植物纖維混凝土性能研究

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 概述

中國是一個農業大國，如何處理大量農業廢棄物是一個棘手的問題。隨著科技的進步以及人類環保意識的增強，人們發現由于植物纖維制備混凝土可以滿足低碳環保、取材方便、輕質高強以及保溫性能好的要求，因此它逐漸成為國內外纖維混凝土方向的一大研究熱點。植物纖維混凝土通常是將秸稈纖維、稻殼等植物纖維粉碎或處理成一定長度后添加到混凝土中，再以粉煤灰作為摻合料，以CaCl2等作為促凝劑，混合攪拌所制成。目前，已有大量文獻針對單種植物纖維摻入混凝土后的性能進行研究，但缺少對不同種類的植物纖維混凝土進行綜合對比分析。該文將分別研究多種植物纖維混凝土的力學性能、保溫性、吸水性、耐腐蝕性能以及對水泥水化的影響效果，對其進行綜合評述，分析其特點并指出存在的短板。盡管目前植物纖維混凝土有局限性，但是隨著技術研究的不斷深入，相信在未來仍有很好的應用前景。

1 植物纖維處理技術

為了制備植物纖維混凝土，需要提前對植物纖維進行處理。該處理過程通常是先挑選色澤光亮、保存完好的植物纖維，進行洗凈后烘干，處理掉多余枝葉和表面的雜質，再加工成2種形狀：1種是用粉碎機把植物纖維粉碎，另1種是用剪刀或鍘刀把植物纖維剪切目標長度。用粉碎機粉碎的植物纖維可以直接摻入混凝土中；用剪刀或鍘刀剪切的植物纖維可以直接摻入混凝土中；也可以將切好的植物纖維先浸泡于氫氧化鈉溶液里，洗凈干燥后再摻入混凝土中。當前，還有許多植物纖維的表面處理改性措施在國內外得到了廣泛應用，化學改性方法如堿性化、酸處理、酯化預處理和聚合物涂料，物理處理方法如熱液治療、超聲改性和蒸汽處理，生物改性方法如生物酶治療。但是大多數的改性方式工藝復雜而且污染環境，因此并沒有得到大范圍的推廣應用。

近年來，等離子體改性植物纖維在發達國家已得到廣泛報道。等離子處理可使材料表面產生蝕刻等物理反應和接枝共聚、氧化、分解等化學反應，從而有效地提高疏水性、黏附性等。國內一些研究人員還發現，植物纖維表面的弱界面層可以通過空氣低溫等離子處理被破壞，并引入可以增強秸稈表面活性的含氧官能團，如羰基、羧基等，有助于秸稈與原材料建立以化學結合為主的界面。

2 植物纖維混凝土的力學性能

植物纖維的主要成分是纖維素、半纖維素、木質素、果膠以及蠟質等物質。植物纖維在混凝土中分散交叉，每克混凝土中植物纖維的含量是其他纖維的幾十倍，因此可以將混凝土開裂時的裂縫限制在更小的范圍內。纖維素表面的羥基也可以與水泥水化產物中的羥基形成氫鍵，使界面結合更加緊密。在外荷載作用下，植物纖維與水泥基體共同作用，在混凝土開裂時植物纖維能承受拉應力，從而提高混凝土的抗拉強度、抗彎強度和抗折強度。

由于植物纖維本身的強度較低，在混凝土中加入植物纖維會增加混凝土中的含氣量，從而對材料的和易性和密實性產生不利的影響，因此隨著植物纖維含量的增加，混凝土的抗壓強度會降低。李超飛等[1]將不同摻量不同形態的稻草秸稈摻入混凝土中測試養護28 d后的力學性能，結果如圖1所示，隨著稻草纖維含量的增加，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎強度都會降低。但是，張昌等人[2]通過試驗發現，添加竹纖維可以大大提高混凝土的劈裂抗拉強度，這與李超飛的研究結果不一致。推測是由于竹纖維抗拉強度為350 MPa～500 MPa[3]，比秸稈纖維高得多，當裂紋發展到與竹纖維相交時，竹纖維可以承受更大的拉力來阻止裂紋的發展

目前，大多數研究都是針對纖維含量大于1%的情況進行的，曾哲[4]便選擇對低摻量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）的油菜秸稈混凝土進行力學實驗，隨著纖維含量的增加，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度均表現出先增大后減小的變化趨勢?？梢酝茰y低摻量的植物纖維混凝土的力學變化規律與之前針對纖維摻量大于1%的研究結果也不相同。試驗發現混凝土的劈裂抗拉和抗折強度在加入體積分數為0.2%、長度為20 mm～30 mm的油菜秸稈時達到最高。這是因為纖維體積摻量小于0.2%時混凝土內部孔隙能被有效填充，增加密實度（圖2（b）），但過大的摻量會使植物纖維包裹的水泥漿體分布不夠均勻，形成大量有害孔洞（如圖2（c）所示）[4]。

圖1 稻草纖維形態和摻量對混凝土強度的影響

3 植物纖維混凝土的保溫性能

我國建筑能耗一直處于過度狀態，因此研究植物纖維混凝土的保溫性能具有重要意義。在使用掃描電鏡觀察普通混凝土和油菜秸稈纖維混凝土的內部結構（圖2（a）、圖2（b））時發現，與普通混凝土相比，油菜秸稈纖維混凝土具有更多更大的孔隙；利用穩態平板導熱儀進行保溫性能測試，結果表明：導熱系數隨著砂率增加而增大，隨著纖維摻量增加而減小。由于存在氣孔內的氣體對流換熱和孔壁間的輻射換熱，混凝土導熱系數會降低。與發達國家相比，我國建筑圍護結構的熱工性能差距較大，開展建筑節能保溫是十分必要的?？阂鉡5]制作的秸稈氯氧鎂水泥砌塊可以作為一種新型外墻保溫墻體材料，導熱系數僅為0.15 W/（m·k），遠遠小于導熱系數為0.81 W/（m·k）的普通黏土磚和導熱系數為1.51 W/（m·k）的混凝土。因此，使用植物纖維制得墻體材料可以滿足保溫的需要，這也是植物纖維混凝土相對于一般纖維混凝土的優勢。

4 植物纖維混凝土的吸水性

植物纖維本身就是多孔材料，纖維素中羥基含量也很高，這就導致植物纖維具有較強的吸水性，所以在制備植物纖維混凝土時，混凝土耗水量增加，和易性下降，并且在攪拌過程中容易形成團聚體。植物纖維還具有潮濕時膨脹和干燥時收縮的特性，對濕度表現得十分敏感，細胞壁孔隙和羥基的累積效應導致其尺寸的不確定性，這使植物纖維與混凝土容易發生黏結破壞。黃麗媛[6]通過秸稈纖維預處理，測定了不同纖維含量水泥基復合材料浸泡12 h后的吸水率。研究表明，復合材料的吸水率隨著纖維含量的增加而逐漸增加，但是經室溫冷水處理和氫氧化鈉溶液處理的纖維會降低復合材料的吸水率。尤其是經過4%氫氧化鈉溶液處理過的秸稈纖維，在摻量為5%時吸水率最小，僅為9.32%。推測是由于秸稈纖維經過處理后分離出對水泥起到緩凝、阻凝作用的物質，使纖維與水泥有更好的界面結合效果，降低孔隙率從而降低了吸水率。

表1 植物纖維增強水泥基材料的強度損失對比

圖2 不同纖維摻量的油菜秸稈混凝土的SEM圖

5 植物纖維混凝土的耐腐蝕性

土木工程所處的環境因此，需要格外重視，因此，需要格外重視植物纖維混凝土的耐腐蝕性。通過將麥秸稈纖維浸泡于不同pH值的溶液中，我們發現酸堿環境都會對麥秸稈纖維造成嚴重腐蝕，秸稈的質量損失可達30%～40%。而硅酸鹽水泥水化產生氫氧化鈣，使普通混凝土環境為堿性，植物纖維在其中就極易被腐蝕。Ramakrishna等人[7]分別將椰殼纖維、劍麻纖維、黃麻纖維和木槿大麻素纖維4種纖維干濕交替、連續浸泡在水、NaOH溶液、飽和Ca（OH）2溶液中60 d，發現四種纖維中的木質素、半纖維素和纖維素成分均減少，并且由表1可知，這些被腐蝕的纖維增強水泥基材料抗壓、抗折的效果也不如未被腐蝕的纖維。因此，植物纖維混凝土的耐腐蝕性并不出色。如今為解決此問題，通常是對纖維進行酸液（如丙三醇甲酸酯、硬脂酸）預泡處理，或者加入粉煤灰、硅灰等替代一些水泥，也有采用低堿水泥等手段。鄧華等人[8]曾對植物纖維進行微波與偶聯劑的物化綜合改性，發現這種方法也可以提高其化學穩定性，增加耐化學腐蝕性。

6 纖維對水泥水化的影響

目前已有大量針對于植物纖維影響混凝土力學性能和耐久性等研究的文獻，但是，植物纖維對水泥水化過程的影響卻少見。謝曉麗[9]用等溫的微熱量熱法來測定水泥的水化速率和放熱量，以此來檢驗秸稈纖維是如何影響水泥水化的。試驗結果表明，秸稈使水泥的最大水化速率降低，延遲了水化過程，使7 d內的放熱量減少。這主要是因為植物纖維中所含的半纖維素和木質素阻礙了水泥水化過程。半纖維素在呈堿性的水泥漿環境中水解產生糖，然后在水中又轉變為糖酸，再與水泥漿中的鈣離子相結合，使鈣離子不易達到飽和狀態，阻礙了氫氧化鈣的結晶分離，混凝土凝結成形也變得更加困難。而木質素離解所產生的離子附著到水泥顆粒的表面，從而使水泥顆粒帶同種電荷，導致彼此排斥顆粒分散，水泥水化也會受到影響。當半纖維素和木質素含量降低時，植物纖維水泥基復合材料的水化反應會更接近純水泥的水化反應。

7 存在問題

雖然植物纖維混凝土具有輕質環保、韌性高以及保溫性能好等優點，但是植物纖維本身的特性限制了其大范圍推廣使用，這種混凝土仍然存在一些目前難以解決的問題。

7.1 吸水性問題

由于含有大量羥基，植物纖維具有很強的吸水性，加入不同摻量的植物纖維時混凝土的用水量也不同，因此對于和易性的控制較為麻煩。同時，植物纖維對濕度很敏感，干縮濕脹，易導致植物纖維與混凝土發生黏結破壞。

7.2 腐蝕問題

硅酸鹽水泥的水化反應使水泥漿整體呈現堿性，天然植物纖維中所含的木質素、半植物纖維素和纖維素等物質在該環境下被分解，使纖維整體力學性能明顯有所下降，增強水泥基材料抗彎、抗折的效果也大打折扣。

7.3 黏結問題

由于蠟質層的存在，植物纖維的表面是光滑的，就很難與粗糙的水泥漿體較好地結合，在外力作用時易被拉出。在堿性的水泥漿中，植物纖維可以分離出許多對水泥凝結起到抑制作用的萃取物，這也對植物纖維和堿性水泥基之間的界面結合產生了負面影響。

8 結語

不同種類的植物纖維雖然存在共性問題，但不同的屬性構造、處理方法具有不同的適用范圍，對混凝土的性能也會產生不同影響。因此建議有針對性地研究出規范化、標準化和科學化的處理方法和篩選方式，根據不同要求選擇最適宜的植物纖維，確定最合適的摻量，提高生產該類混凝土的效率。在植物纖維混凝土中雖然存在一些問題，但是已經開始運用于實際工程中，也取得了很好的效果。相信隨著研究機理的不斷深入，制作工藝的愈加成熟，應用經驗的逐漸累積，植物纖維混凝土會有更為廣闊的應用前景。