植物纖維增強水泥基復合材料的研究進展與應用

許秀穎 邊加保 李慧源

（北京交通大學海濱學院，河北 黃驊 061100）

0 引言

在應用水泥來拌和混凝土時，因混凝土在初凝及終凝過程中會受到結構荷載及環境的影響，進而使混凝土表面出現微裂縫，這些微裂縫需要進行嚴格的抑制，否則勢必會進一步發展，從而嚴重影響混凝土的美觀性，甚至還會威脅到結構安全。為了提高混凝土的施工質量，人們嘗試在混凝土中利用各種纖維來增強其性能表現，并由此產生了一系列的科研成果，如鋼纖維增強混凝土技術、聚丙烯纖維增強混凝土技術等。不過，由于鋼纖維容易受到環境影響而發生銹蝕，同時玻璃纖維、鋼纖維等的造價較為昂貴，這不利于工程成本的節約。而植物纖維作為一種價格低廉且來源豐富的高分子材料，將其應用到混凝土之中，以此研發出增強水泥基復合材料，則可有效解決造價昂貴問題，同時也有助于對自然生態環境的保護。

1 植物纖維組成及其材料增強作用

植物纖維的主要組成包括半纖維素、纖維素、蠟質、果膠以及木質素，在植物纖維中，半木質素及木質素在其中主要起到黏合劑的作用。并且，木質素含量的高低，還會對植物纖維的性能表現及結構組織產生直接影響。纖維素含量及其纖維軸和原纖的旋轉角度會對植物纖維的硬度及強度產生決定性影響，通常來說，原纖和纖維軸所形成的夾角越大，則說明植物纖維在硬度及強度上的表現就越差。在混凝土中應用植物纖維，能夠對混凝土在初凝及終凝過程中產生的微裂縫進行有效抑制，從而有效防止微裂縫對混凝土的力學性能產生不利影響。植物纖維對微裂縫的抑制作用主要體現在其抗拉強度與粘著強度，同時其自身的抗拔拉性能還會在很大程度上對混凝土的裹附能力及韌性表現產生影響。

2 植物纖維增強水泥基復合材料的研究進展

自14世紀開始，人們便利用稻草來增強土坯磚的性能，時至今日，仍舊有部分國家在灰泥及磚等建筑材料中利用稻草來增強其力學性能。植物纖維的造價非常低廉，而且來源非常廣泛，不會對環境造成污染，這也使越來越多的專家與學者紛紛投入到應用植物纖維來增強材料性能的研究，并由此產生了一系列的科研成果。在上世紀七十年代，有學者便通過試驗在水泥砂漿拌制過程中利用劍麻來改進其耐久性，并取得了較為理想的試驗效果，試驗結果證明，混凝土在添加了劍麻纖維以后，雖然能夠延長其耐久性，但隨著時間的推移，混凝土會逐漸變脆，為此可利用防護浸漬處理方法來延緩其變脆周期。在上世紀90年代，M.Sarigaphuti等人將白楊樹、松樹作為植物纖維的提取對象，并將提取的植物纖維應用到混凝土中，通過對提取的植物纖維進行錘擊松散，使其成為若干根細纖維，然后以1:100的比例摻入到水泥之中，并將該水泥作為混凝土的原料，觀察混凝土的裂縫發展情況，同時將其與摻量相同的聚丙烯纖維混凝土進行對比，通過對比可以發現，兩種纖維在提高混凝土收縮抑制干裂的能力表現上基本相同，并且其裂縫最大寬度都只有混凝土的1/3，不會對混凝土的抗壓強度及自由收縮強度產生影響。通過對這兩種混凝土進行熱水浸泡后，以此加速混凝土的老化過程，可以發現，兩種纖維在應用到混凝土后，其韌度并不會發生改變，而且也不會因水泥石中含有的堿性物質而受到腐蝕，但在對兩種混凝土進行干濕循環老化處理后，可發現這兩種混凝土中的纖維韌度均降低了2/5，究其原因在于纖維的應用提高了混凝土的黏結力，而干濕循環中則會因混凝土的干縮濕脹而導致其尺寸改變，并由此產生物理損傷，進而降低了纖維在混凝土中的韌性表現。

在上世紀末，科學家曾嘗試在混凝土中摻入棕櫚葉纖維，其在試驗過程中分析了棕櫚樹的葉莖結構，并在試驗過程中發現了棕櫚樹的葉莖表皮是由大量葉綠體組成的，并且這些葉綠體的排列非常緊密，這使其表皮很難被滲透，從而使水份難以從葉莖中逃脫出來。在葉莖表皮中，還分布有大量且分散的纖維管束，水及營養便是通過纖維管素進行輸送的。考慮到將纖維素摻入到水泥溶液之中，能夠使纖維束內也同樣含有水泥溶液，這勢必會增加水泥的稠密度，相比于未進行水泥溶液浸泡的植物纖維來說，其混凝土的增強效果要弱于經過水泥溶液浸泡的植物纖維。自21世紀以來，能源緊缺形勢的日益嚴峻，使各個國家在經濟發展中迫切需要更加低廉的纖維資源，這也使許多國家都紛紛對廉價植物纖維進行研究，并取得了一系列的研究成果。例如，Romildo D.Toledo Filho等人為了提高混凝土的耐久性，在混凝土成型過程中摻入了劍麻纖維，并將成型后的混凝土利用碳化箱進行脆化過程分析，從而證明了劍麻纖維能夠有效延緩混凝土的脆化過程。同時，其又在水泥基復合材料中應用了劍麻纖維，并利用硅灰漿液進行 10min的浸泡，在干燥后分析其脆化程度，進而證明了劍麻纖維同樣能夠用于延緩硅灰漿液的脆化周期。在此基礎上，還可摻入礦物外加劑，并利用礦物外加劑來提高復合材料中劍麻纖維的抗堿性，通過對該復合材料的密實度進行分析，可發現其密實度更高，能夠顯著提高混凝土耐久性，經實驗證明，按照1:4的比例對硅灰與礦渣進行混合，以此代替水泥，可極大改善混凝土耐久性。

3 植物纖維增強水泥基復合材料的應用

因植物纖維的來源非常廣泛，并且價格較為低廉，這使其在水泥基復合材料中有著非常廣闊的應用前景。為此，JamesHaidie企業便在水泥外墻掛板中應用了植物纖維，從而使水泥制品的耐久性得到了顯著提高，同時也降低了產品的生產成本。其將波特蘭水泥、植物纖維及砂進行混合，以此生產出水泥外墻掛板，該產品的強度非常高，并且不易腐爛和翹曲，能夠抵抗白蟻的蛀蝕，同時還兼具良好的隔音性能與保溫性能。除此之外，我國還在吸水水泥中應用了植物纖維，從而研發出一種水泥基復合材料，該材料能夠支持植物的自然生長，并且材料自身在吸收大量水分后，并不會影響其強度，這使其能夠在水利工程中得到廣泛應用，因植物能夠在材料表面中自然生長，這使其能夠對當地的生態環境進行有效保護，同時也能增加城市綠化面積，從而推動現代化城市的可持續發展。

4 結語

總而言之，植物纖維憑借其廣泛的來源渠道以及低廉的價格，在工程建設中有著極為廣闊的發展前景，其可有效提高混凝土的耐久性，利用植物纖維來對增強水泥基復合材料進行研發，還能夠降低混凝土的造價，并且兼具環保、無污染的優勢。隨著科學技術的發展，將有更多的水泥基復合材料在市面中出現，而植物纖維在我國現代化社會建設中也必將發揮出更大的作用。