植物纖維砂漿復合材料制備與研究

楊威龍，付 豪，常洋銘

(華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450045)

0 引言

截至2021年我國糧食總產量為682 85萬噸[1-2]，糧食的高產量化產生了大量的農作廢棄物，大量的農作廢棄物只有一小部分得到了合理、可循環的利用，而大部分的農作廢棄物被當場焚燒、填埋[3-6]。這不僅是資源浪費，而且在這一過程中產生了大量有害物質破壞了當下我們賴以生存的地球環境。我國一直堅持走可持續發展戰略，人們漸漸對傳統的合成纖維、不能回收的工業纖維和金屬纖維不看好，而產量大、可回收、價格便宜的農作物和植物天然纖維成為首選。考慮到以上原因，人們更希望采用天然植物纖維替代那些不可再生纖維應用到更廣泛的施工材料中，進而實現資源的再生循環利用，履行我國的可持續發展戰略。

水泥基材料是普遍使用的建筑材料，具有抗壓強度高和抗折強度低的特點，為了改善水泥基材料的抗折強度，使用植物纖維改性水泥基復合材料成為現代水泥基材料的主要技術方向之一。植物纖維對微裂縫的抑制作用主要體現在其抗拉、抗折強度與黏著強度，同時其自身的抗拔拉性能還會在很大程度上對水泥基材料的裹覆能力及韌性表現產生影響而且植物纖維可以對水泥基材料在初凝及終凝過程中產生的微裂縫進行有效抑制[7-8]，從而有效防止微裂縫對其力學性能產生不利影響。

但由于植物纖維主要成分木質素和半纖維素在堿性環境中易于水解，削弱纖維本身細胞間的連接，聚集態結構遭到破壞；水泥水化產物氫氧化鈣隨著水泥漿體孔溶液向纖維內部滲透，在內腔沉積造成纖維礦化。水解和礦化導致植物纖維抗拉強度與變形能力下降，逐漸喪失在水泥基體中的增強作用。

因此對植物纖維的改性成為解決其在水泥基材料是否能起到“積極作用”的關鍵所在。就目前而言，對植物纖維的改性包括以下兩個方面：一方面可以通過在水泥基復合材料中添加火山灰材料，使得孔溶液中Ca(OH)2的濃度降低；另一方面對植物纖維自身進行改性處理，這種改性包括物理手段和化學手段。其中物理手段包括纖維高溫處理、工業超聲波掃描處理、等離子光波照射處理、高溫、高壓蒸汽爆破處理。化學手段包括：酸堿性溶液浸泡處理、防水、防滲透材料涂層表面處理、干濕老化循環處理等。本文選用化學手段的堿溶液浸泡處理方式，通過5%濃度的氫氧化鈉溶液對小麥秸稈纖維浸泡，去除其表面的蠟質層和果膠，分解其內部的木質素和半木質素，從而使得其更好與水泥基體結合，發揮自身作用，提高水泥基性能。

1 試驗

1.1 原材

本文所用試驗采用的是河南永安水泥有限責任公司的“天瑞”牌普通硅酸鹽水泥，水泥品種等級為普通硅酸鹽水泥42.5級。基本性能見表1。小麥秸稈選用的是河南三門峽本地鄉村的廢棄農作物制備的長度平均為1 cm左右的秸稈纖維，見圖1。細集料選用的是普通河砂，經烘干后過篩備用。減水劑使用的是湖南中巖科技生產的聚羧酸高性能減水劑，按照水泥的質量占比加入。試驗用水為鄭州地下飲用水。氫氧化鈉溶液采用科諾試劑有限公司生產的標準溶液濃度為1.000 mol/L，即5%濃度氫氧化鈉。

圖1 小麥秸稈纖維

表1 水泥基本性能

1.2 植物纖維的改性

對小麥秸稈纖維的改性試驗，首先將小麥秸稈纖維去除雜質后多次清洗自然風干，取兩份等質量的秸稈纖維等待改性。一份小麥秸稈纖維不做任何處理，另一份小麥秸稈纖維放進5%濃度的氫氧化鈉溶液中浸泡24 h，然后放入40 ℃的電熱鼓風干燥箱中低溫烘干，確保纖維不受到高溫變質。待烘干后通過測試其質量損失程度來判斷小麥秸稈纖維的木質素、半木質素、果膠、蠟質層的析出程度。制備過程如圖2、圖3、圖4所示，結果如表2所示。

圖2 纖維的浸泡

圖3 低溫烘干纖維

圖4 得到改性后纖維

表2 水泥基本性能

由表2可以看出5%濃度的氫氧化鈉溶液浸泡的小麥秸稈纖維質量損失率為31.06%，可以得出5%濃度的氫氧化鈉溶液對小麥秸稈纖維有著較大的腐蝕作用，可以很大程度上去除小麥秸稈纖維的木質素、半木質素、果膠、蠟質層。分析原因是：經過5%氫氧化鈉溶液的浸泡處理的小麥秸稈纖維質量損失率遠遠大于未處理的小麥秸稈纖維，是由于5%氫氧化鈉溶液通過腐蝕小麥秸稈纖維表皮的蠟質層和果膠，因而將這部分的阻凝物質析出后，順著纖維的微孔表面進入到纖維內部造成進一步破壞。當氫氧化鈉溶液可以直接進入到纖維內部時，內部的半纖維素會在氫氧化鈉溶液的堿性環境下，大量水解成糖類，再經過多次清水清洗，將這部分損失的阻凝物質清洗出去，烘干后質量大幅度減少。

1.3 植物纖維復合水泥基材料配合比設計

表3 試驗配合比

通過設置0%、1%、3%、5%、7%、9%的纖維摻入量分別設置六組對照組。纖維在水泥基體中均勻分散并且間距最小是纖維能夠起到良好的阻裂效果的前提條件，因此纖維均勻分散主要取決于攪拌工藝。故摻入植物纖維的時機頗為重要，考慮采用后摻法，可以避免先摻入法過長的攪拌時間對纖維表面造成的損傷。嚴格把控試驗操作流程，減少試驗誤差。通過成型不摻入植物纖維的水泥基材料的空白試驗、多組分平行試驗等統計手段綜合考慮植物纖維對水泥基材料性能的影響。采用多次分批后摻入纖維法對植物纖維復合水泥基材料的制備工藝進行優化處理。具體操作為：先放入水泥和河砂攪拌1 min使得干料充分拌勻，然后加入小麥秸稈纖維和干粉聚羧酸高性能減水劑攪拌2 min，等所有材料充分交互均勻后加入水攪拌5 min，攪拌完成后裝模三分之一放置振動臺振動2 min，重復兩次上述裝模工序后，進行試件養護7 d、28 d。待養護至相應齡期，進行抗壓抗折試驗測試。

圖5 震動成型

圖6 抗折、抗壓測試

2 結果分析

從表4中可以看到，經過5%氫氧化鈉溶液浸泡過的小麥秸稈纖維成型的水泥基復合材料，除了7%、9%小麥秸稈纖維摻入量的L4、L5組之外其余的抗壓強度、抗折強度都高于未摻入纖維的L0對照組。其中在摻入量為5%的L3組可以看出為最佳摻入纖維量組，其28 d抗壓強度對比L0組未摻入纖維組提高了18.5%；其28 d抗折強度對比L0未摻入纖維組提高了19.5%。而L4、L5組為什么沒有提高反而降低是由于隨著纖維代替水泥質量的增加，水泥漿體很難包裹住大量的植物纖維，導致纖維暴露在試塊表面和孔隙中，纖維無法與水泥基形成緊密的狀態，從而使得試塊強度降低，如果再加大纖維的摻入量將會影響試塊成型，脫模環節直接破散。

表4 7 d、28 d抗壓抗折分析

其原因有兩方面：一方面，通過浸泡5%濃度的氫氧化鈉溶液，使得植物纖維“暴露”在一個堿性環境中，其表面光滑的蠟質層、果膠等成分受到了充分的腐蝕作用，導致植物纖維表面變得凹凸粗糙，這樣一來使得秸稈纖維和水泥基漿體之間更好地形成交互網格，促使植物纖維與漿體充分結合，更好地發揮纖維的作用，減少了水泥基體的微裂縫發展，提高了其抗壓、抗折的能力；另一方面，水泥的水化過程中產生的水化硅酸鈣和氫氧化鈣。隨著水泥水化反應，水化的硅酸鈣和氫氧化鈣不斷地生成，水泥基體隨著初凝和終凝時期慢慢開始硬化成型。隨著水泥水化過程的深入大量氫氧化鈣被釋放出來，致使水泥的水化環境慢慢變成堿性環境，使得植物纖維周圍分布大量的堿性溶液，這些堿性溶液通過纖維的微孔隙進入到纖維內部，然而小麥秸稈纖維的內部半纖維素很不穩定，會在堿溶液進入后進行水解反應，產生成糖類物質。然而這種糖類物質在水中與鈣離子相結合，使得一部分鈣離子無法析出成晶體狀，從而導致了水泥水化不徹底，水泥水化不完整。當水泥水化不徹底時，最明顯的就是水化時間長、成型難、水泥基體的強度不夠，因而不能滿足施工要求。但由于先將植物纖維經過堿性環境浸泡，纖維中的半木質素可以提前析出，有效地規避了這一點，使得纖維更好地為水泥基體“服務”。

3 結論

（1）經過5%濃度的氫氧化鈉溶液對小麥秸稈纖維進行改性處理后，其質量損失率達到了31.06%，析出了大量的阻凝物質，使得纖維表面粗糙凹凸，可以使纖維更好地與水泥基體結合，達到強化水泥基體的作用。

（2）經過設置對照組，通過比對分析當纖維摻入量為5%時為最佳纖維摻入量，成型的試塊的28 d抗壓強度和28 d抗折強度對比未摻入纖維的組分別提高了18.5%和19.5%。

（3）在水泥基體材料中加入植物稈纖維可以有效改善力學性能，且植物纖維加入水泥基體中可以降低材料的密度，從而使得水泥基體更輕量化。