椰殼纖維增強水泥基復合材料研究現狀與展望★

黃小琴 蔣必鳳

(三亞學院，海南 三亞 572011)

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·建筑材料及應用·

椰殼纖維增強水泥基復合材料研究現狀與展望★

黃小琴 蔣必鳳

(三亞學院，海南 三亞 572011)

從基體材料選擇、復合材料制備方法、增強機理、纖維預處理方法等方面，對椰殼纖維水泥基復合材料進行了分析，并結合其在國內外的研究現狀，展望了椰殼纖維水泥基復合材料的工程運用前景。

椰殼纖維，水泥基體，增強機理，纖維預處理

0 引言

椰殼纖維線密度低、長度分布連續[1]，具有良好的韌性，并且價格低廉，是一種良好的復合材料增強相的植物纖維材料。混凝土等水泥基材料具有很高的抗壓強度，但其抗壓與抗彎強度較低，是脆性材料，在荷載的作用下容易發生脆性破壞，限制其工程上運用前景。故將椰殼纖維加入到水泥基材料中，有望減少水泥基材料硬化后材料內部的微裂紋，改善材料微觀結構，增強水泥基材料諸如抗拉、抗彎以及抗壓等力學性能。一方面該材料的制備可以提高材料工程運用的安全性；另一方面，椰殼纖維的回收與利用也有助于環境保護。國內外眾多學者在這方面做了許多研究，有一定的進展，本文旨在對椰殼纖維輕質水泥基復合材料的制備工藝與方法、研究思路以及國內外研究狀況進行綜述，并展望該材料的工程運用前景。

1 材料的選擇與制備方法

椰殼纖維呈淡黃色，直徑一般為100 μm～450 μm，長度5 cm～25 cm，密度1.12 g/cm3，是具有多細胞聚集結構的長纖維，椰殼纖維加工工藝為椰子殼→浸泡→脫脂→機械打松→挑選→成纖，天然的椰殼纖維長度連續，多數纖維長度5 cm～15 cm,呈正態分布[1，2]。 椰殼纖維來源豐富，成本較低，與混凝土相比，抗拉強度較高，是一種較為理想的水泥基復合材料增強相，加入水泥基復合材料中可以減少砂石骨料的使用，并能夠在混凝土受力破壞時，改變材料內部的承力結構，降低混凝土的脆性破壞。

鑒于普通硅酸鹽水泥中的水泥熟料在水化反應中會產生較多的NaOH，整個混凝土塊狀材料處于堿性體系，天然椰殼纖維在堿性環境作用下，會發生“礦物化”作用，纖維強度大大降低，導致復合材料耐久性受到影響[3]。制備椰殼纖維水泥基復合材料一般采用低堿或無熟料水泥，以降低椰殼纖維的碳化反應，保持天然椰殼纖維的強度，以提高復合材料的耐久性。

椰殼纖維輕質水泥基復合材料的制備方法通常是將處理或天然的椰殼纖維加入到素砂漿或混凝土中，在正常的養護條件下，制備成塊體或板狀的復合材料。從復合材料的角度，以素水泥砂漿或新拌混凝土為基體相，以椰殼纖維或椰殼破碎顆粒為增強相，制備二者的復合材料，用椰殼纖維替代部分的細骨料和粗骨料改善基體材料相關性質，屬于柔性纖維(纖維的彈性模量小于基體材料)增強基體復合材料。

2 椰殼纖維的預處理方法

2.1 煮沸處理

P．M．Katkar[4]制備的椰殼纖維非織造增強水泥板得出：與未經處理直接加入椰殼纖維相比，經過煮沸處理的椰殼纖維，導熱系數最小、抗彎強度和抗壓強度得到了提高，吸水性也大大降低。這可能是因為椰殼纖維經煮沸處理后內部結構發生變化，纖維本身強度提高，與水泥基體界面結合強度得到提高。

2.2 堿液處理

王威等[2]用不同濃度的堿液對椰殼纖維進行處理，結果表明堿液處理后纖維的細度明顯減小,且堿溶液濃度越高,處理后纖維變得越細，通過掃描電鏡下觀察，堿液處理后纖維表明角質層被除去，形成許多空隙和凹坑；這有利于提高椰殼纖維與復合材料的基體界面機械結合強度，但堿液處理后纖維表面出現的孔隙和凹坑也會增大纖維的表面積，與水泥基的纖維碳化反應將會更加明顯。譚洪生[5]對NaOH堿溶液處理前后的椰殼纖維亞微觀形貌進行了對比分析，表明堿液處理掉椰殼纖維表面的脂肪酸及其縮聚產物形成的蠟狀物質，堿溶液處理后材料的抗拉強度明顯降低。這類似于椰殼纖維在水泥基復合材料中的堿性碳化腐蝕作用，故對椰殼纖維進行預處理對于纖維性能的發揮具有重大作用。文章中提到加入相容劑可以提高復合材料的性能，這對椰殼纖維水泥基復合材料性能的提高的研究是一個啟示。

2.3 表面涂覆

徐輝等[6]將纖維浸泡在pH值為12的Ca(OH)2溶液中30 d和60 d后，纖維的斷裂強度為原纖維的76%和70%，研究指出天然植物纖維在強堿的浸泡下，其斷裂強度會大幅下降。從機理分析，纖維“礦物化”是影響纖維增強水泥基復合材料耐久性的主要原因，其會導致材料的強度降低。研究采用丙烯酸酯共聚乳液聚合物，對纖維表面進行浸漬包裹，加速老化30次其抗折強度比未經處理的高，材料的耐久性得到提高。

3 增強機理

椰殼纖維的彈性模量低于水泥基體，能提高水泥基復合材料諸如抗彎強度、沖擊韌性等與塑性方面相關的性質。加入水泥基體的椰殼纖維屬于短纖維，隨機分布于水泥基體中，能夠降低水泥硬化過程中的塑性收縮，減少材料內部的收縮裂紋，提高材料的韌性。從該角度出發，對椰殼纖維進行改性，對椰殼纖維表面進行物理或化學處理，使椰殼纖維在水泥基體中分散均勻，增強纖維和水泥基體的界面結合強度，制備成分均勻，綜合性能良好的復合材料。傳統的復合材料混合原理認為椰殼纖維水泥基復合材料的強度由纖維和基體的體積比和應力所決定，得出的結論與實際研究不符，原因是沒有考慮纖維在基體中的分布情況、纖維與基體的界面結構等因素的影響[7]。復合材料的強度由纖維本身強度、水泥基體材料強度和二者之間的界面結合強度有關，國外學者提出的纖維間距理論認為纖維能在水泥基體硬化的過程中約束水泥基體收縮而產生的微裂紋，纖維間距越小，微裂紋寬度和深度將受到更大的限制，椰殼纖維水泥基復合材料的強度和韌性得到提高。椰殼纖維增強水泥基復合材料承載條件下的破壞為脆性破壞，但不是像普通混凝土失效時的截然斷開，抗壓或抗彎條件下，復合材料失效后仍由椰殼纖維連接，保持原有整體塊狀形貌，這在工程運用上有重要意義，增大結構的安全性，延長危機處理的反應時間。

4 國內外研究現狀

S.Pardeshi[6]制備椰殼纖維增強混凝土預制件，測試其性能，結果表明，1%(wt)以內的椰殼纖維增強混凝土的抗壓、劈裂抗拉以及抗彎性能都得到了一定的改善，并且材料吸水性大大降低，但新拌混凝土的流動性明顯降低，初凝時間增長。后續研究中可以考慮加入水泥添加劑，以改善椰殼纖維增強混凝土的和易性以及硬化后的性質。P．M．Katkar[8]制備針對用于屋面設計的椰殼纖維非織造增強水泥板并對其性能進行研究，結果表明：與未經處理直接加入椰殼纖維相比，經過煮沸處理的椰殼纖維，能夠改善其與水泥基體相的相容性，增強水泥板的耐熱性能、抗彎強度和抗壓強度，吸水性也大大降低。該研究為椰殼纖維水泥基復合材料的制備提供一個新思路，即采用非織造方法加入椰殼纖維制備椰殼纖維水泥基復合材料，其良好的力學性能和隔熱性能在工程隔熱保溫方面有較好的應用前景。李麗平[9]以抗沖共聚聚丙烯為基體，加入椰殼纖維制備IPC/椰殼纖維復合材料在力學性能明顯增強，且隨著椰殼纖維含量的增加，優勢越來越明顯，椰殼纖維與IPC的界面粘結良好。這為研究椰殼纖維水泥基復合材料提供了一個纖維處理的研究思路方向，可以通過纖維的預處理，在纖維表現覆蓋高分子聚合物，隔離椰殼纖維與混凝土基體的直接接觸，減弱水泥熟料對椰殼纖維的碳化作用，并保護纖維的完整性，減緩其老化現象，從而提高椰殼纖維水泥基復合材料的耐久性。郭斌[10]采用質量比為礦渣∶天然石膏∶消石灰(88∶10∶2)的無熟料水泥，2%體積的椰殼纖維制備的墻板復合材料，其抗沖擊強度為素砂漿的2倍。椰殼纖維增強水泥基復合材料從基體改性方面入手，采用低堿度的水泥特別是無熟料水泥是降低水泥熟料對椰殼纖維堿性腐蝕的一個研究方向。洪智偉[11]將椰殼纖維添加到發泡水泥砂漿中，椰殼纖維添加量(C=0%,1%及2%)及泡沫含量(F=0%,5%,10%及20%)，研究結果表明添加椰殼纖維能提高水泥砂漿的抗裂性能、抗彎強度和抗沖擊性能。椰殼纖維具有一定的抗拉強度，將其加到發泡水泥砂漿中，有助于在泡沫水泥砂漿中形成纖維骨架結構，提高材料的抗彎、抗沖擊性能，這是椰殼纖維水泥基材料的工程運用新方向，制備椰殼纖維輕質材料，有望在輕質隔墻上得到運用。葉穎薇[12]采用白水泥，制備竹纖維和椰殼纖維增強水泥復合材料，研究表明，竹纖維增強水泥復合材料的抗拉強度比椰殼纖維增強水泥復合材料高出30%，這可能是由于竹纖維本身抗拉強度大于椰殼纖維45%造成的。纖維加入量存在一極限值，在極限值之下，復合材料性質隨纖維的加入量的增加呈現上升趨勢，當纖維加入量超過極限值是將導致復合材料整體性能變差，這是由于纖維和基體的熱膨脹系數差異和泊松效應而導致的脫粘效應與纖維正增強效應相互作用的結果，竹纖維的加入極限值低于椰殼纖維，這是因為竹纖維表面更光滑，脫粘效應更顯著。總的來說，椰殼纖維增強水泥基復合材料的研究仍處于不斷發展的階段，纖維與基體之間的界面結合情況以及基體對椰殼纖維的碳化作用成為制約復合材料的綜合性能與耐久性的兩大關鍵點，有待國內外學者的進一步研究。

5 展望

纖維增強水泥復合材料用途廣泛，可認為其是與環境相容的新穎的水泥基材料，對其進行深入研究對工程材料的實際應用具有較好的理論指導意義。椰殼纖維制作的可切割輕質混凝土板成本低廉，加入椰殼纖維后具有一定的保溫效果，可用于臨時樣板房的搭建。P．M．Katkar研究煮沸的椰殼纖維材料增強水泥板試樣室與標準溫度的溫差約為8 ℃～9 ℃，具有很好的耐熱性，在建筑隔熱保溫材料上有較好的應用前景[8]。椰殼纖維密度小，加入水泥基復合材料中可以替代部分的砂石骨料，降低材料密度，并且纖維作為骨架，能夠增加復合材料的韌性，改變材料的破壞形態，其在制備輕質墻體材料上有一定的運用前景，有望提高水泥基泡沫混凝土的強度和韌性。臺灣逢甲大學土木工程系的蘇人煇制備了椰殼纖維輕質混凝土磚并對其性能進行研究，結果表明：該材料強度不高，但熱傳導系數較小，可在隔音隔熱方面有較好的工程運用。 綜上，椰殼纖維增強水泥基復合材料在工程上具有廣泛的運用前景，可制備隔熱、吸音、輕質且具有一定韌性的建筑材料，是一種較有前景的植物纖維水泥基復合材料。

[1] 王 威,黃 故.椰殼纖維長度分布[J].紡織學報,2008,29(3):9-12.

[2] 王 威,黃 故.堿處理對椰殼纖維形態結構的影響[J].上海紡織科技,2008,36(10):20-22.

[3] 李麗平,譚洪生,劉永健，等.天然植物纖維增強水泥基復合材料的耐久性改善措施研究[J].新型建筑材料,2008(13):244-246.

[4] S.Pardeshi,M.Y.Gudiyawar,P.M.Katkar, et al.纖維—混凝土復合材料研究[J].國際紡織導報,2014,42(12):46-48,50,70.

[5] 譚洪生,邢立學,劉俊成，等.椰殼纖維/抗沖共聚聚丙烯復合材料的研究[J].材料工程,2008(z1):157-160.

[6] 徐 輝,蔡躍波.天然植物纖維增強水泥基復合材料的耐久性改善措施研究[A].第十二屆全國纖維混凝土學術會議論文集[C].2008:244-246.

[7] 張 峰.纖維在水泥混凝土中的運用[J].江蘇建材,2013(1):21-23.

[8] P. M. Katkar,C. A. Patil,P. A. Khude, et al.椰殼纖維/水泥復合材料[J].國際紡織導報,2013,41(2):56,58-59.

[9] 李麗平,譚洪生,劉永健,等.IPC/椰殼纖維與IPC/碳酸鈣復合材料的研究[J].工程塑料應用,2014(4):15-18.

[10] 郭 斌.天然植物纖維增強水泥復合物綜述[J].江蘇建材,2005(3):49-52.

[11] 洪智偉.添加椰殼纖維對混凝土材料工程性質影響之探討[D].臺北：國立臺灣科技大學，2014.

[12] 葉穎薇.竹纖維和椰纖維增強水泥復合材料[J].復合材料學報,1998,15(3):92-98.

Research status and prospect of coconut fiber strengthening composite materials with cement foundation★

Huang Xiaoqin Jiang Bifeng

(SanyaUniversity,Sanya572011,China)

Starting from aspects of basic material selection, composite material preparation method, strengthening mechanism and fiber pretreating methods, the paper analyzes composite materials with coconut fiber cement foundation. Combining with its research status at home and abroad, it makes the engineering application prospect of the composite materials with coconut fiber cement foundation.

coconut fiber, cement matrix, strengthening mechanism, fiber pretreating

1009-6825(2017)06-0125-03

2016-12-15 ★：三亞市院地合作項目(項目編號：2016YD18)

黃小琴(1987- )，女，助教

TU525

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