工性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此可視為理想的增強(qiáng)體材料。

無(wú)機(jī)纖維、金屬纖維和聚合物纖維擁有較高的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和較大的比表面積，在合適的纖維摻量下能夠有效提升石膏的力學(xué)強(qiáng)度、彈性模量、韌性以及抗裂性能，纖維在基體材料中主要通過(guò)減少裂紋的產(chǎn)生、抑制裂紋的擴(kuò)展以及橋接裂紋傳導(dǎo)載荷等機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能的提升。

要想獲得具有優(yōu)良力學(xué)性能的纖維增強(qiáng)石膏，作為增強(qiáng)體材料的纖維必須滿足低密度、高彈性模量、高拉伸強(qiáng)度以及相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性能等基本條件。PVA(聚乙烯醇)纖維是一類(lèi)能符合上述條件且能與基體材料之間良好結(jié)合的高性能聚合物纖維。

PP(聚丙烯)纖維也屬于有著輕質(zhì)、高強(qiáng)、低成本等優(yōu)勢(shì)的有機(jī)聚合物纖維，不同于屬親水性的PVA纖維，PP纖維屬于憎水纖維。重慶大學(xué)的Zhu等人的研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地對(duì)比分析了PP纖維和PVA纖維對(duì)建筑石膏的水化反應(yīng)、流動(dòng)性和力學(xué)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)PP纖維由于表面不像PVA纖維那樣含有眾多的親水基團(tuán)，因此摻入PP纖維的石膏漿料在纖維體積摻量較高時(shí)仍能較好地保持流動(dòng)性，但PP纖維增強(qiáng)石膏相應(yīng)的抗壓、抗折強(qiáng)度與斷裂韌性均顯著低于PVA纖維增強(qiáng)石膏。

聚烯烴纖維是包含乙烯、丙烯等多種烯烴單體的共聚物纖維，擁有光滑的表面和較高的彈性。Suárez等采用PP纖維(31μm)與兩種不同的聚烯烴纖維(0.92 mm)，來(lái)探究聚合物纖維對(duì)石膏斷裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)在較細(xì)的PP纖維摻入后，石膏的載荷在達(dá)到峰值載荷后不再迅速歸零，而是保持著一定的殘余應(yīng)力，纖維摻量為10kg/m3的石膏試樣比纖維摻量5kg/m3的試樣擁有更大的殘余應(yīng)力，采用長(zhǎng)度較短的聚烯烴纖維增強(qiáng)的石膏復(fù)合材料的荷載-位移曲線與聚丙烯纖維增強(qiáng)石膏相類(lèi)似。然而，隨著聚烯烴纖維長(zhǎng)度的增加，石膏的應(yīng)力在達(dá)到第一個(gè)峰值后繼續(xù)增加，在撓度為2mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的第二峰值應(yīng)力幾乎為第一峰值應(yīng)力的2倍。

金屬纖維作為擁有高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量和高熔點(diǎn)的功能性纖維，被廣泛用于尾氣進(jìn)化和建材增強(qiáng)，常見(jiàn)的金屬纖維包括鋼纖維、鎳?yán)w維和鋁纖維等。由于鋼纖維的密度較大，在漿體中易沉降，因此有必要選取密度較低的金屬纖維并探究低密度金屬纖維對(duì)石膏性能的影響。阿米爾卡比爾理工大學(xué)的Zargarnezhad和Mohandesi選用不同長(zhǎng)度(6mm、9mm、12mm)短切鋁纖維，將纖維呈隨機(jī)分布取向與石膏混合成型，并與經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理的鋁纖維增強(qiáng)石膏進(jìn)行性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在纖維摻量較低時(shí)，纖維越長(zhǎng)，相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度越高，但隨著纖維摻量的增大，不同纖維對(duì)拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)效果趨于一致。經(jīng)陽(yáng)極化處理的鋁纖維對(duì)石膏強(qiáng)度并不存在進(jìn)一步的提升，但能讓試樣強(qiáng)度不過(guò)快下降。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著對(duì)材料結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)一步深入和材料設(shè)計(jì)加工技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)機(jī)非金屬纖維由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和對(duì)惡劣環(huán)境較好的耐受性因而受到更多研究者的青睞。對(duì)于無(wú)機(jī)非金屬纖維這一概念的定義較為廣泛，包括了碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和無(wú)機(jī)非金屬納米纖維等。

昆明理工大學(xué)的趙彬宇等人用Origin軟件對(duì)摻入了不同長(zhǎng)度碳纖維的磷建筑石膏的抗壓/抗折強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)函數(shù)的擬合，并繪制出曲線輔以分析，所得出的結(jié)論如下：石膏的干抗壓、抗折強(qiáng)度均隨纖維體積摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，較長(zhǎng)的纖維由于與石膏之間存在更大的界面粘合力與機(jī)械鎖合力，不易拔出，因此能更好地提升石膏的抗折強(qiáng)度。

玄武巖纖維作為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維之一，具有強(qiáng)度高、耐酸耐堿、在極端條件下仍能保持自身的力學(xué)性能等特性，被廣泛用于水泥基和石膏基材料的改性增強(qiáng)。在提升石膏的耐水性能方面，使用玄武巖纖維來(lái)提升石膏的耐水性的效率較低。

硅灰石纖維作為偏硅酸鹽纖維的一種，其特殊的晶體結(jié)構(gòu)賦予了纖維良好的絕緣性和耐高溫性能。張?chǎng)蔚妊芯苛瞬煌L(zhǎng)徑比(13、15、20)的硅灰石纖維對(duì)建筑膠凝材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)硅灰石纖維的摻入使得石膏抗壓強(qiáng)度的一路降低，而石膏的抗折強(qiáng)度隨著長(zhǎng)徑比為13、15、20的纖維摻量的增加分別增加至3.3MPa、3.7MPa和3.5MPa的最高抗折強(qiáng)度，并在纖維摻量超過(guò)1.5wt%后開(kāi)始急劇下降，長(zhǎng)徑比為15的硅灰石纖維能夠發(fā)揮最好的抗折增強(qiáng)效果。

玻璃纖維作為石膏制品的主流增強(qiáng)纖維之一，玻璃纖維繁多的種類(lèi)和較優(yōu)的力學(xué)性能讓其在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中具有較高的研究?jī)r(jià)值。Martias等采用AR玻璃纖維和E玻璃纖維作為石膏基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，發(fā)現(xiàn)AR玻璃纖維僅能將石膏的抗折強(qiáng)度提升3~5%，而E玻璃纖維增強(qiáng)石膏的抗折強(qiáng)度相比空白組反而減少了1%。在石膏的彈性模量方面，玻璃纖維的摻入會(huì)損傷石膏的彈性模量。

由于傳統(tǒng)合成纖維生產(chǎn)過(guò)程中存在的能耗高、污染大以及對(duì)人體健康存在不利影響，因此有必要選擇合適的植物纖維作為增強(qiáng)材料的替代品。目前已經(jīng)有部分合成纖維被天然纖維所取代，相比于傳統(tǒng)纖維，植物纖維具有低成本、易加工、無(wú)毒無(wú)害等特性，是理想的替代或半替代品。

麻纖維是分布于植物的莖稈與韌皮部位中的植物纖維束，包括黃麻纖維、劍麻纖維、大麻纖維、蕉麻纖維和苧麻纖維等，擁有較強(qiáng)的吸濕、保溫性能，被廣泛用于紡織、造紙等領(lǐng)域。

黃麻纖維價(jià)格低、吸聲性強(qiáng)、生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染且具有一定的力學(xué)性能，是理想的綠色纖維增強(qiáng)材料。邵孝洵發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加黃麻纖維的摻量能夠提高石膏刨花板的強(qiáng)度，但過(guò)多的黃麻纖維反倒會(huì)對(duì)石膏板的斷裂模數(shù)和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。3mm長(zhǎng)的黃麻纖維在合適的摻量下能提升石膏板的膠合強(qiáng)度，而摻入12mm長(zhǎng)黃麻纖維的石膏板擁有最高的斷裂模數(shù)值。

大麻纖維由于具有對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求不高、生長(zhǎng)周期短以及高產(chǎn)量等特性被視為擁有廣泛應(yīng)用前景的天然纖維增強(qiáng)材料。為克服短切纖維增強(qiáng)石膏存在的諸多缺陷，Boccarusso等人使用大麻纖維織物與石膏制備相應(yīng)的復(fù)合材料，通過(guò)改變纖維在石膏中的分布位置和纖維面密度來(lái)研究大麻纖維織物對(duì)石膏性能的影響。結(jié)果表明：大麻纖維織物增強(qiáng)石膏基復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于短切大麻纖維增強(qiáng)石膏；同時(shí)，使用兩層纖維織物在基體中呈上下分布的石膏試樣的抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到了6.74 MPa；在衡量石膏抗沖擊性能的斷裂吸收能方面，纖維織物能使石膏斷裂吸收能從空白試樣的9.3J增加至單層纖維增強(qiáng)石膏的31.47J和雙層纖維增強(qiáng)石膏的39.72J，分別增加了2.4倍和3.3倍。

產(chǎn)自菲律賓的馬尼拉麻纖維不僅耐海水腐蝕，強(qiáng)度上也是植物纖維中的佼佼者。Iucolano等人使用馬尼拉麻纖維作為石膏基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，并采用自來(lái)水、NaOH溶液和NaOH+EDTA混合液浸泡等方法對(duì)馬尼拉麻纖維進(jìn)行改性，并對(duì)改性后的纖維和纖維增強(qiáng)石膏進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，獲得的結(jié)論如下：1)水浸處理是提升纖維在纖維拔出-拉伸試驗(yàn)中的最大拉伸載荷的最有效的處理方法，能將對(duì)應(yīng)載荷從2.4N提升至4.42N；2)單純的馬尼拉麻纖維增強(qiáng)石膏的抗折強(qiáng)度相比空白試樣難以有效提升。

與黃麻纖維類(lèi)似，劍麻纖維擁有的可比強(qiáng)度高、成本低、回收性好等優(yōu)勢(shì)因此被考慮為理想的天然纖維增強(qiáng)材料。Al-Ridha等將長(zhǎng)度為10mm和30mm的劍麻纖維與石膏干混均勻后與水混合成型，成型后的試樣經(jīng)養(yǎng)護(hù)后測(cè)其力學(xué)性能。測(cè)試的結(jié)果表明纖維摻量為1wt%的石膏復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度明顯高于纖維摻量為2wt%的石膏復(fù)合材料，而長(zhǎng)度為30mm的劍麻纖維在摻量為1wt%時(shí)可使石膏的抗壓強(qiáng)度取得最大值(17.22MPa)。

秸稈是農(nóng)作物收獲后殘留的莖葉部分，我國(guó)每年的秸稈產(chǎn)量就在7億噸以上，目前尚未有較系統(tǒng)的秸稈回收利用方案。秸稈纖維被用作石膏、樹(shù)脂基材料中的增強(qiáng)材料。

竹纖維作為六大天然纖維中的一類(lèi)，殺菌性好于木纖維，其比強(qiáng)度和比模量甚至優(yōu)于玻璃纖維。Xie等用竹原纖維作為水泥基材料的增強(qiáng)體并對(duì)比了空白組和摻加4~16wt%竹原纖維的水泥基材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)雖然竹原纖維難以提升水泥材料的抗彎強(qiáng)度，但竹纖維增強(qiáng)試樣的載荷達(dá)到峰值后下降較為緩慢，說(shuō)明竹原纖維的加入增加了復(fù)合材料的延展性，并且竹原纖維能將材料的撓度和斷裂韌性分別提升至原來(lái)的3.5-22倍和3.7-46.9倍。

椰殼纖維的主要由木質(zhì)素、纖維素和果膠等組成，椰殼纖維由于其價(jià)格低廉、彈性好和抗震性佳等特點(diǎn)被廣泛用于汽車(chē)座椅和纖維增強(qiáng)膠凝材料等領(lǐng)域。黃小琴等以椰殼纖維作為增強(qiáng)體，將水灰比分別設(shè)置為1和0.8，來(lái)探究水灰比和椰殼纖維摻量對(duì)水泥砂漿性能的影響。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合材料的密度和抗壓強(qiáng)度均隨著纖維摻量的增加而急劇降低，但水泥砂漿的抗折強(qiáng)度卻相對(duì)平緩。此外，將椰殼纖維置于開(kāi)水中煮沸后再與水泥、細(xì)骨料和水成型，可令砂漿的力學(xué)強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提升。

3 未來(lái)的研究方向

傳統(tǒng)建筑材料存在能耗高、污染大等缺點(diǎn)，在節(jié)能減排的要求下以及隨著“碳達(dá)峰，碳中和”等新型環(huán)保理念的普及，大量應(yīng)用高能耗高污染的建筑材料顯得更加不合時(shí)宜。采用生產(chǎn)成本低、堆積量大的脫硫建筑石膏，并且使用成本較低、無(wú)污染的黃麻纖維用于石膏的增強(qiáng)增韌符合綠色建筑的理念。

今后的主要研究方向可以集中在如下幾個(gè)方面：首先，改性黃麻纖維、黃麻纖維與其他纖維組成的混摻纖維可以用于石膏增強(qiáng)，側(cè)重于增強(qiáng)材料的力學(xué)性能；其次，可以協(xié)同利用工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生的大量固體廢棄物，如電石渣、粉煤灰和煤矸石等，采用部分工業(yè)固體廢棄物+脫硫建筑石膏組成的復(fù)合建筑膠凝材料既可以降低部分成本又可以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源化利用。第三，由于部分纖維屬于天然纖維，其性能與植物的生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)，即使是產(chǎn)于不同地區(qū)的同種植物纖維在物理、力學(xué)性能方面或許存在顯著差異，因此有必要針對(duì)來(lái)自不同產(chǎn)地的植物纖維對(duì)石膏性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究并綜合分析，嘗試總結(jié)出一般性的規(guī)律。