木質(zhì)纖維和竹纖維在混凝土中的應(yīng)用前景

周鑫 王鈞 李論

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

近年來，對于纖維增強(qiáng)混凝土的相關(guān)研究有增無減。在混凝土中摻入一定比例的無機(jī)纖維、有機(jī)纖維，都會給予混凝土優(yōu)異的力學(xué)性能。但是，在考慮結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，還需兼顧材料的經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保性及可持續(xù)發(fā)展性。木質(zhì)纖維、竹纖維的市場供應(yīng)量富足，價(jià)格低廉，取自天然可再生木材、竹材，無毒無害，足以保證其綠色環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展。因此，木質(zhì)纖維、竹纖維在混凝土中的應(yīng)用前景較為可觀。

1 木質(zhì)纖維、竹纖維的特性

1.1 木質(zhì)纖維

木質(zhì)纖維取自天然可再生木材，主要由木質(zhì)纖維素構(gòu)成，是經(jīng)過化學(xué)處理與機(jī)械加工后形成的有機(jī)絮狀物質(zhì)。木質(zhì)纖維無毒、無放射性，對人們的身體健康無影響，對生態(tài)環(huán)境也不會造成污染。木質(zhì)纖維的主要成分為纖維素、半纖維素及木質(zhì)素，這就使得木質(zhì)纖維具備了一定的獨(dú)特優(yōu)勢:1)木質(zhì)纖維憑借著較好的易分散性能及柔韌性能，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系，具備良好的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的耐久性能;2)木質(zhì)纖維在水、堿性及弱酸性溶液中不發(fā)生溶解，因此在水泥水化反應(yīng)過程中木質(zhì)纖維的性能不發(fā)生改變，同時(shí)很大程度上提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性;3)木質(zhì)纖維重量較輕，可以一定程度上減小纖維混凝土的自重;4)木質(zhì)纖維由于木質(zhì)素的存在，因而具備一定的粘性，這種粘性會抑制結(jié)構(gòu)的收縮與膨脹，使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大大提高;5)木質(zhì)纖維具有很強(qiáng)的耐低溫、耐高溫性能，使結(jié)構(gòu)的低溫抗裂性與高溫穩(wěn)定性大幅度提升。由于木材的生長發(fā)育受季節(jié)更替的影響，所以出現(xiàn)了早材與晚材的劃分。早材與晚材中單根纖維的形態(tài)有所差異，這就導(dǎo)致了在相同的樹木中纖維的力學(xué)性能優(yōu)良不一。早在1959年，國外學(xué)者Jayne就對白云杉及花旗松兩種樹木的早材、晚材中纖維的基本力學(xué)性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，白云杉早材與晚材中纖維的平均抗拉強(qiáng)度分別為523 MPa與569 MPa，彈性模量平均值分別為25.221 GPa與35.060 GPa;花旗松早材與晚材中纖維的平均抗拉強(qiáng)度為343 MPa與951 MPa，彈性模量平均值分別為17.768 GPa 與 42.637 GPa［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，Burgert等人運(yùn)用先進(jìn)的機(jī)械分離技術(shù)對云杉的單根纖維進(jìn)行了力學(xué)性能測試。數(shù)據(jù)表明，云杉中單根纖維的最大抗拉強(qiáng)度為1 186 MPa，最大彈性模量為22.6 GPa［2］。國內(nèi)學(xué)者曹雙平對30年生杉木單根纖維的基本力學(xué)性能進(jìn)行了測試，得出的結(jié)果為:早材單根纖維的抗拉強(qiáng)度為376 MPa～949 MPa，彈性模量為6.0 GPa～14.3 GPa，斷裂延伸率為5.7%～14.3%;晚材單根纖維的抗拉強(qiáng)度為846 MPa～2 017 MPa，彈性模量為 12.4 GPa～29 GPa，斷裂延伸率為 4.4%～9.2%［3］。目前，木質(zhì)纖維已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于墻面保溫砂漿、瓷磚粘結(jié)劑、石膏制品及瀝青混合料中，效果十分理想。

1.2 竹纖維

我國地大物博，竹材資源富足充裕，產(chǎn)量位居世界前列。竹纖維取之于天然可再生竹材，綠色環(huán)保。常見的竹纖維主要為竹原纖維、竹漿纖維與竹炭纖維。竹纖維的優(yōu)勢如下:1)竹纖維原材豐富，生長速度快，市場供給大于需求;2)竹纖維的橫向與縱向都具有較高的強(qiáng)度，可以避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn);3)竹纖維回彈性能優(yōu)越，可推測其應(yīng)該具有較高的斷裂延伸率;4)竹纖維生態(tài)環(huán)保，質(zhì)感極好，被譽(yù)為“有生命的纖維”。

單根竹纖維是纖維構(gòu)成的基本單元，對其進(jìn)行基本力學(xué)性能研究尤為重要。曹雙平對不同生長年份的毛竹單根纖維的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，可謂國內(nèi)前瞻性的研究。通過測試數(shù)據(jù)可知:2年生單根毛竹纖維的抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa～2 136 MPa，彈性模量為17.5 GPa～29.8 GPa，斷裂延伸率為4.9%～9.7%;4 年生單根毛竹纖維的抗拉強(qiáng)度為1 407 MPa～2 708 MPa，彈性模量為19.6 GPa～40.8 GPa，斷裂延伸率為 4.8%～9.2%;6 年生單根毛竹纖維的抗拉強(qiáng)度為 1 285 MPa～2 365 MPa，彈性模量為20.3 GPa～36.5 GPa，斷裂延伸率為 4.3%～8.5%［3］。

目前，竹纖維的廣泛應(yīng)用主要體現(xiàn)于紡織類產(chǎn)品。

1.3 纖維力學(xué)性能對比

目前，纖維混凝土中常用的纖維有鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維及芳綸纖維。依據(jù)上述對木質(zhì)纖維、竹纖維力學(xué)性能相關(guān)研究及文獻(xiàn)［4，5］，對比分析不同纖維的主要力學(xué)性能，如表1所示。衡量纖維是否適合應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域中的主要力學(xué)性能指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度、彈性模量及斷裂延伸率。木質(zhì)纖維、竹纖維的抗拉強(qiáng)度雖然不及鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維與芳綸纖維，但是其斷裂延伸率有著顯著優(yōu)勢，對混凝土構(gòu)件韌性的提高將起著舉足輕重的作用。雖然木質(zhì)纖維、竹纖維的斷裂延伸率不及聚丙烯纖維，但其抗拉強(qiáng)度相比之下要略勝一籌。

表1 不同纖維的力學(xué)性能

2 木質(zhì)纖維、竹纖維混凝土相關(guān)研究現(xiàn)狀

2.1 木質(zhì)纖維混凝土

所謂的木質(zhì)纖維混凝土是指利用木質(zhì)纖維增強(qiáng)混凝土，使混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提升。木質(zhì)纖維這種材料出現(xiàn)較早，但是將其作為建筑工程領(lǐng)域的材料來進(jìn)行研究相對較晚。混凝土是建筑工程中最常見、需求量最大的材料，然而目前，學(xué)者對木質(zhì)纖維混凝土的研究卻是寥寥無幾。高昱、張琳對木質(zhì)纖維在干混砂漿中的應(yīng)用情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究［6］。試驗(yàn)首先對摻入木質(zhì)纖維的膩?zhàn)优c未摻入木質(zhì)纖維的膩?zhàn)拥目沽研阅苓M(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，未摻入木質(zhì)纖維的膩?zhàn)佑捎趦?nèi)外層水分散失量不同，導(dǎo)致內(nèi)外層膩?zhàn)拥氖湛s量不同，外層膩?zhàn)右蛩稚⑹л^多，收縮較大，進(jìn)而開裂;摻入木質(zhì)纖維的膩?zhàn)樱捎谀举|(zhì)纖維的鎖水、導(dǎo)水性能，很大程度上減小了膩?zhàn)拥牟痪鶆蚴湛s，因此未發(fā)生開裂。試驗(yàn)又通過測定在同一齡期下砂漿試塊的質(zhì)量及應(yīng)變，研究了木質(zhì)纖維對砂漿失水率與干縮率的影響。結(jié)果表明，摻入木質(zhì)纖維的砂漿的失水率與干縮率都明顯的降低。為進(jìn)一步研究木質(zhì)纖維混凝土的力學(xué)性能，高昱、王東等人探究了木質(zhì)纖維對混凝土的流動(dòng)性、吸水率、抗壓強(qiáng)度及抗裂性能的影響［7］。選用國內(nèi)混凝土用木質(zhì)纖維及國外憎水性木質(zhì)纖維，按照一定的比率摻入到混凝土中，進(jìn)行平板開裂方法試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:國內(nèi)混凝土用木質(zhì)纖維降低了混凝土的流動(dòng)性，但延緩了混凝土開裂的時(shí)間，且減少混凝土裂縫面積1/4左右;國外憎水性木質(zhì)纖維對混凝土的流動(dòng)性沒有影響，且大幅度減少混凝土裂縫面積，減少率為50%。試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，這兩種木質(zhì)纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度及吸水率影響都不大。

2.2 竹纖維混凝土

竹纖維按照一定要求摻入到混凝土中即形成竹纖維混凝土。早在1990年，陳瑞麟等人就對不同摻量的竹纖維混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了測試。選用的纖維是經(jīng)過竹材加工機(jī)器生產(chǎn)出來的竹絲。研究結(jié)果表明:竹纖維的摻入可以有效抑制混凝土裂縫的開展，避免了因裂縫集中而形成的大裂縫，提高了混凝土的延性;雖然竹纖維混凝土較素混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低，但仍滿足規(guī)范要求［8］。此后，學(xué)者們淡化了對于竹纖維混凝土的研究。直至近些年，劉豫等人對竹纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用經(jīng)過表面預(yù)處理的竹纖維及普通竹纖維作為摻合料與素水泥基材料進(jìn)行力學(xué)對比，結(jié)果表明:無論竹纖維表面是否經(jīng)過處理，都會提高水泥基復(fù)合材料的早期抗壓、抗折強(qiáng)度及耐久性能;竹纖維經(jīng)過表面預(yù)處理，會提高其耐堿性能，摻入到水泥基復(fù)合材料中，會使復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)一步提升［9］。隨后，陳翔等人對竹纖維混凝土板進(jìn)行了初步探究。研究結(jié)果表明:竹纖維大幅度提高了混凝土板的抗彎強(qiáng)度，提高了混凝土板的延性，延緩了裂縫的開展［10］。

3 總結(jié)與前景展望

木質(zhì)纖維、竹纖維不僅具備優(yōu)異的力學(xué)性能，又有著良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及易分散性，這將使其與混凝土材料更好的相結(jié)合。綜合上述論證，木質(zhì)纖維、竹纖維應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中是科學(xué)合理可行的，且其原材料來源廣泛、充足，市場價(jià)格低廉，綠色健康環(huán)保，可謂有著極高的性價(jià)比與可觀的應(yīng)用前景。學(xué)者們可對木質(zhì)纖維、竹纖維混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步深入探究，在研究中砥礪前行，共譜土木工程領(lǐng)域新篇章。

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