植物纤维混凝土的研究现状

浅析纤维材料应用于建筑混凝土的前景混凝土是一种以水泥、水、砂石等粗细骨料以及一些外添加剂均匀混合搅拌而成的人造石材，由于价格低廉、原材料广泛、施工方便以及极好的力学性能等突出优点被广泛应用于建筑行业的各个领域。

在施工技术不断发展和建筑理念不断更新的形势下，普通的钢筋混凝土已经无法满足建筑行业对混凝土材料性能的要求。

通常我们会选择在砂浆中掺入外加剂和掺合料以达到改善混凝土性能的目的。

而事实上，许多外加剂的使用会受到来自各方面的限制。

纤维混凝土作为一种新型复合材料，不但能够有效改善混凝土的性能，而且安全环保、经济无害，随着对纤维混凝土的深入研究，它的应用前景也越来越广阔。

一.可有效改善混凝土性能纤维混凝土是一种以掺量较低的短纤维为次要增强体，采用浇筑或者喷射工艺按照三维或二维乱向均匀分布于混凝土内部的一种新型复合材料。

目前常用的纤维材料有：玻璃纤维、矿棉、钢纤维、碳纤维和各种有机合成纤维。

研究纤维混凝土的出发点，必然是出于对改善混凝土性能的考虑，而掺入纤维的混凝土性能也确有改善。

通常情况下，将短细的钢纤维均匀的掺入到混凝土中具有明显的阻裂、增韧和增强的作用。

混凝土在成型过程中，会产生大量的水化热，而由于热胀冷缩的效应，在脱水后则会发生收缩，由于各原料之间的收缩程度不同，混凝土内部出现拉应力，最终产生不同程度的裂缝。

纤维作为一种柔韧性较高的材料掺入混凝土后，可以在混凝土中形成二维或者三维的网状结构，提高了各原料之间的连接作用，从而增强混凝土的阻裂能力。

此外，如在混凝土中掺入聚丙烯纤维，由于其具有良好的延展性，当混凝土出现意外开裂现象时，聚丙烯纤维能横跨在裂纹表面，限制裂纹的进一步扩展，使混凝土的韧性得到提高。

同时，纤维的掺入细化了混凝土内部的孔隙结构，使其内部结构更加致密以达到增强抗剪、抗拉、抗弯以及抗冲击等的效果。

就研究最早，应用效果最为明显的钢纤维来讲，掺入钢纤维的混凝土一般可以提高到混凝土原来抗拉强度的2倍左右;抗弯强度可提高1.5～2.5倍;抗冲击强度可提高5倍以上，甚至可达到20倍;而韧性甚至可达100倍以上。

新型建筑材料植物纤维混凝土的应用近年来，随着人们对环境保护和可持续发展的关注日益增加，对新型建筑材料的需求呈现出快速增长的趋势。

在这一背景下，植物纤维混凝土作为一种新型建筑材料开始受到广泛关注和应用。

本文将重点介绍植物纤维混凝土的特点、应用领域以及与传统混凝土相比的优势。

一、植物纤维混凝土的特点植物纤维混凝土是一种以植物纤维为主要添加剂，并与水泥、砂、骨料等材料混合制成的新型建筑材料。

相比于传统混凝土，植物纤维混凝土具有以下特点：1. 环保可持续性：植物纤维混凝土的生产过程中，采用植物纤维代替部分传统填料，减少了对自然资源的依赖，实现了资源的可持续利用；同时，植物纤维的生物降解性使得混凝土在使用寿命结束后可进行自然分解，减少了对环境的污染。

2. 耐久性和抗裂性增强：植物纤维具有较高的拉伸强度和韧性，能够有效增强混凝土的耐久性和抗裂性，降低混凝土的开裂倾向，提高建筑物的结构稳定性。

3. 减重节能：植物纤维混凝土相比于传统混凝土具有较轻的密度，可以减轻建筑物的自重负荷，降低地基压力，节省建筑材料的使用量；此外，植物纤维的导热性较低，能够有效降低建筑物的热传导，提高建筑的保温性能。

二、植物纤维混凝土的应用领域植物纤维混凝土凭借其独特的特点，在建筑领域中有着广泛的应用。

以下列举几个主要的应用领域：1. 墙体建筑：植物纤维混凝土可以应用于墙体的制造，因其良好的隔声和保温性能，能够提供更好的居住环境。

2. 屋面和地板：植物纤维混凝土可用于屋面和地板的构造，其较轻的密度降低了屋顶和楼板的自重负荷，减轻了结构的压力。

3. 道路和桥梁：植物纤维混凝土在道路和桥梁建设中也有广泛应用，其优异的韧性和抗裂性能能够提高道路和桥梁的承载能力和耐久性。

4. 水槽和水池：植物纤维混凝土具有较好的耐水性能，可用于制造水槽和水池，对于提高水池的密封性和防水性有着显著效果。

三、植物纤维混凝土的优势相比于传统混凝土，植物纤维混凝土具有以下优势：1. 轻质化：植物纤维混凝土的密度较低，可以有效减轻建筑物的自重负荷，降低结构造价。

混凝土中添加植物纤维的效果分析1. 引言混凝土是一种广泛应用于建筑、道路和桥梁等基础设施的材料。

随着对环境保护和可持续性的重视，混凝土的可持续性也越来越受到关注。

添加植物纤维是一种提高混凝土可持续性的方法，本文将对添加植物纤维对混凝土性能的影响进行分析。

2. 植物纤维的种类植物纤维是指从植物中提取的纤维素或半纤维素。

常见的植物纤维有木材纤维、稻草、麻绳、棉花、亚麻等。

这些植物纤维都有不同的特性和用途，可以根据混凝土的需要选择不同的植物纤维。

3. 添加植物纤维对混凝土性能的影响3.1. 强度添加植物纤维可以提高混凝土的拉伸强度和抗裂性能。

植物纤维的加入可以增加混凝土的韧性，使混凝土更加耐久。

同时，植物纤维可以防止混凝土的龟裂和开裂，提高混凝土的抗震性能。

3.2. 密度添加植物纤维可以降低混凝土的密度。

植物纤维的加入减少了混凝土中的水泥用量，从而减轻了混凝土的重量。

这不仅节省了原材料，还减少了运输成本。

3.3. 耐久性添加植物纤维可以提高混凝土的耐久性。

植物纤维可以减少混凝土中的裂缝和缺陷，从而减少了空气和水分进入混凝土的机会。

这样可以减缓混凝土的老化速度，延长混凝土的使用寿命。

3.4. 施工性能添加植物纤维可以提高混凝土的施工性能。

植物纤维的加入可以使混凝土更易于施工和振捣。

同时，植物纤维可以减少混凝土的收缩和变形，使混凝土更加均匀。

4. 植物纤维的应用4.1. 道路和桥梁添加植物纤维可以提高道路和桥梁的耐久性和抗震性能。

这对于公路和铁路的安全和可靠性都有着重要的意义。

4.2. 建筑添加植物纤维可以提高建筑的抗震性能和耐久性。

这对于高层建筑和大型公共设施的安全和稳定性都有着重要的意义。

4.3. 土木工程添加植物纤维可以提高土木工程的耐久性和抗震性能。

这对于大型水利工程和能源工程的安全和可靠性都有着重要的意义。

5. 结论添加植物纤维是一种提高混凝土可持续性的方法。

植物纤维的加入可以提高混凝土的强度、耐久性和施工性能，降低混凝土的密度，同时还可以节省原材料和运输成本。

浅谈纤维混凝土的性能和现状【摘要】随着现代社会的发展，混凝土用量的增加，为满足混凝土耐久性、韧性的要求，各国开始了对纤维混凝土的研究和发展。

本文对比了纤维混凝土和普通混凝土之间的特性，并对纤维混凝土的研究现状进行了分析和总结。

【关键字】普通混凝土纤维混凝土研究现状引言自从19世纪前期混凝土诞生以来，由于其原料来源广，成本低，生产简单且抗压性能较好等原因，使得普通混凝土得以迅速发展，目前已成为全世界用量最广的人工材料，并且在未来相当长的时间内也很难有其他材料取代它。

然而由于混凝土是一种多孔脆性材料，因此在现代社会向高层、大跨度建筑发展的过程中，普通混凝土的弊端逐渐显现出来，从而限制了其使用的范围。

1.普通混凝土普通混凝土是水泥、水和骨料等原材料经搅拌后入模浇筑，并经养护硬化后做成的人工石材，其具有以下缺点：(1)普通混凝土虽抗压强度较高，但抗拉强度较低，约为抗压强度的1/10左右，因此普通混凝土构件仅适用于受压部位；尽管近代预应力混凝土的发展，但是仍未改变其本身性质，预应力混凝土在正常使用情况下，仍会出现开裂现象。

(2)由于普通混凝土的开裂，使得空气和水蒸气进入混凝土，加快了内部钢筋的腐蚀，所以导致普通混凝土构件耐久性较差。

(3)普通混凝土是脆性材料，其冲击韧性和变形能力较差，导致抗震性能差，脆性断裂不仅使得材料性能不能得到充分发挥，而且还易造成工程事故。

(4)普通混凝土由于其密度较大，导致混凝土构件一般自重较大，构件尺寸较大，加大了钢筋的用量，也限制了混凝土向高层、大跨建筑的发展。

(5)普通混凝土是多孔材料，因此其渗透性较大，从而导致其抗冻性和耐久性明显降低。

因此由于混凝土的以上缺点，使得混凝土结构需要大量的维修费用，其维修费用有时甚至可能超过其建造费用，特别是处于潮湿环境下的构件，其使用寿命更是远远短于预计设计的寿命。

有些混凝土建筑仅仅修建了几年后就需进行不断的维修，其造成的经济损失巨大，因此对混凝土耐久性的研究不仅仅关乎构件的经济性和适用性，更是业界人士的共同话题。

混凝土中添加植物纤维的影响研究一、研究背景和意义混凝土是建筑工程中常用的材料之一，是由水泥、砂、石等材料组成的，具有高强度、耐久性好等优点。

然而，混凝土的抗裂性和抗冲击性等方面仍然存在一些局限性，特别是在极端环境下的应用受到制约。

因此，近年来，人们开始研究如何通过添加一些特殊的材料来改善混凝土的性能。

植物纤维是一种天然的、环保的材料，具有较高的强度和韧性，可以增加混凝土的韧性和抗裂性。

因此，将植物纤维添加到混凝土中已成为一种新的研究方向。

此外，植物纤维还可以减小混凝土的自重，降低建筑物的造价，在节能减排和环境保护方面具有重要的意义。

二、添加植物纤维的影响1.力学性能植物纤维的添加可以显著改善混凝土的力学性能。

研究表明，添加适量的植物纤维可以提高混凝土的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度。

同时，植物纤维还可以提高混凝土的韧性和耐久性，减小混凝土的裂缝和变形。

2.耐久性植物纤维的添加也可以提高混凝土的耐久性。

研究表明，添加适量的植物纤维可以提高混凝土的抗冻融性和耐久性，减小混凝土的碳化和氯离子渗透。

这些改善可以延长混凝土的使用寿命，并减少维护和修缮的成本。

3.施工性能植物纤维的添加还可以提高混凝土的施工性能。

研究表明，添加适量的植物纤维可以提高混凝土的流动性和可塑性，减少混凝土的收缩和龟裂。

这些改善可以提高混凝土的施工效率和质量，降低施工成本。

三、影响因素和适宜用量1.影响因素植物纤维的添加量、类型、长度和分散度等因素都会影响混凝土的性能。

研究表明，添加量和长度适宜的植物纤维可以显著提高混凝土的力学性能和耐久性，而类型和分散度等因素的影响比较复杂，需要进一步研究。

2.适宜用量适宜的植物纤维添加量是保证混凝土性能的关键。

研究表明，添加量过少不能有效改善混凝土的性能，而添加量过多会导致混凝土的流动性变差，甚至影响混凝土的强度和耐久性。

因此，需要选择适宜的添加量来保证混凝土的性能。

四、应用前景和展望植物纤维的添加已成为改善混凝土性能的一种新途径。

河南建材2021年第3期纤维混凝土复合材料的研究现状及发展前景姜赶超1陈玉21武汉市规划设计有限公司(430000)2重庆长厦安基建筑设计有限公司武汉分公司(430000)摘要:纤维混凝土是一种新型的复合材料,是当代混凝土改性研究的一个重要成果。

在混凝土中掺入细的、短切乱向均匀分布的纤维，可以明显起到防裂、增强和增韧效果。

由于纤维混凝土具有一系列优越的性能，因而受到国内外学者的极大关注，并广泛应用于工程领域。

文章简述了各类纤维混凝土的应用领域、增强机理、研究现状和发展前景。

关键词:纤维混凝土;钢纤维;碳纤维;玻璃纤维；合成纤维试研究1纤维混凝土的研究现状工程建设标准化协会于1992年批准颁布了由大连理工大学等单位编制的《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》(CECS38：92),对推广应用钢纤维混凝土起到了重要作用。

武汉东洲钢纤维发展有限责任公司、武汉理工大学及湖北省恩施州交通局等单位共同研究开发了一种上、下层布式钢纤维混凝土路面，在降低钢纤维混凝土路面造价和简化施工工艺方面取得了图2是纯贝壳粉及改性贝壳粉样品的XRD图。

由图可知,贝壳粉在15。

耀60。

特征峰明显，主要成分为方解型CaCO3在29.7。

、39.9。

、48.3。

和57.5。

等位置分别对应方解型碳酸钙的(104)、(113)、(018)、(112冤晶面，同时还有部分为Ca(OH)2在27.5。

、33.8。

等位置分别对应氢氧化钙(001)、(011)晶面。

产生部分氢氧化钙可能是样品暴露在空气中与空气中的水蒸气反应的结果。

经过硅烷偶联剂以及钛酸酯偶联剂表面改性过的贝壳粉,其成分及晶型几乎没有发生改变,说明这两种偶联剂仅对贝壳粉的表面产生作用。

图3改性前后的SEM重要突破,属国内首创。

武汉理工大学的李卓球等于1998年首次提出了碳纤维混凝土的Seebeck效应,并于2001年系统地研究了碳纤维混凝土和素混凝土的力电机敏性,开展了基于力电效应的机敏混凝土结构应用研究[1]o2纤维混凝土的种类及其主要应用领域2.1钢纤维混凝土2.1.1简介钢纤维混凝土(STEEL FIBER REINFORCED图3为改性后贝壳粉的扫描电镜,贝壳粉边角变得圆润并且均匀分散,团聚现象明显减少。

水泥与混凝土生产Cement and concrete production14植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展与应用许秀颖边加保李慧源（北京交通大学海滨学院，河北黄骅061100）中图分类号：TQ172 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2019）10-0014-01摘要：在建筑工程中，水泥作为混凝土的重要原材料，其自身质量直接影响到混凝土的施工质量。

为了有效抑制混凝土裂缝的发展，可将植物纤维应用于水泥之中，植物纤维的长径比及比表面积较大，并且具有较高的比强度，通过植物纤维的应用，以此研发增强水泥基复合材料，能够有效节约混凝土造价，同时也有助于环境保护。

鉴于此，本文便对植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用进行深入研究。

关键词：植物纤维；水泥基；复合材料；研究进展0 引言在应用水泥来拌和混凝土时，因混凝土在初凝及终凝过程中会受到结构荷载及环境的影响，进而使混凝土表面出现微裂缝，这些微裂缝需要进行严格的抑制，否则势必会进一步发展，从而严重影响混凝土的美观性，甚至还会威胁到结构安全。

为了提高混凝土的施工质量，人们尝试在混凝土中利用各种纤维来增强其性能表现，并由此产生了一系列的科研成果，如钢纤维增强混凝土技术、聚丙烯纤维增强混凝土技术等。

不过，由于钢纤维容易受到环境影响而发生锈蚀，同时玻璃纤维、钢纤维等的造价较为昂贵，这不利于工程成本的节约。

而植物纤维作为一种价格低廉且来源丰富的高分子材料，将其应用到混凝土之中，以此研发出增强水泥基复合材料，则可有效解决造价昂贵问题，同时也有助于对自然生态环境的保护。

1 植物纤维组成及其材料增强作用植物纤维的主要组成包括半纤维素、纤维素、蜡质、果胶以及木质素，在植物纤维中，半木质素及木质素在其中主要起到黏合剂的作用。

并且，木质素含量的高低，还会对植物纤维的性能表现及结构组织产生直接影响。

纤维素含量及其纤维轴和原纤的旋转角度会对植物纤维的硬度及强度产生决定性影响，通常来说，原纤和纤维轴所形成的夹角越大，则说明植物纤维在硬度及强度上的表现就越差。

植物纤维增强混凝土耐久性能分
析
植物纤维增强混凝土耐久性能分析
植物纤维增强混凝土是一种利用植物纤维作为增强材料的新型混凝土。

它具有许多优点，如较低的成本、较高的强度和更好的耐久性能。

下面将逐步分析植物纤维增强混凝土的耐久性能。

首先，植物纤维增强混凝土具有良好的抗裂性能。

植物纤维可以在混凝土中形成一个网状结构，有效地抵抗混凝土的开裂。

这种网状结构可以防止混凝土在受力时出现裂缝，并且能够分散和吸收外部载荷，从而减小混凝土的应力集中现象。

其次，植物纤维能够提高混凝土的抗冻融性能。

在低温环境下，植物纤维可以吸收和扩散混凝土中的水分，减少混凝土的冻融体积变化。

此外，植物纤维还可以阻碍冻融循环中冻水产生的压力，减少混凝土的损坏。

第三，植物纤维可以提高混凝土的耐久性。

植物纤维可以吸收和分散混凝土中的溶解氧、二氧化碳和其他有害物质，减少它们对混凝土的侵蚀。

此外，植物纤维还能够降低混凝土的渗透性，减少水分和盐分的渗入，从而延长混凝土的使用寿命。

最后，植物纤维还可以提高混凝土的抗火性能。

植物纤维可以在高温下保持其结构完整性，防止混凝土的热胀冷缩。

此外，植物纤维还能够吸收和分散热能，减缓温度的升高速度，从而延缓混凝土的破坏。

综上所述，植物纤维增强混凝土在耐久性能方面具有许多优势。

它可以提高混凝土的抗裂性能、抗冻融性能、抗侵蚀性能和抗火性能。

因此，在工程实践中，采用植物纤维增强混凝土可以提高混凝土结构的耐久性，延长其使用寿命。

第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状姜德民,徐浩东,康红龙,胡思宇(北方工业大学土木工程学院,北京㊀100144)摘要:作为一种新型绿色环保建筑材料,植物纤维增强水泥基复合材料受到了广大科研人员的青睐,但目前仍面临着众多问题㊂本文归纳总结了在植物纤维增强水泥基复合材料研究中的三大主要问题 植物纤维的高吸水率㊁植物纤维在水泥基复合材料中的劣化以及植物纤维对水泥基复合材料的阻凝作用,分析了造成这些问题的主要原因,列举了常见的改性方法并深入阐述了相应的改性机理及研究现状,最后展望了植物纤维增强水泥基复合材料的研究前景,以期为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂关键词:水泥基复合材料;耐久性;植物纤维改性;力学性能;资源化中图分类号:TU528.572㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0387-10Problems Faced by Plant Fiber Reinforced Cement-Based Composites and Research Status of Its Related ModificationJIANG Demin ,XU Haodong ,KANG Honglong ,HU Siyu(Faculty of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract :As a new type of green environmental protection building materials,plant fiber reinforced cement-based composites have been favored by many researchers,but there are still many problems.Three main problems in the study of plant fiber reinforced cement-based composites were summarized,namely,the high water absorption of plant fiber,the deterioration of plant fiber and the anticoagulation effect of plant fiber in cement-based composites.The main causes of these problems were analyzed.The common modification methods were listed and the corresponding modification mechanism and research status were described in detail.In the end,the research prospect of plant fiber reinforced cement-based composites was prospected,which provides reference for the resource utilization of plant fiber in the future.Key words :cement-based composite;durability;plant fiber modification;mechanical property;resource收稿日期:2023-09-21;修订日期:2023-11-20基金项目:北京市自然科学基金(2172021)作者简介:姜德民(1968 ),男,博士,教授㊂主要从事植物纤维保温混凝土的研究㊂E-mail:jdm2004@通信作者:徐浩东,硕士研究生㊂E-mail:1596186323@ 0㊀引㊀言水泥基材料是建筑行业的支柱型原材料,发展至今已经有200多年的历史,如今水泥行业的飞速发展造成的环境问题不容小觑㊂据统计[1],水泥生产㊁火力发电和冶金制造是我国三大大气污染主要来源,其中水泥生产所带来的污染占比最大,每生产1t 水泥将排放0.95t CO 2,整个水泥行业所排放的CO 2占全球总排放量的5%~8%[2]㊂因此,在建筑行业,环境友好的新型建材的研发越来越受到重视㊂纤维水泥制品是水泥制品行业的重要组成部分,纤维的加入能够提高水泥基材料的韧性㊁抗裂性以及耐久性等性能[3],纤维可分为天然纤维(棉纤维㊁麻纤维㊁毛纤维)和人造纤维(聚酯纤维㊁尼龙㊁钢纤维)[4]㊂植物纤维属于天然纤维,作为一种宝贵的可再生资源,植物纤维的应用前景广阔且潜力十足㊂有些植物纤维的抗拉强度要高于人造纤维(如聚丙烯纤维),毛竹纤维㊁洋麻纤维的单根抗拉强度甚至可达上千兆帕[5]㊂此388㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷外,在混凝土中添加植物纤维能在一定程度上抑制材料微裂缝的产生,使材料的抗渗㊁抗冻融性能增强,韧性得到提高[6]㊂近年来,不少科研人员都投入到植物纤维增强水泥基复合材料(plant fiber reinforced cement-based composite,PFRCC)的研究中㊂PFRCC 的研究意义在于:1)植物纤维复合材料有着一定的可降解性[7],将其应用在建筑材料上能够减轻建筑垃圾的回收处理负担;2)植物纤维有着优秀的抗拉性能,同时还是一种绿色可再生资源,其生产过程不会产生污染;3)在PFRCC 中加入植物纤维能够取代部分水泥,通过减少水泥的使用来减轻环境负担㊂但是从植物纤维的化学组成上来看,它并不适合直接添加到水泥基材料中㊂一方面,植物纤维中存在着大量羟基,与水泥进行拌和时,植物纤维会大量吸收自由水导致水灰比降低[8],影响材料的强度,甚至会导致混凝土内部缺陷增多[9]㊂另一方面,植物纤维会在碱性环境下发生降解行为,这大大损伤了植物纤维的物理机械性能[10]㊂另外,植物纤维中存在的半纤维素和木质素会在水溶液或碱性溶液中析出并发生水解,水解产物会阻碍水泥水化[11]㊂因此,如何更好地发挥植物纤维自身优势,提高植物纤维与水泥基材料的相容性,以及提高PFRCC 拌合物的和易性和硬化后的耐久性是推进植物纤维资源化利用的首要任务[12]㊂目前,大量研究[13-15]表明,对植物纤维进行改性处理可以有效提高PFRCC 的性能㊂常用的改性方法有碱处理㊁乙酰化处理㊁硅烷偶联剂处理㊁沸煮处理等方法,这些方法都是以提高植物纤维与水泥基材料之间的相容性㊁增强植物纤维抗碱性侵蚀能力等为目标㊂本文将从植物纤维基本的物理化学特性出发,详细阐述植物纤维在水泥基材料中的劣化机理以及针对植物纤维的不同改性方法,为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂1㊀植物纤维的构造以及化学组成1.1㊀植物纤维的构造图1㊀植物纤维基本纤维束Fig.1㊀Plant fiber basic fiber bundle 一个单一的植物纤维是由多个(通常10~30个)基本纤维束通过胞间层的果胶物质连接构成,具体如图1所示[16],基本纤维束由外到内可分成三层:胞间层㊁初生壁㊁次生壁㊂最外层是胞间层,含有果胶㊁半纤维素和木质素;中间层是初生壁,含有纤维素和半纤维素;最内层是次生壁(包括S1㊁S2和S3),主要由纤维素构成[17],其中次生壁S2的厚度占整个细胞壁厚度的80%,对植物纤维的力学性能起主要作用[18]㊂图2和图3是植物纤维初生壁和次生壁的示意图[19]㊂初生壁很薄,厚度0.1~0.3μm,其纤维素的含量很低且较为分散,亲水性较强㊂次生壁是较厚并且完全分化的细胞壁,含有大量十分密集且相互平行的纤维素,纤维素不仅十分密集而且相互平行,为植物纤维突出的拉伸性能提供了有利条件[19]㊂图2㊀植物纤维初生壁示意图Fig.2㊀Schematic diagram of the primary wall of plantfiber 图3㊀植物纤维次生壁示意图Fig.3㊀Schematic diagram of the secondary wall of plant fiber㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状389 1.2㊀植物纤维的化学组成植物纤维的主要化学组成是纤维素㊁半纤维素和木质素,它们在不同种类的植物纤维中占比不同,也与植物生长所处的土壤和气候环境有关[20]㊂例如,椰壳纤维中纤维素含量约32%(文中均为质量分数),半纤维素含量约0.15%,木质素含量约40.45%[21]㊂而棉纤维纤维素的含量约85%(是椰壳纤维纤维素含量的2~3倍),半纤维含量约5.7%,木质素含量则极低[22]㊂纤维素是植物纤维中占比最多的成分㊂纤维素的化学分子式如图4[17]所示,它是由数千个葡萄糖分子组成的长链,含有44.4%的碳㊁6.2%的氢和49.4%的氧,相对半纤维素和木质素来说受碱和稀酸的影响较小[23]㊂植物纤维机械强度的高低与纤维素含量有关,也取决于纤维素微纤丝与纤维轴向的夹角(微原纤维角)[24]㊂图4㊀纤维素分子式Fig.4㊀Cellulose molecule半纤维素是植物纤维中第二大组成成分,化学分子式如图5[17]所示,它是由几种类型不同的单糖构成的异质多聚体㊂半纤维素有亲水性,吸水会润涨细胞壁,也可溶于碱性溶液并发生水解㊂半纤维素是充当纤维素微纤丝之间基质的物质[23],起到黏结并加强整体性的作用㊂图5㊀半纤维素分子式Fig.5㊀Hemicellulose molecule木质素的化学分子式如图6[17]所示,它是一类复杂的芳香烃聚合物,起到强化植物组织的作用㊂跟半纤维素类似,木质素也充当纤维内部和纤维之间的化学黏结剂㊂木质素不溶于水,可溶于碱性溶液并发生水解㊂图6㊀木质素分子式Fig.6㊀Lignin molecule2㊀PFRCC面临的问题2.1㊀植物纤维的高吸水率植物纤维的高吸水率及较差的尺寸稳定性对PFRCC的性能有负面影响㊂首先,在与水泥基材料拌和390㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷时,植物纤维会吸收大量水分并发生体积膨胀,在水泥水化后期时,伴随着植物纤维中水分的流失(部分被水泥基汲取参与水泥水化,部分蒸发[25]),纤维体积收缩,纤维-水泥基界面区产生应力,导致微裂缝出现,图7是Azwa等[26]对于上述行为的具体描述㊂当PFRCC暴露于潮湿环境中时,水分子渗透并附着在纤维亲水羟基上建立分子间氢键,这会使得纤维与水泥基界面黏结强度降低,复合材料中应力的传递被削弱[27]㊂图7㊀水对植物纤维-水泥基界面区的影响[26]Fig.7㊀Effect of water on plant fiber-cement base interface[26]造成植物纤维吸水率较高的主要原因是其分子结构中含有大量的羟基[28]㊂羟基是一种亲水基团,在纤维素㊁半纤维素的表面均含有不同数量的羟基㊂半纤维素(大部分是非晶态)的羟基含量最高,一般来说植物纤维中半纤维素含量越多,吸附水分子的能力越强[29]㊂对于纤维素,位于结晶部分(主要在微纤维的核心)的羟基被认为不参与吸附水分子,而存在于纤维素非晶态区表面的羟基能够与水分子发生相互作用[30]㊂值得注意的是,科研人员也发现了植物纤维高吸水率对复合材料内养护方面的积极影响㊂Jongvisuttisun 等[31]在关于植物纤维自养护的研究中发现,夹带在植物纤维管腔中的自由水很容易被周围的水泥基体吸收,当水化反应超过25h后,植物纤维细胞壁小孔隙中的自由水和部分结合水能够迁移出来并减缓水泥基体的自收缩㊂2.2㊀植物纤维在水泥基碱性环境下的水解与矿化植物纤维在碱性环境中会发生碱性水解,相比于纤维素,半纤维素和木质素这类非晶态组分更容易在碱性溶液中发生水解[32]㊂Toledo等[33]总结了植物纤维在水泥基中的碱性水解过程,如图8所示㊂在初始状态下的植物纤维中,纤维素微纤维被半纤维素和木质素包裹在一起形成一个整体㊂在碱性孔隙溶液的侵蚀下,木质素最先发生分解,部分半纤维素也被分解㊂随着侵蚀程度的加深,半纤维素发生分解,植物纤维细胞壁的完整性被破坏,最后随着纤维素微纤维发生脱落和断裂,纤维素最终被分解,植物纤维完全劣化㊂除了碱性水解,植物纤维在水泥基中还会有纤维矿化的情况发生㊂纤维矿化被定义为:在水泥水化过程中,Ca2+㊁Mg2+㊁Al3+和Si4-等离子对植物纤维细胞壁和开放孔隙的浸渍行为[34],或者说植物纤维的矿化是水泥水化产物(尤其是氢氧化钙)迁移沉淀到纤维的胞间层以及管腔等组织中导致纤维韧性降低的一种劣㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状391化形式㊂植物纤维复合材料的脆化主要与纤维矿化有关[18]㊂图8㊀植物纤维的碱性水解过程[33]Fig.8㊀Alkaline hydrolysis process of plant fibers[33]2.3㊀植物纤维延缓水泥凝结植物纤维的添加也会影响PFRCC中水泥的水化与凝结㊂植物纤维中的纤维素是一种多糖,在水泥基碱性环境下分解成葡萄糖㊂葡萄糖在碱性环境下生成酸,与水泥水化产生的OH-发生中和反应,由此产生的盐会附着在熟料和水化产物表面,延缓水泥水化反应的进行[35]㊂同样,半纤维素和木质素在水泥基碱性环境中的水解产物也对水泥水化有阻碍作用[6]㊂Sedan等[36]研究了麻纤维的掺入对水泥凝结时间的影响,通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分析发现纤维表面果胶的存在会导致纤维周围存在较多的Ca2+,这也是导致水泥凝结缓慢的原因之一㊂另外,对于PFRCC凝结时间的测定,纤维的存在会阻碍维卡仪探针的插入,因此需要一种无损的精确方法来测定其凝结时间㊂Choi等[37]通过超声脉冲波来分析PFRCC的凝结时间,其试验结果表明植物纤维延缓了水泥水化,并且纤维含量越高,水化延迟越长,这样的测试结果是符合预期的㊂3㊀植物纤维的改性方法3.1㊀角质化处理植物纤维角质化是指不可逆地从纤维细胞壁中去除水分的机制[25],可以通过对其进行多次干湿循环完成[7]㊂当浸泡在水中的植物纤维达到吸水饱和后,将其放置在中等温度(60~80ħ)[38]的烘干箱内进行干燥,这时纤维的多糖纤维素链发生重排,其中纤维素微纤维由于水分的流失而彼此靠近,相互之间形成不可逆或部分不可逆的氢键,其中大多数氢键不会再重新打开㊂持续的干湿循环也会使得植物纤维管腔会发生坍塌,细胞壁层状结构中的大部分毛细孔会关闭,植物纤维结构将变得更加密实[39]㊂Claramunt等[40]对针叶木纤维和棉绒纤维进行了角质化处理,并证明了角质化过程会使这些纤维(尤其是针叶木纤维)的保水性大幅下降,尺寸稳定性提高,纤维-基体界面强度也得到了提高㊂Ferreira等[41]通过拉拔试验评价了植物纤维角质化处理对基体附着力的影响,从得到的力与滑移曲线中发现,复合材料经过加速老化后,处理过的纤维与基体的最大黏结应力和摩擦应力分别提高了40%和50%㊂3.2㊀热液处理热液处理最早应用于木材的改性,一般可分为超临界水处理㊁亚临界水处理和环境液态水处理三类,这些方法的主要区别在于处理过程中施加的温度不同[42]㊂热液处理通过对植物纤维高温沸煮来提取纤维中的可溶性糖分,这类组分是延缓水泥凝结的主要原因㊂热液处理还能够将纤维的亲水 OH基转化为疏水基团来提高纤维的尺寸稳定性,但是随着处理时间和处理温度的提高,纤维的吸水率会变高[43]㊂Sellami等[44]为了克服植物纤维与水泥基材之间相容性较差的问题,采用热液处理对纤维进行改性,通过SEM观察发现,沸煮4h后的纤维部分表面组分消失,这说明热液处理能够溶解纤维表面的可溶性物质㊂经过热液处理后,虽然纤维表面的一些物质(木质素㊁蜡㊁油脂)被去除,但是纤维表面结构没有明显变化且纤维的抗拉强度和弹性模量均有增加[45]㊂392㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷3.3㊀碱处理碱处理(采用NaOH溶液浸泡处理)是最常用于处理植物纤维的方法之一㊂植物纤维表面的蜡㊁果胶以及半纤维素和木质素对碱性溶液敏感,通过碱处理可以去除这些物质[46]㊂碱处理后的植物纤维表面变得粗糙,纤维直径变小带来的纵横比(长/直径)增加使得纤维的有效表面积增大,利于与基体的黏结[47]㊂碱处理去除了植物纤维中部分无定形区(半纤维素和木质素),提高了纤维的结晶度和抗拉强度[48]㊂但是碱处理浓度过大或者处理时间过长会破坏植物纤维的纤维素结构,导致纤维强度下降[49]㊂图9㊀不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片[50]Fig.9㊀SEM images of plant fibers treated with different concentrations of NaOH solution[50]De-Souza等[50]在碱处理对剑麻纤维性能影响的研究中重点关注了碱浓度变化对纤维的影响㊂不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片如图9所示,随着碱浓度的提高,纤维表面变得越来越粗糙㊂第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状393㊀与未改性纤维相比,碱处理后的纤维抗拉强度和弹性模量分别提高了42%和237%,且抗拉强度随着碱浓度提高而提高,碱浓度为10%时抗拉强度下降,但仍高于未改性纤维㊂3.4㊀乙酰化处理植物纤维的亲水性主要由纤维内富含的羟基所决定㊂利用乙酰基与植物纤维的亲水性羟基发生酯化反应,可以降低植物纤维的亲水性[51]㊂植物纤维经过乙酰化后,疏水性增强的同时尺寸稳定性也得到了改善㊂由于植物纤维细胞壁的结构致密,酯化剂很难与内部羟基充分接触发生取代反应,可以先采用碱处理法对纤维进行预处理[7]㊂Zaman 等[52]在香蕉束纤维/聚合物的研究中发现碱处理和乙酰化相结合的处理方式能够有效降低纤维的吸水率,对比未改性纤维,改性后的纤维吸水率降低了42%㊂Bledzki 等[53]发现亚麻纤维经过乙酰化后纤维表面变得更加光滑并能观察到细小微纤维的出现,随着乙酰化程度越高,纤维的损伤和开裂也越明显㊂Oladele 等[54]的研究表明植物纤维经过乙酰化处理后抗拉强度提高,但是当乙酰化处理浓度超过4%时,纤维的抗拉强度发生了下降㊂所以对于PFRCC 来说,对纤维进行一定程度的乙酰化处理能够提高复合材料的抗压㊁抗折强度[55-56]㊂3.5㊀硅烷偶联剂处理硅烷作为公认的高效偶联剂已经被广泛应用于复合材料和黏合剂的配方中[57]㊂硅烷分子具有双官能团,可以分别与两相发生反应,因此它们能很好地耦合植物纤维与水泥基材,并在它们之间架起桥梁[58]㊂但是植物纤维中的羟基具有非常低的可及性,与许多化学物质不发生反应㊂在对纤维进行改性处理时,需要先将硅烷放入调节至弱酸性(pH =4~5)的水与乙醇的混合溶液[59]中进行水解以产生更活泼的硅醇基[60],然后再将纤维放入混合溶液中使纤维的羟基与硅醇基发生反应来达到改性目的㊂Koohestani 等[61]指出适合对图10㊀98%硅烷偶联剂喷涂植物纤维的SEM 照片[62]Fig.10㊀SEM images of plant fiber sprayed with 98%silane coupling agent [62]植物纤维改性的硅烷偶联剂用量在1%~5%(占纤维质量),硅烷偶联剂的水解时间㊁硅烷水解溶液的温度和pH 值以及硅烷偶联剂自身的化学性质是影响硅烷处理效果的主要因素㊂硅烷偶联剂也可以直接进行喷涂处理㊂Ban等[62]在对竹纤维改性时,在没有进行硅烷水解的情况下直接将98%(质量分数)的硅烷偶联剂喷涂到纤维上,纤维的SEM 照片如图10所示,所制备的复合材料的拉伸㊁抗压性能相比于未改性对照组均得到提升,但是纤维的吸水率升高,分析原因可能是过量的硅烷与水发生了水解反应㊂4㊀结语与展望1)植物纤维中存在着大量羟基,具有较强的亲水性,这种强吸水性能够导致复合材料发生劣化,影响纤维与水泥基界面的黏结强度㊂2)在水泥基碱性环境下,植物纤维的主要成分纤维素㊁半纤维素和木质素容易发生水解导致纤维发生劣化㊂植物纤维在水泥基碱性环境下还会发生矿化的现象,导致复合材料的脆化㊂3)植物纤维在水泥基碱性环境下的水解产物会阻碍水泥凝结,植物纤维含量越高水泥水化延长越久㊂4)对纤维进行改性处理能够提高复合材料的性能,常用的改性方法有角质化处理㊁热液处理㊁碱处理㊁乙酰化处理和硅烷偶联剂处理㊂5)不同的改性处理对纤维起到的作用不同,总体来说改性处理能够提高纤维密实程度㊁增加纤维表面粗糙度㊁提取纤维中的阻凝成分㊁降低纤维吸水率以及增强纤维与基体界面的黏结等㊂6)目前对于植物纤维的改性主要是使用单一的方法进行改性,采用多种方法复合改性处理的研究较少㊂从改性机理上看,各改性方法侧重的改性作用不同,研究不同改性方法间的协同作用是进一步提高植物纤维性能的关键㊂7)鉴于实际建设工程中环境的复杂性,针对特殊环境下的PFRCC 的研究也应该得到重视以适应更广泛394㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷的施工要求㊂参考文献[1]㊀饶德梅.不同烧成温度和时间对水泥熟料矿物相组成的影响[D].绵阳:西南科技大学,2023.RAO D M.Effect of different sintering temperature and time on mineral phase composition of cement clinker[D].Mianyang:Southwest University of Science and Technology,2023(in Chinese).[2]㊀宋丁豹,蒲诃夫,胡海蓝,等.水平排水板真空预压-碱激发矿渣固化联合法处理高含水率淤泥的试验研究[J/OL].岩石力学与工程学报:1-11[2023-08-31].https:///10.13722/ki.jrme.2023.0040.SONG D B,PU K F,HU H L,et al.Experimental investigation on 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