天然植物纖維及其加筋土體研究綜述

徐敏普，殷 勇，沈文輝

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224000；3.常州市環境衛生管理中心，江蘇 常州 213000)

0 前 言

人工合成材料加固土體技術在實際工程中得到了廣泛的應用，例如土工布、土工條以及土工格柵等，都分別應用于巖土工程不同的土體加固領域。在過去的30年里，離散纖維作為新的加筋材料則引起了研究學者們的廣泛關注，與傳統的土工材料相比，離散纖維材料與土體的施工方法更為簡單，同時纖維在土體中分散性好，加固后的土體不易形成潛在的薄弱面[1]，具有明顯的優勢。

目前，纖維加筋材料主要分為人造纖維和自然纖維兩類。人造纖維，包括如聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和鋼纖維等，這些人造纖維應用于土體中加固，不易降解，會對環境造成不可逆轉的危害，是非生態環境友好型加筋材料。而天然植物纖維作為自然纖維的一個類別，是一種環境友好型的材料。它不僅具有來源廣、可再生、無污染、價格低等優勢，而且天然植物纖維較高的強度與較輕的密度使其備受研究學者的青睞。因而，天然植物纖維加筋技術的應用是增強巖土工程可持續發展的重要方向。

本文總結了前人對天然植物纖維植物纖維構成、成分、降解特性等方面的研究，以及天然植物纖維作為加筋材料在土體加固等方面的研究現狀，對目前天然植物纖維加筋土存在的一些問題進行了分析，并對其未來的研究熱點進行展望。

1 天然植物纖維研究現狀

1.1 天然植物纖維概述

天然植物纖維是指從自然界中直接獲取的一種纖維材料。通常，根據植物類型和纖維獲取的位置，將天然植物纖維大概可以分為秸稈纖維(如小麥和水稻)、種子纖維(如棉花)、韌皮纖維(如黃麻、亞麻、劍麻和大麻)、葉纖維(如菠蘿葉、劍麻和蕉麻)、果實纖維(如椰殼)等[2]。

天然植物纖維主要由纖維素、半纖維素、木質素、果膠、蠟質和礦物質等組成[2-3]。表1總結了國內外學者對不同種類天然植物纖維化學成分的測試結果。從表1可以看出，纖維素、半纖維素和木質素是天然植物纖維的主要組成物質，其中又以纖維素含量最高，是最重要的成分。

表1 不同種類天然植物纖維的化學成分[2-3] %

纖維素是由植物經光合作用生成葡萄糖(C6H12O6),然后葡萄糖被輸送至纖維素形成層區域，在這里它們線性地結合形成纖維素。從化學上來說，纖維素是D-呲喃式葡萄糖的聚合物，分子式可以表示為(C6H12O6)n。葡萄糖聚合物通過β-1,4糖苷鍵連接形成纖維二糖分子。纖維素大部分以結晶形式出現，稱為結晶纖維素。此外，還有一小部分無組織纖維素鏈形成無定形纖維素[3]。纖維素對水解、堿性和氧化劑具有一定的抵抗性，其含量決定了纖維的強度。因而，結合表1可以發現，天然纖維由于含量較多的纖維素，其力學性能較好，在巖土工程中有良好的應用前景。

半纖維素是一種復雜的碳水化合物聚合物，它是一種分子量比纖維素低的多糖。半纖維素具有親水性，很容易在酸和堿性溶液中水解。而木質素是一種具有無定形結構的三維高分子聚合物，承擔纖維結構支撐作用。它具有疏水性，抗酸水解和大多數微生物攻擊，可溶于熱堿，易氧化等特點。因而，天然纖維由于半纖維素和木質素的存在，其耐酸堿等性能較好，更適合工程的推廣。

1.2 天然植物纖維降解特性

將天然植物纖維應用于工程實際中，不容忽視的性能即為植物纖維的降解特性。為此，很多學者開展了關于天然植物纖維的降解研究。學者們將天然植物纖維置于不同的環境中研究其降解特性。Ramakrishna等[4]將椰殼、劍麻、黃麻和木槿麻四種纖維暴露在水、飽和石灰和氫氧化鈉三種不同的溶液介質中，實施干濕循環和連續浸泡兩種方式，結果表明纖維的化學成分和抗拉強度出現了不同程度的降低。Wei等[5]將劍麻纖維埋入水泥復合材料基體中，設置七種不同的加速腐蝕條件，發現在干濕環境下劍麻纖維的強度和韌性劣化程度更大。孫浩等[6]將麥秸稈纖維浸泡在不同的pH值溶液中，從纖維的外觀變化、質量損失以及拉伸強度揭示了酸堿環境對纖維降解的程度，得出了麥秸稈纖維在不同PH值下的降解規律。Filho等[7]指出水泥基質中的劍麻纖維在經歷20次干濕循環后，纖維素和半纖維素降解，劍麻纖維幾乎完全喪失性能。

從上述文獻中可以看出，天然纖維在不同的工程環境中，其降解特性相差較大。同時，纖維強度與纖維中主要化學成分(纖維素、半纖維素和木質素)的含量直接相關聯。因而，探究在不同工程環境中天然纖維的強度衰減機理，以及建立在不同工程環境中的天然纖維的物理力學性能與纖維的組成物質變化之間的定量關系是當前研究的重點。

2 天然植物纖維加筋土研究現狀

將天然植物纖維作為加筋材料加固土體，目前有研究成果進行了報道。國內外學者主要通過室內試驗探究了不同纖維摻入量、纖維長度、纖維種類等對土體力學性質的改善效果的影響。吳燕開等[8]通過無側限抗壓試驗研究了不同劍麻纖維長度與摻量的影響，得出在纖維長度為5 mm，摻量為0.4%時，無側限抗壓強度最高。劉威等[9]選取四種不同的纖維進行直剪試驗發現纖維的摻入提高了土體的粘聚力與內摩擦角，且椰絲與稻秸稈絲對土體粘聚力與內摩擦角的貢獻效果要優于玻璃聚丙烯纖維。馬強等[10]通過三軸試驗證明了棕麻纖維加筋土的粘聚力與內摩擦角較純砂的有顯著提升，強度和抗變形能力都得到提高。Brahmachary等[11]發現加入竹纖維可以改善土壤的延性并且增加了土壤的CBR值。

針對天然纖維加筋土的加筋機理，也有相關研究的報道。金嘉林[12]認為纖維加筋土的增強效果主要得益于纖維與土之間的“握裹作用”以及纖維間形成的“空間網絡結構”緩解了土體的破壞趨勢。錢葉琳等[13]認為在纖維發生側向破壞時，纖維與土體之間形成相互作用力，抑制土顆粒的移動，“無側限”變成了“有側限”，土體的變形受到限制。邢文文[14]通過分析認為棕麻纖維的加筋作用主要是因為纖維與土體間的摩擦阻力以及纖維形成的“纖維網”約束了土體的變形。

同時，不少學者利用土體的本構模型構建纖維土的應力-應變關系的數學模型，郭盼盼[15]建立了各向異性分布纖維加筋土本構模型，較為準確地反映出不同纖維含量下纖維加筋土應力-應變關系、抗剪強度、抗剪強度參數和體應變行為的關鍵特征。但是相較于素土，加筋土的本構模型研究相對復雜，纖維種類、纖維摻量以及筋土界面特征等都對天然纖維加筋土本構模型的建立起著影響作用。

目前，天然植物纖維加筋土在工程應用中尚且存在一些不足之處。由于天然植物纖維具有親水性以及生物降解性的特點，當纖維應用于工程環境中，不可避免遭受到干濕、凍融等惡劣氣候的影響，其力學性能必然會出現不同程度的降低，影響纖維的耐久性。但纖維加筋土在不同工程環境中其力學特性的變化規律尚未得到統一的變化規律。同時，單根纖維的筋土界面的強度以及纖維與纖維的網狀效益是土體強度增加的機理，但在不同工程環境中加筋效應如何衰減鮮有報道。

3 結論與展望

天然植物纖維加筋技術作為巖土工程中可持續發展的加固技術之一，具有資源豐富、環境友好、成本低廉等優勢，在未來巖土工程中的發展潛力巨大。但目前的研究并未考慮到纖維降解所帶來的影響，由于天然植物纖維具有親水性以及生物可降解性特性，會直接影響纖維的耐久性以及加筋作用，進而威脅加筋土工程的安全穩定。因而，天然植物纖維加筋土的研究需從以下兩個方面進行進一步探究從而拓展天然植物纖維的工程應用。

1)如何構建纖維中的纖維素、半纖維素和木質素含量與纖維的力學性能構建定量關系，從而以纖維組成成分的衰減變化指標表征纖維加筋土的強度劣化。

2)進一步探究提高纖維力學性能及延長纖維耐久性的處理方法與處理工藝，緩解天然植物纖維加筋土的強度劣化。

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