竹纖維水泥基材料力學及調濕性能

王倩，魏太兵，李華偉，劉飛宇

（1.武夷學院 土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300；2.閩北山地地質災害防治福建省高校工程研究中心，福建 武夷山 354300）

建筑是人們生產和生活的重要場所，人們有80%以上的時間是在建筑物中停留的，因此建筑室內環境的舒適性直接影響人們的生活質量[1]。空氣濕度是影響室內環境舒適度的重要因素，空氣濕度高，會滋生各種病毒和細菌；空氣濕度低，又會對人們皮膚、呼吸系統帶來傷害，不利于人們身體健康[2-3]。人們為了追求舒適的濕度環境，只能采用空調等設備進行濕度調節，但空調設備耗能大，不符合節能減排的雙碳目標。所以在不消耗外界能源的情況下使用可再生資源制備能改善室內濕度環境，具有良好調濕性能的調濕材料具有重要的意義[4]。

國內調濕材料相較于日本起步晚、發展慢。近年來，隨著國家對綠色環保調濕材料的重視，國內學者對生物質調濕材料的研究也取得突飛猛進的進步。陳偉等[5]利用稻桿，花生殼磨碎后作為骨料，加入酸化的海泡石按一定比例混合，經熱壓成型，并蒸汽養護后制得復合調濕砌塊，并通過對密閉空間濕度調節能力進行研究，得出復合調濕試塊調濕性能優于硅膠，調濕性能顯著。倪海燕[6]利用竹筍殼纖維為調濕原材料，通過對吸放濕性能和吸濕膨脹性能測定，證明了竹筍殼纖維作為調濕材料的可行性。胡明玉等[7]以硅藻土和稻殼灰為調濕原材，通過添加無機改性摻合料，并按一定的配比進行混合制備復合調濕材料，試驗結果表明稻殼灰摻量為9%～17%時，復合調濕材料具有較高的耐水性、強度和調濕性能。肖力光等[8]以秸稈和硅藻土為調濕原材，硫鋁酸鹽水泥為主要膠凝材料制備了秸稈纖維水泥基復合板材，通過對復合板材調濕性能進行研究，得出添加硅藻土可提高秸稈纖維復合板材的調濕性能，且調濕性能隨摻量增加而提高。Ji 等[9]利用油菜和混合軟木制備生物炭，將制備的生物炭以2%～8%的比例添加到砂漿中制備生物炭-砂漿建筑材料，并對其濕熱性能進行測定，試驗表明生物炭-砂漿建筑材料有助于濕度控制，可以提高砂漿的濕熱性能。綜上可知，可再生生物質材料在調濕性能方面具有一定的優勢，在資源緊張和雙碳戰略下，充分利用可再生資源開發調濕材料具有重要的意義。

竹纖維作為一種常見的可再生生物質材料，在增強水泥基力學性能及在紡織材料中的吸濕性研究較多，但在建筑材料中的調濕性能研究較少。竹纖維的主要成分是纖維素，約占纖維質量的70%，纖維素是植物細胞壁的組成成分，是葡萄糖組成的大分子多糖，每個糖單元含有3 個羥基基團，這使得纖維素有很大的親水性，容易吸濕，而且容易醚化、氧化與交聯[10]。因此利用竹纖維制作調濕材料具有可行性。本文利用竹纖維為調濕基材，硅酸鹽水泥為膠凝材料，采用正交試驗，研究竹纖維摻量，竹纖維長度，以及水灰比三因素對調濕材料強度、耐水性、調濕性能的影響。通過試驗，尋求既能滿足強度和耐水性要求，又有較好調濕性能的材料配合比，為竹纖維耐水性建筑調濕材料的制備及應用進行探索。

1 材料及方法

1.1 原材料

膠凝材料，為江西省玉山萬年青水泥股份有限公司生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，符合GB175—2020《通用硅酸鹽水泥》的要求，其基本性能參數見表1。

表1 水泥的基本性能參數Tab.1 The basic performance parameters of cement

竹纖維，為福建省海博斯化學技術有限公司生產的竹原纖維，平均直徑30.5 μm，密度1.57 g·cm-3，抗拉強度為2.42 cN/dtex，吸水率為51%，其主要化學組成（質量分數）見表2。

表2 竹纖維的主要化學成分Tab.2 Main chemical constituents of bamboo fiber%

砂，為廈門艾斯歐標準砂有限公司生產的ISO 標準砂，適用于水泥膠砂試驗，粒徑范圍：0.08～2 mm。符合規范GB/T17671—1999 《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》要求。

1.2 正交試驗方案

以竹纖維摻量、竹纖維長度、水灰比為三因素，每個因素設置三個水平，設計正交試驗，以優化竹纖維水泥基調濕材料的配合比。通過試驗，對其結果進行極差分析，找出對各項指標有顯著性影響的因素，探索不同的因素，不同的水平對竹纖維水泥基材料的強度、耐水性和調濕性能的影響規律。

竹纖維密度小，吸水率大，在水泥基材料中的摻量不能太大，否則對用水量的需求很大，對砂漿的工作性能影響也很大。通過預實驗，初步設定竹纖維的摻量為膠凝材料質量的1%、3%、5%三個水平。竹纖維細長，太長做抹面砂漿容易在表面滲出，影響抹面砂漿的表面平整性和美觀性，通過預實驗，采用比8 mm短的竹纖維，砂漿表面不受影響，本實驗設定竹纖維長度為2、5、8 mm 三個水平。竹纖維吸水大，水灰比太小，砂漿試件不易成型，水灰比太大，試件強度降低明顯，根據預實驗，設定水灰比為0.5、0.55、0.60 三個水平。依據GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗檢驗方法（ISO 法）》的要求進行試驗，膠砂比固定為1∶3。根據三個因素三水平且不考慮各因素之間的交互作用，實驗采用L9(34)的正交表，正交因素表見表3。

表3 正交因素水平表Tab.3 Orthogonal factor level table

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

根據正交試驗方案，制作40 mm×40 mm×160 mm水泥膠砂試件，標準養護28 d 后測定抗壓和抗折強度，測試結果見表4。

表4 正交試驗各項指標結果Tab.4 The results of each index of the orthogonal test

根據表4 中強度結果，對28 d 抗壓強度和抗折強度進行極差分析，結果見表5。

表5 28 d 強度極差分析Tab.5 28 d strength range analysis

2.1.1 28 d 抗壓及抗折強度影響因素敏感性分析

由表5 的極差分析可知，影響28 d 抗壓強度的主要因素是竹纖維摻量，其次是水灰比，竹纖維長度最小。竹纖維摻量由1%增加到5%，抗壓強度減小26.7%，水灰比從0.5 增大至0.6，抗壓強度降低16.7%，竹纖維長度從2 mm 增大到5 mm 時，強度增大0.9%，當長度增大至8 mm 時，抗壓強度稍有下降。各因素對28 d 抗壓強度影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量＞水灰比＞竹纖維長度，最優組合為A1B2C1。

影響28 d 抗折強度的主要因素是竹纖維摻量，其次是水灰比。竹纖維摻量由1%增加到5%，抗折強度減小了23.2%，水灰比從0.5 增大至0.6，抗折強度降低8.2%，竹纖維長度從2 mm 增大到5 mm 時，強度增大5.2%，當長度增大至8 mm 時，抗折強度稍有下降。各因素對28 d 抗折強度影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量＞水灰比＞竹纖維長度，最優組合為A1B2C1。與抗壓強度結果一致。

2.1.2 耐水性能影響因素敏感性分析

將調濕試件養護到齡期后，浸入水中浸泡4 d，測定吸水飽和試件抗壓強度R，并測定氣干狀態下試件的抗壓強度R1，計算軟化系數K，公式為：

根據表4 中軟化系數結果，對影響軟化系數的各因素進行極差分析，結果見表6。

表6 軟化系數極差分析表Tab.6 Softening coefficient range analysis table

由表6 的極差分析可知，影響軟化系數的主要因素是竹纖維摻量，其次是水灰比。竹纖維摻量由1%增加到5%，軟化系數減小了5.6%，水灰比從0.5 增大至0.6，抗壓強度降低2.6%，竹纖維長度從2 mm 增大到8 mm 時，軟化系數只下降0.5%，變化不大。各因素對軟化系數影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量＞水灰比＞竹纖維長度，最優組合為A1B2C1。

2.2 總吸放濕率

根據正交試驗方案，制作20 mm×20 mm×20 mm的調濕試塊，養護28 d 后依照GB/T20312—2006《建筑材料及制品的濕熱性能、吸濕性能的測定標準》進行吸放濕性能實驗。試驗采用干燥器法，干燥器中濕度由MgCl2、K2SO4兩種飽和鹽溶液提供，25 ℃時兩種飽和鹽溶液在干燥器中形成的相對濕度MgCl2為33%，K2SO4為98.2%。

將養護至齡期的調濕試件放入烘箱中烘干，烘干后稱量質量m0，然后依次放入盛有MgCl2和K2SO4兩種飽和鹽溶液的干燥器中進行吸濕，達到吸濕平衡后，稱量試樣的質量，然后再將試件放入盛有MgCl2飽和鹽溶液的干燥器中進行放濕，達到放濕平衡后，稱量試樣的質量，并按公式（2）計算出試件在兩種濕度下的吸放濕平衡含濕率u。總吸濕率U吸和總放濕率U放分別為：

式中：m 為吸放濕平衡時試件質量；u1為33%濕度下試件吸濕平衡含濕率；u2為98.2%濕度下試件吸濕平衡含濕率；u3為33%濕度下試件放濕平衡含濕率。

調濕材料在33%和98.2%濕度下吸濕平衡含濕率及放濕平衡含濕率見表7。

表7 試件吸放濕平衡含濕率Tab.7 Specimen moisture absorption and desorption equilibrium moisture content

按公式（3）和（4）可計算出各調濕試件總吸濕率為1.8%、1.93%、2.04%、2.47%、2.16%、2.30%、2.81%、2.87%、2.77%；總放濕率分別為1.11%、1.17%、1.30%、1.67%、1.35%、1.50%、1.92%、1.94%、1.89%。

對總吸濕率和總放濕率進行極差分析見表8。

表8 總吸放濕率極差分析Tab.8 Range analysis of total absorption and desorption rate

2.2.1 總吸濕率

由表8 的極差分析可知，影響總吸濕率的主要因素是竹纖維摻量，其次是水灰比。竹纖維摻量由1%增加到5%，總吸濕率增大46.9%，水灰比從0.5 增大至0.6，吸濕平衡含濕率增大9.8%，竹纖維長度從2 mm增大到5 mm 時，吸濕率降低1.7%，當長度增大至8 mm時，吸濕率又提高2.2%。各因素對總吸濕率影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量＞水灰比＞竹纖維長度，最優組合為A3B3C3。

2.2.2 總放濕率

由表8 的極差分析可知，影響總放濕率的主要因素是竹纖維摻量，其次是水灰比。竹纖維摻量由1%增加到5%，總放濕率增大61.3%，水灰比從0.5 增大至0.6，總放濕率增大13.1%，竹纖維長度從2 mm 增大到5 mm 時，總放濕率降低4.5%，當長度增大至8 mm時，放濕率稍有提高。各因素對總放濕率影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量＞水灰比＞竹纖維長度，最優組合為A3B1,3C3。

2.3 吸放濕速率

將各組調濕試塊先放入濕度為33%的MgCl2飽和鹽溶液中進行吸濕，使其達到吸濕預平衡，然后放入濕度為98.2%的K2SO4鹽溶液中進行吸濕，間隔（24±1）h 記錄一次試塊的質量，并計算吸濕含濕率，直至吸濕平衡。再放入濕度為33%的MgCl2飽和鹽溶液中進行放濕，間隔24±1 h 記錄一次試塊的質量，并計算放濕含濕率，直至放濕平衡。吸放濕速率V 的計算式為：

式中：m1為吸濕后（放濕前）試件質量；m2為吸濕前（放濕后）試件質量；m0為試件烘干質量；t 為時間，單位為d。

根據各時刻調濕試塊的吸放濕平衡含濕率繪制吸濕動力曲線圖和放濕動力曲線，見圖1。

圖1 竹纖維調濕材料的吸放濕動力曲線Fig.1 Moisture absorption and desorption dynamic curve of bamboo fiber humidity control material

根據各時刻調濕試件的吸放濕速率數據，繪制調濕材料吸濕速率柱狀圖和放濕速率柱狀圖，見圖2。

圖2 吸放濕速率Fig.2 Moisture absorption and desorption rate

由圖1 和圖2 可知，各組調濕材料第1 天吸濕速率均最大，隨著時間的延長，吸濕速率逐漸下降，所有調濕材料在六天后基本達到吸濕平衡。由圖2（b）可知，各組調濕材料第1 天內放濕速率均最大，隨著時間的延長，放濕速率迅速降低，整個放濕過程呈現出前快后慢的特征。所有試件在3 天后基本達到放濕平衡，竹纖維摻量低時只要兩天試件就達到放濕平衡。各組調濕材料放濕過程均快于吸濕過程。對第1 天吸放濕速率求極差，極差分析見表9。

表9 吸放濕速率極差分析Tab.9 Absorption and desorption rate range analysis

由表9 的極差分析可知，影響吸放濕速率的主要因素是竹纖維摻量，其次是水灰比。各因素對吸放濕速率影響的顯著性由大到小為竹纖維摻量＞水灰比＞竹纖維長度，最優組合為A3B1,3C3。

2.4 最優方案確定

對于強度和耐水性最優組合為A1B2C1，對于總吸放濕率和吸放濕速率的最優組合都是A3B3C3。調濕性能和強度對于材料來說是相反的兩面，當材料強度最優時反而調濕性能最差，當調濕性能最優時，強度最差。所以最優配合比選擇時要考慮材料所應用的場景，具體可根據強度優先還是調濕性能優先來進行選取，利用調濕性能時可在強度、耐水性符合的條件下盡量選擇竹纖維摻量大一些，水灰比大一些的配合比組合。本試驗綜合強度、耐水性和調濕性能，選擇調濕性能最好的A3B3C3。

2.5 掃描電鏡分析

為更深入的研究竹纖維水泥基材料的調濕機理，對材料進行掃描電鏡分析，觀察竹纖維微觀形貌及孔隙特征，再結合吸、脫附理論進行調濕機理分析。圖3為竹纖維調濕材料的電鏡照片。

圖3 竹纖維調濕材料掃描電鏡照片Fig.3 Scanning electron microscope photo of bamboo fiber humidity control material

由圖3(a)可以看出，竹纖維在水泥基材料中呈三維亂向分布，竹纖維與水泥基結構的交界面有很多孔隙，形成界面區，該區域與水泥基體相比，孔隙率高，結構疏松，形成了水泥基材料的薄弱區，當材料受到外力作用時，薄弱區首先受到破壞，從而導致材料的抗壓強度降低，但該薄弱結構對材料調濕性能有提升作用。竹纖維摻量小、水灰比小時，材料結構致密，孔隙率低，用于吸附水分子的孔道和孔洞也少，所以表現出來的調濕性能更低。當竹纖維摻量大，水灰比大時，結構疏松，孔隙率大，孔隙和孔道多，儲水空間多，表現出的調濕性能更高。從(b)圖上可看出竹纖維表面凹凸不平，有大量微細凹槽，這使得竹纖維比表面積大，表面極性強，對水分子可形成拉力作用，將水分子吸附到竹纖維表面，形成表面物理吸附作用[11]。竹纖維內部含有中空的內腔，內腔孔徑小，可形成毛細孔道吸附效應，且內腔孔徑越小，表現出的毛細孔道吸附作用越強。此外，竹纖維含有羥基親水基團，易和水分子發生羥基化反應，形成化學吸附作用[12]。因此，竹纖維可依靠表面物理吸附，毛細管吸附效應與化學吸附作用，吸附空氣中的水分子，從而對空氣濕度進行調節。表面物理吸附作用吸附力弱，吸附的水分容易脫附，且脫附速度快，而毛細孔道效應對水分子的吸附作用更強，水分不容易脫附，這部分水滯留在細小的中空內腔中，不易釋放。化學吸附是化學鍵之間的吸附，吸附作用強，吸附的水不容易脫附，故表現出來的總吸濕率要高于總放濕率。由SEM 圖可看出，竹纖維與水泥基材料交界面形成的孔隙孔徑偏大，這種大尺寸孔徑可形成儲水空間，增大材料的含濕率，但孔隙孔徑大，吸附的水分引力不強，容易脫附，且脫附速度快。

3 結論

（1）竹纖維水泥基材料強度隨竹纖維摻量增加而降低，隨水灰比增大而降低，隨竹纖維長度變化不大，耐水性隨竹纖維摻量的增加而減小，隨水灰比的增大而減小，隨竹纖維長度變化不大。

（2）竹纖維水泥基材料調濕性能隨竹纖維摻量增加而增大，隨水灰比的增大而增大，隨竹纖維的長度先降后增。所有試件吸濕平衡含濕率和放濕平衡含濕率均隨濕度的增大而增大，且在同等濕度下放濕平衡含濕率要高于吸濕平衡含濕率。竹纖維水泥基材料的吸濕速率和放濕速率均在第一天達到最大值，且隨著時間的延長，速率逐漸降低。

（3）竹纖維摻量和水灰比對于材料力學和調濕性能的影響具有相反的作用，具體應用時可根據調濕材料所處的使用位置，在強度和耐水性滿足要求下，盡量增大竹纖維摻量和水灰比。本試驗綜合考慮竹纖維水泥基材料的強度、耐水性和調濕性能，作為調濕材料時選用的最優配合比為竹纖維摻量5%、竹纖維長度8 mm、水灰比0.60。