植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展与应用

许秀颖 边加保 李慧源

（北京交通大学海滨学院，河北 黄骅 061100）

0 引言

在应用水泥来拌和混凝土时，因混凝土在初凝及终凝过程中会受到结构荷载及环境的影响，进而使混凝土表面出现微裂缝，这些微裂缝需要进行严格的抑制，否则势必会进一步发展，从而严重影响混凝土的美观性，甚至还会威胁到结构安全。为了提高混凝土的施工质量，人们尝试在混凝土中利用各种纤维来增强其性能表现，并由此产生了一系列的科研成果，如钢纤维增强混凝土技术、聚丙烯纤维增强混凝土技术等。不过，由于钢纤维容易受到环境影响而发生锈蚀，同时玻璃纤维、钢纤维等的造价较为昂贵，这不利于工程成本的节约。而植物纤维作为一种价格低廉且来源丰富的高分子材料，将其应用到混凝土之中，以此研发出增强水泥基复合材料，则可有效解决造价昂贵问题，同时也有助于对自然生态环境的保护。

1 植物纤维组成及其材料增强作用

植物纤维的主要组成包括半纤维素、纤维素、蜡质、果胶以及木质素，在植物纤维中，半木质素及木质素在其中主要起到黏合剂的作用。并且，木质素含量的高低，还会对植物纤维的性能表现及结构组织产生直接影响。纤维素含量及其纤维轴和原纤的旋转角度会对植物纤维的硬度及强度产生决定性影响，通常来说，原纤和纤维轴所形成的夹角越大，则说明植物纤维在硬度及强度上的表现就越差。在混凝土中应用植物纤维，能够对混凝土在初凝及终凝过程中产生的微裂缝进行有效抑制，从而有效防止微裂缝对混凝土的力学性能产生不利影响。植物纤维对微裂缝的抑制作用主要体现在其抗拉强度与粘着强度，同时其自身的抗拔拉性能还会在很大程度上对混凝土的裹附能力及韧性表现产生影响。

2 植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展

自14世纪开始，人们便利用稻草来增强土坯砖的性能，时至今日，仍旧有部分国家在灰泥及砖等建筑材料中利用稻草来增强其力学性能。植物纤维的造价非常低廉，而且来源非常广泛，不会对环境造成污染，这也使越来越多的专家与学者纷纷投入到应用植物纤维来增强材料性能的研究，并由此产生了一系列的科研成果。在上世纪七十年代，有学者便通过试验在水泥砂浆拌制过程中利用剑麻来改进其耐久性，并取得了较为理想的试验效果，试验结果证明，混凝土在添加了剑麻纤维以后，虽然能够延长其耐久性，但随着时间的推移，混凝土会逐渐变脆，为此可利用防护浸渍处理方法来延缓其变脆周期。在上世纪90年代，M.Sarigaphuti等人将白杨树、松树作为植物纤维的提取对象，并将提取的植物纤维应用到混凝土中，通过对提取的植物纤维进行锤击松散，使其成为若干根细纤维，然后以1:100的比例掺入到水泥之中，并将该水泥作为混凝土的原料，观察混凝土的裂缝发展情况，同时将其与掺量相同的聚丙烯纤维混凝土进行对比，通过对比可以发现，两种纤维在提高混凝土收缩抑制干裂的能力表现上基本相同，并且其裂缝最大宽度都只有混凝土的1/3，不会对混凝土的抗压强度及自由收缩强度产生影响。通过对这两种混凝土进行热水浸泡后，以此加速混凝土的老化过程，可以发现，两种纤维在应用到混凝土后，其韧度并不会发生改变，而且也不会因水泥石中含有的碱性物质而受到腐蚀，但在对两种混凝土进行干湿循环老化处理后，可发现这两种混凝土中的纤维韧度均降低了2/5，究其原因在于纤维的应用提高了混凝土的黏结力，而干湿循环中则会因混凝土的干缩湿胀而导致其尺寸改变，并由此产生物理损伤，进而降低了纤维在混凝土中的韧性表现。

在上世纪末，科学家曾尝试在混凝土中掺入棕榈叶纤维，其在试验过程中分析了棕榈树的叶茎结构，并在试验过程中发现了棕榈树的叶茎表皮是由大量叶绿体组成的，并且这些叶绿体的排列非常紧密，这使其表皮很难被渗透，从而使水份难以从叶茎中逃脱出来。在叶茎表皮中，还分布有大量且分散的纤维管束，水及营养便是通过纤维管素进行输送的。考虑到将纤维素掺入到水泥溶液之中，能够使纤维束内也同样含有水泥溶液，这势必会增加水泥的稠密度，相比于未进行水泥溶液浸泡的植物纤维来说，其混凝土的增强效果要弱于经过水泥溶液浸泡的植物纤维。自21世纪以来，能源紧缺形势的日益严峻，使各个国家在经济发展中迫切需要更加低廉的纤维资源，这也使许多国家都纷纷对廉价植物纤维进行研究，并取得了一系列的研究成果。例如，Romildo D.Toledo Filho等人为了提高混凝土的耐久性，在混凝土成型过程中掺入了剑麻纤维，并将成型后的混凝土利用碳化箱进行脆化过程分析，从而证明了剑麻纤维能够有效延缓混凝土的脆化过程。同时，其又在水泥基复合材料中应用了剑麻纤维，并利用硅灰浆液进行 10min的浸泡，在干燥后分析其脆化程度，进而证明了剑麻纤维同样能够用于延缓硅灰浆液的脆化周期。在此基础上，还可掺入矿物外加剂，并利用矿物外加剂来提高复合材料中剑麻纤维的抗碱性，通过对该复合材料的密实度进行分析，可发现其密实度更高，能够显著提高混凝土耐久性，经实验证明，按照1:4的比例对硅灰与矿渣进行混合，以此代替水泥，可极大改善混凝土耐久性。

3 植物纤维增强水泥基复合材料的应用

因植物纤维的来源非常广泛，并且价格较为低廉，这使其在水泥基复合材料中有着非常广阔的应用前景。为此，JamesHaidie企业便在水泥外墙挂板中应用了植物纤维，从而使水泥制品的耐久性得到了显著提高，同时也降低了产品的生产成本。其将波特兰水泥、植物纤维及砂进行混合，以此生产出水泥外墙挂板，该产品的强度非常高，并且不易腐烂和翘曲，能够抵抗白蚁的蛀蚀，同时还兼具良好的隔音性能与保温性能。除此之外，我国还在吸水水泥中应用了植物纤维，从而研发出一种水泥基复合材料，该材料能够支持植物的自然生长，并且材料自身在吸收大量水分后，并不会影响其强度，这使其能够在水利工程中得到广泛应用，因植物能够在材料表面中自然生长，这使其能够对当地的生态环境进行有效保护，同时也能增加城市绿化面积，从而推动现代化城市的可持续发展。

4 结语

总而言之，植物纤维凭借其广泛的来源渠道以及低廉的价格，在工程建设中有着极为广阔的发展前景，其可有效提高混凝土的耐久性，利用植物纤维来对增强水泥基复合材料进行研发，还能够降低混凝土的造价，并且兼具环保、无污染的优势。随着科学技术的发展，将有更多的水泥基复合材料在市面中出现，而植物纤维在我国现代化社会建设中也必将发挥出更大的作用。