植物纖維增強水泥基復合材料研究進展

趙 麗，李書進，宋 楊，張亞梅

（1.常州工學院 土木建筑與工程學院，江蘇常州 213032；2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇南京 211189）

普通水泥基材料具有抗拉強度低、韌性差、易開裂等缺點，導致其抗滲能力下降，對結構安全造成嚴重威脅.為了克服上述缺陷，研究者們通過在水泥基材料中摻入一定量的纖維來抑制裂紋擴展，以改善其脆性特質.應用于水泥基材料的纖維主要包括鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維和合成纖維等.這些纖維不僅生產成本較高，增加了工程造價，而且生產過程中產生的能源消耗與廢氣排放也不利于環境保護與可持續發展.

為了在2030 年實現碳排放峰值，中國必須降低化石能源的比重，大規模發展清潔能源，走綠色低碳可持續發展道路.其中，建筑節能在整個社會節能中占據重要位置，創新的綠色建材產品能夠大大降低建筑在全社會的耗能比例，是建設低排放、低耗能、環境友好型社會必然而急迫的課題.

天然植物纖維（NF）是一種可再生的農業副產品，具有價格低廉、來源廣泛、輕質環保、比強度高等優點［1］.目前，各國均有學者結合所在區域大量生長的植物開展植物纖維增強水泥基復合材料（natural fiber reinforced cementitious composites，NFRCC）的相關研究.本文從植物纖維在水泥基材料中發揮的作用、劣化問題及改善措施3 個方面展開綜述.

1 植物纖維在水泥基材料中發揮的作用

1.1 抗裂增韌

大量研究表明，添加適量的植物纖維（如紙漿纖維、纖維素纖維、農作物秸稈纖維、劍麻纖維、椰殼纖維、竹纖維和蘆葦纖維等）可有效提高水泥基復合材料的韌性、延性、抗裂性、抗沖擊性和抗劈拉強度等［2-5］.尚君等［6］采用長纖維分層平鋪工藝分別制備竹原、大麻、劍麻及苧麻纖維增強水泥砂漿，這4 種植物纖維的分層平鋪試件均表現出明顯的應變硬化特征，其極限拉應變均達到2%以上，其性價比有利于植物纖維的進一步研究與推廣應用.植物纖維在其他膠凝材料體系如地聚物混凝土［7-8］和磷酸鎂水泥［9］等中的增強作用也有較多報道.

1.2 內養護

植物纖維獨特的多孔結構與親水性使其能夠蓄存大量的拌和水，在水化過程中，這部分水會緩慢釋放，不僅能促使水化反應持續高效地進行，還能改善水泥基體內部相對濕度的變化，對水泥基體起到內養護作用，使收縮變形明顯減少［10-11］.徐蕾［12］在試驗中發現，與聚丙烯纖維和玻璃纖維相比，亞麻纖維在控制水泥砂漿限制性塑性收縮開裂方面更為有效，摻加體積分數為0.3%的亞麻纖維可使水泥砂漿的裂縫總面積減少99.5%，最大裂縫寬度減少98.5%.

1.3 保溫節能

隨著城市化進程的加快和生活水平的不斷提高，人們對建筑物宜居性能提出更高需求.植物纖維獨特的多孔結構賦予其質輕、保溫隔熱、吸音隔聲等優點，對于制備高效節能建筑構件具有突出優勢.例如，陳繼浩等［13］通過向水泥板中摻入植物纖維，制備出隔熱性能優異的自保溫墻體.Saira 等［14］制備的軟木纖維增強石膏基體不僅具有與保溫材料相似的導熱系數，還可抑制聲音的傳播.

2 植物纖維在水泥基材料中的劣化問題

2.1 植物纖維性能退化

雖然植物纖維用于增強水泥基材料有上述諸多優點，但其在堿性水泥基體中的性能會逐步退化，這是阻礙其大范圍推廣應用的瓶頸問題.植物纖維在水泥基體中性能退化主要包括水解與礦化［15-16］2 個機制.植物纖維的主要成分木質素和半纖維素在堿性環境中易于水解，削弱了纖維細胞間的連接，如圖1 所示［15］.隨著水泥漿體孔溶液向纖維內部的滲透，水化產物氫氧化鈣在內腔逐漸沉積造成纖維礦化.植物纖維的水解與礦化導致水泥基材料的抗拉強度與變形能力下降，逐漸喪失其增強作用.

圖1 植物纖維堿性退化過程示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of natural fiber's alkaline degradation process［15］

2.2 界面黏結弱化

植物纖維與水泥基體之間較弱的界面黏結是限制其抗裂增韌效應的另一個關鍵問題.植物纖維在水泥堿性環境中的水解產物對水泥水化有緩凝作用，嚴重阻礙纖維與水泥基體之間的界面黏結［17］.此外，植物纖維具有較強的吸濕性，使得纖維周圍局部水灰比較大，形成多孔、多裂紋、富含氫氧化鈣晶體的界面薄弱區［18］.在自然界干濕循環過程中，植物纖維交替的膨脹和收縮使界面黏結逐漸弱化，不能有效地橋接裂縫和承擔荷載［19］.

3 植物纖維劣化的改善措施

延緩植物纖維在水泥基體中的性能退化，改善纖維與水泥基體界面黏結性能，是將植物纖維用于增強水泥基材料亟待解決的關鍵問題.為此，國內外研究者所采取的基本手段有2 種：水泥基體改性和植物纖維改性.

3.1 水泥基體改性

3.1.1 碳化處理

研究表明，對NFRCC 進行早期快速碳化處理可降低氫氧化鈣含量，提高NFRCC 干濕循環老化后的殘余力學性能［20-22］.然而，Teixeira 等［23］指出，碳化產物雖然能使水泥基體變得致密，抗滲性提高，但是快速碳化處理無益于NFRCC 的強度和韌性，也不能有效保持NFRCC 干濕循環老化后的殘余力學性能.Junior 等［22］的熱重測試結果表明，長時間碳化會消耗水化硅酸鈣凝膠，降低NFRCC 的延性和應變能力.

3.1.2 添加輔助膠凝材料

輔助膠凝材料，如硅灰（SF）、礦渣（SL）、粉煤灰（FA）、偏高嶺土（MK）和納米黏土（NC）等多以活性硅質、硅鋁質為主，可與水化產物氫氧化鈣發生火山灰反應，生成鈣硅比較低的水化鋁硅酸鈣和水化硅酸鈣.大量研究表明，添加輔助膠凝材料能延緩植物纖維在水泥基體中的性能退化，提高植物纖維的長期增韌效應［4，16，22，24-25］.例如，謝曉麗［4］和Junior 等［22］分別以40% SF 和27% MK+40% FA（其中的含量均為質量分數）等量替代硅酸鹽水泥獲得無氫氧化鈣的水泥基體，經過干濕循環后，NFRCC 的抗折強度與斷裂韌性仍能保持老化前的水平.但是，這些研究中所添加的輔助膠凝材料用量遠超過混凝土工程實踐中的常用范圍，不僅成本提高，對新拌混凝土的工作性也有不利影響.

3.2 植物纖維改性

目前，應用于增強水泥基體的植物纖維改性研究主要包括：堿處理、漂白處理、蒸汽爆破處理、熱處理、角質化處理、等離子體處理和表面包覆處理等.

3.2.1 堿處理

堿處理是一種常用的植物纖維改性方法.堿處理能去除植物纖維表面的木質素、半纖維素、果膠、蠟及油脂等物質，提高纖維表面粗糙度，增大纖維與水泥基體的有效接觸面積，進而促進纖維與水泥基體的界面黏結［26］.此外，植物纖維堿處理還可以去除一些對水泥水化有延遲作用的成分（如多糖），提高植物纖維與水泥水化體系的相容性［17］.需要注意的是，堿處理對溶液濃度、浸泡時間等參數要求十分嚴格，處理不當會破壞植物纖維內部起膠結作用的物質，導致纖維抗拉強度與變形能力下降［27］.

3.2.2 漂白處理

漂白處理指用化學品去除植物纖維細胞壁中殘留的木質素，提高纖維的白度和亮度.研究表明，漂白處理后的植物纖維對水泥水化阻礙作用減弱，表面粗糙度提高，與水泥基體之間的黏結增強［28-29］.然而，Tonoli 等［28］研究發現，漂白處理不僅使植物纖維的強度和剛度降低，而且對纖維表面起屏障作用的木質素和半纖維素在漂白過程中也被大量去除，從而為有害離子向纖維內部入侵掃清障礙，加速了纖維性能退化.

3.2.3 蒸汽爆破處理

植物纖維經過高溫高壓蒸汽處理后，半纖維素、木質素、果膠等小分子化合物降解軟化被去除，纖維素含量提高.Sellami 等［30］和Cabral 等［31］分別對甘蔗渣纖維和迪絲草纖維進行蒸汽爆破處理，處理后的植物纖維對水泥水化的阻礙作用減弱，親水性降低，所制備的NFRCC 具有更低的吸水率和膨脹性，力學性能顯著提高.

3.2.4 熱處理

植物纖維在加熱過程中羥基之間會發生脫水縮合反應，導致親水性官能團減少，親水性降低；與此同時，半纖維素發生分解，使纖維結晶度提高，從而提高植物纖維的抗拉強度和彈性模量.Wei等［32］研究表明，劍麻纖維在150 ℃下烘干8 h 后拉伸強度和楊氏模量分別提高了45%和70%，結晶度由20.27%提高至26.42%，所制備的NFRCC 經過30 次干濕循環后，其抗劈拉強度和抗壓強度與對比樣相比分別提高了24.4%和19.6%.

3.2.5 角質化處理

植物纖維角質化是指纖維細胞腔的不可逆收縮與內部氫鍵的形成，發生角質的纖維潤脹能力降低，親水性下降，體積穩定性提高［33］.Ferreira 等［34］分別對鳳梨葉纖維、黃麻和劍麻纖維進行連續干濕循環處理，使纖維細胞角質化，研究表明：經過5 次循環處理的植物纖維不僅抗拉強度提高，與水泥基體的界面黏結強度也得到提高；但10 次循環處理后，鳳梨葉纖維的剛度呈下降趨勢.因此，在對植物纖維進行角質化處理時，應同時考慮干濕循環次數對植物纖維結構造成的損傷.

3.2.6 等離子體處理

等離子體處理是纖維表面改性的一種新方法，可對纖維表面進行有效的凈化、活化、粗化、刻蝕與沉積.等離子體處理可提高植物纖維的熱穩定性、疏水性，在提高植物纖維與基體界面黏結方面優于某些化學改性［35-36］.Barra 等［37］通過對劍麻纖維進行甲烷等離子體處理，在其表面形成疏水性聚合層，降低了纖維吸水率，提高了纖維與水泥基體界面黏結強度.然而，等離子體表面處理技術復雜，需要借助貴重儀器設備，導致等離子體改性植物纖維在建筑材料領域難以推廣應用.

3.2.7 表面包覆處理

植物纖維豐富的官能團使其易于通過物理結合或化學鍵合的方式與表面包覆材料發生作用.李國忠等［38］采用質量分數為10%的脲醛樹脂溶液對棉花秸稈纖維進行表面處理，形成堅固密實的界面結合層，有效提升了水泥基復合材料的強度和耐水性.王磊等［39］采用硅酸鈉溶液和水泥漿對牧草纖維進行表面包裹，避免纖維中的糖分進入砂漿阻礙水化，同時易于與水泥膠砂結合，減少薄弱界面的形成，有效提升了橡膠粉水泥膠砂的抗折性能.國外研究團隊通過在植物纖維表面包覆防水涂層［30］、硅烷偶聯劑［40］、聚合物乳液［41］等來提高纖維與水泥基體界面黏結強度.

以上包覆改性主要改善植物纖維與水泥基體的界面黏結性能，對植物纖維耐堿性方面的研究則很少兼顧.為延緩植物纖維性能退化，姜平偉等［42］用改性聚乙烯醇對棉花秸稈纖維進行浸泡處理，在纖維表面形成固化膜，隔絕纖維與水和空氣的直接接觸.徐輝［43］、Tonoli 等［44］、Wei 等［32］研究證明，對植物纖維進行聚合物、硅烷偶聯劑、Na2CO3結晶包覆處理可阻止水化產物向纖維內腔遷移，所制備的NFRCC 經過人工加速老化后力學性能保留值均高于未改性試樣.Zhao 等［45］將具有選擇透過性的3 種氧化石墨烯基膜（氧化石墨烯GO、還原氧化石墨烯rGO 和還原氧化石墨烯負載鎳納米粒子rGO/Ni NPs）包覆在劍麻纖維表面，經過NaOH和Ca（OH）2溶液浸泡處理后，劍麻纖維的質量損失與抗拉強度損失均遠低于未包覆纖維，證明3 種氧化石墨烯基膜能有效阻礙有害離子向纖維內部遷移，對纖維起到保護作用（圖2）.

圖2 表面包覆的氧化石墨烯基膜阻礙有害離子向纖維內部滲透示意圖Fig.2 Schematic drawing of protection provided by the GO-based membranes against the migration of harmful ions into the fiber［45］

有研究者將具有火山灰活性的微粒，如硅灰、高嶺土等包覆在植物纖維表面，利用火山灰反應消耗氫氧化鈣，以降低纖維周圍的堿性，從而減弱水泥基體對植物纖維的侵蝕［46］.與直接將火山灰活性微粒加入水泥基體相比，將它們包覆在植物纖維表面能夠避免其在水泥基體中團聚，是一種更有效、更經濟的方法.

4 結論與展望

植物纖維作為一種綠色水泥基增強材料，具有抗裂增韌、內養護、建筑節能等優勢.但是植物纖維在堿性水泥基體中存在性能退化與界面黏結弱化等缺點.盡管已有大量研究表明添加輔助膠凝材料和表面包覆植物纖維是解決這2 個問題的有效途徑，但是遠未達到理想效果，尚需繼續深化研究.在后續研究工作中，建議注意以下幾點：

（1）對復合膠凝體系進行優化設計，使其同時滿足混凝土工作性、強度、耐久性等多方面要求.

（2）優選表面包覆材料，優化制備工藝，進一步提升對植物纖維的保護作用.

（3）在混凝土生產實踐中，劇烈攪拌對表面包覆層的損壞也是值得關注的問題.

相信隨著研究的不斷深入與各學科交叉融合，上述問題將逐漸得到解決，為植物纖維增強水泥基復合材料的推廣應用奠定理論基礎.