浅析天然纤维混凝土的研究与应用

姜志炜 李 卓 王 彦 张东良 朱丹丹

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

来源于动植物的天然纤维，例如稻草、麦秸和马鬃，早在公元前1400年就被古人简单处理后应用于增加土制品强度。在古代，我国人切断秸秆或杂草掺入自然干燥的粘士砖中，古罗马人剪短马鬃将其掺于石灰或火山灰水泥中。在今天，仍有部分欠发达中国家在使用掺入稻草增强的灰泥和砖。20世纪以来，混凝土相对于人工合成纤维，天然纤维具有成本低、来源广、绿色环保等特点，因此目越来越多国家和地区开始研究天然纤维混凝土，并取得了显著成果。

1 天然纤维混凝土研究状况

早在19世纪70年代，天然纤维混凝土初步出现，20世纪初奥地利人Hatschek采用圆网抄取机制造石棉水泥板，使得石棉水泥走向工业化生产。而近代纤维混凝土的理论由美国H.F.Porter于1910年提出，此后纤维混凝土开始进入大众的视野。20世纪70年代后，玻璃、石棉、碳等高弹性模量纤维与尼龙、聚丙烯、植物等低弹性模量纤维进入快速发展阶段，人们对其进行普遍的研讨并取得了丰富的成果。20世纪80年代，［1］芬兰技术研究中心的AskoSarja教授等成功研制出了植物纤维混凝土，其造价比一般房子的造价大概低30% -40%。经过试验分析，发现比重为1200—1800kg/m3的植物纤维混凝土可与普通混凝土一样在结构方面使用。20世纪90年代中期，［2］埃及科学家对棕搁树叶纤维增强混凝土力学强度的进行研讨。［3］日本的ToshoMoruma公司则开展竹茎代替钢筋来增强混凝土的项目研究。

而国内有关天然纤维混凝土的研究与应用相对较晚。直至20世纪80年代末，天然纤维混凝土才进入国内研究视野。［4］1988年8月植物纤维混凝土板技术座谈会在北京召开，随后相关技术开始传入中国。在此之后，我国的天然纤维混凝土的研究与应用开始迅速发展。

2 天然纤维混凝土的性能与应用优势

2.1 力学性能

天然纤维混凝土的力学性能研究主要集中于植物纤维混凝土的力学性能研究，即采用简单的力学性能试验，综合研究不同的掺量、长茎比差异、纤维种类差别等对混凝土强度的影响。

1）抗压强度，王雪［5］等人通过以剑麻纤维为原材料，依次采用如下梯度 （0.0kg/m3、0.9kg/m3、1.5kg/m3、2.0kg/m3、2.5kg/m3）的纤维掺加量对混凝土的抗压强度进行研究，研究发现剑麻纤维的加入会在一定程度上增强混凝土的抗压强度。但单从抗压强度一方面而言，效果并不显著，且纤维最佳掺量为2kg/m3，若超过此掺量，纤维对混凝土的抗压强度性能的提升幅度将减小。与普通混凝土相比，剑麻纤维混凝土最大可提升9%强度，这与临界纤维体积率理论是一致的，临界纤维体积率大约为0.1%左右。

据包惠明［6］对剑麻纤维应用于混凝土的研究，同样发现剑麻纤维有效的提高混凝土的早期强度，而且随着龄期的增加而增长，不过强度提高比例减缓，整体上呈上升趋势。

2）抗折强度，抗折强度是评价各类混凝土抗拉强度的重要指标之一。王雪［5］等人通过曲线拟合实验数据得出，在3.0kg/m3的剑麻纤维掺量时出现不同幅度的抗折强度下降，但随着纤维掺量的增加，抗折强度继而大幅度提升。包惠明［6］在研究中指出，剑麻纤维对混凝土的作用存在于以下两方面，一方面剑麻纤维抑制混凝土细微裂缝的发展，提高混凝土的强度；另一方面剑麻纤维增加试块的孔隙，形成混凝土破坏的脆弱之处。但两方面相对比，剑麻纤维对强度提高的积极影响一般处于主导地位。

3）抗冲击性能，李超飞等人［7］的研究表明，混凝土凝固后纤维握裹水泥黏联形成致密的、乱向分布的网状增强系统，增强了混凝土的总体韧性与强度。在荷载的作用的条件下，横跨裂缝的纤维可以承担压力来提升了混凝土的极限应变性能。在冲击作用的条件下，天然纤维则凭借吸收能量来减少集中应力的作用，进而阻止混凝土裂缝的蔓延，从而提高混凝土的抗冲击性能。

2.2 工作性能

1）抗裂性，收缩性是各类混凝土的另一主要特性之一。混凝土收缩而产生的微裂缝一旦延伸，将最终会导致结构的损坏。但是在混凝土混合料中掺入天然纤维，会减少混凝土10%—15%的收缩性，从而有效避免收缩带来的损坏。在受到荷载作用时，混凝土的基体与纤维共同承受压应力，同时纤维承受混凝土的拉应力，从而在很大程度上起到了减缓裂缝扩大的作用，提高了混凝土的抗裂性能。

2）耐久性，冷热交替的干湿循环与冻融循环作用是影响混凝土耐久性的主要原因。经过一系列的研究，结果表明在混凝土材料中掺入一定量的植物纤维可以大幅提升混凝土抗干湿循环作用，有益于改善混凝土的耐久性能。巩亚琦［8］对黄麻纤维的研究得出：黄麻纤维的掺入，降低了混凝土混合物泌水及集料的离析，并可一定程度上增加含气量；在受到冻胀作用条件下，减少、减缓裂缝的产生和扩大，有效的提高了混凝土的耐久性。

2.3 其它性能（保温性、隔热性）

植物纤维具有良好的保温隔热效果。通过实验数据对比导热系数得到，植物纤维墙体材料的导热系数比其它墙体材料的导热系数小的多，即植物纤维墙体材料具有很好的保温隔热效果。

3 天然纤维混凝土存在的问题

3.1 腐蚀问题

Song［9］等人应用Ca（OH）2处理秸秆，结果发现其中的半纤维素、木质素与纤维素得到分解。Cheng［10］的研究显示，在温度为100摄氏度时用碱溶液处理可以溶解的木质素比例高达百分之六十至百分之七十。在曹旭辉［11］的实验中，稻草纤维在浓度为百分之一的氢氧化钠中质量损失率高达百分之四十左右，这是由于碱性溶液中电离出的氢氧根离子与纤维素和半纤维素间的氢键发生反应，与半纤维素和木质素间的酯键发生反应。另外据研究［12］表明，纤维在混凝土中由于水泥的水化产物产物呈碱性而遭受腐蚀，进而丧失力学性能。因此纤维在混凝土中的腐蚀作用对纤维混凝土的应用有着不可忽视的负面影响。而现在采取的方法只是在加入纤维素之前将纤维进行酸化处理或者用粉煤灰、硅灰等代替部分水泥来降低混凝土的碱性，应用较局限。

3.2 粘结问题

混凝土随纤维含量的增加，其力学性能先增强然后减小，这是因为纤维增强混凝土力学性能是通过其在混凝土中均匀乱向散布来达到的。混凝土中纤维与基体紧密相连类似于微加筋，纤维均匀乱向分布则有助于形成较稳定的纤维混凝土结构。然而当纤维增多时，复合材料搅拌困难，纤维出现团聚，纤维结团会影响纤维和混凝土的均匀分布，使纤维和混凝土不能充分粘结，混凝土基体和纤维的粘结性能下降。同时纤维粘结增加了混凝土内部稳定且封闭的空隙，降低了混凝土抗拉压强度，提高了混凝土的吸水性［13］。

3.3 生产使用问题

天然纤维混凝土的概念形成时间较短［14］，土木行业对天然纤维混凝土了解不深刻，导致市场不成熟，对废旧纤维的回收渠道单一，不能广泛获取，且回收来的废旧纤维需要进行二次加工才能利用，利用率低，因此无法在大量使用混凝土时推广使用天然纤维混凝土。

3.4 纤维吸水膨胀问题

植物纤维由植物细胞构构成，有干缩和吸水膨胀的特点［15］。当天然纤维受潮吸水后将破坏混凝土材料本身的配合比，使得混凝土拌合物的稳定性下降，进而导致混凝土成型后易在混凝土内部易形成透水通道，降低混凝土的密实性，侵害混凝土的和耐久性和力学功能。

3.5 纤维粘结力问题

纤维混入混凝土中时，由于粘结力不高，必定和混凝土基体之间形成连接面，连接面的形成将在混凝土中出现新的问题，所以提高天然纤维与混凝土之间的粘结力将削减连接面的数量，使混凝土经久耐用。

3.6 规范问题

在天然纤维混凝土领域还没有出台一些相关规定和规范，研究者各自使用的方法和规范也不尽相同，导致实验之间联系松散，实验成果对其他研究者的参考价值降低。

4 结语

现今，国内建筑行业仍呈递增趋势，对建筑材料（如混凝土）的综合性能要求也愈加严格。就混凝土自身性能而言，仍具有缺陷，所以如何改善这些缺陷从而获得更大的效益成为了我们的研究方向。天然纤维凭借其成本低、有利于环境保护且符合绿色可持续发展等优点再次闯入了我们研究的视野，预计可以收获可观的经济效益与良好的社会效益。