淺析天然纖維混凝土的研究與應(yīng)用

姜志煒 李 卓 王 彥 張東良 朱丹丹

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

來源于動植物的天然纖維，例如稻草、麥秸和馬鬃，早在公元前1400年就被古人簡單處理后應(yīng)用于增加土制品強度。在古代，我國人切斷秸稈或雜草摻入自然干燥的粘士磚中，古羅馬人剪短馬鬃將其摻于石灰或火山灰水泥中。在今天，仍有部分欠發(fā)達中國家在使用摻入稻草增強的灰泥和磚。20世紀(jì)以來，混凝土相對于人工合成纖維，天然纖維具有成本低、來源廣、綠色環(huán)保等特點，因此目越來越多國家和地區(qū)開始研究天然纖維混凝土，并取得了顯著成果。

1 天然纖維混凝土研究狀況

早在19世紀(jì)70年代，天然纖維混凝土初步出現(xiàn)，20世紀(jì)初奧地利人Hatschek采用圓網(wǎng)抄取機制造石棉水泥板，使得石棉水泥走向工業(yè)化生產(chǎn)。而近代纖維混凝土的理論由美國H.F.Porter于1910年提出，此后纖維混凝土開始進入大眾的視野。20世紀(jì)70年代后，玻璃、石棉、碳等高彈性模量纖維與尼龍、聚丙烯、植物等低彈性模量纖維進入快速發(fā)展階段，人們對其進行普遍的研討并取得了豐富的成果。20世紀(jì)80年代，［1］芬蘭技術(shù)研究中心的AskoSarja教授等成功研制出了植物纖維混凝土，其造價比一般房子的造價大概低30% -40%。經(jīng)過試驗分析，發(fā)現(xiàn)比重為1200—1800kg/m3的植物纖維混凝土可與普通混凝土一樣在結(jié)構(gòu)方面使用。20世紀(jì)90年代中期，［2］埃及科學(xué)家對棕擱樹葉纖維增強混凝土力學(xué)強度的進行研討。［3］日本的ToshoMoruma公司則開展竹莖代替鋼筋來增強混凝土的項目研究。

而國內(nèi)有關(guān)天然纖維混凝土的研究與應(yīng)用相對較晚。直至20世紀(jì)80年代末，天然纖維混凝土才進入國內(nèi)研究視野。［4］1988年8月植物纖維混凝土板技術(shù)座談會在北京召開，隨后相關(guān)技術(shù)開始傳入中國。在此之后，我國的天然纖維混凝土的研究與應(yīng)用開始迅速發(fā)展。

2 天然纖維混凝土的性能與應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 力學(xué)性能

天然纖維混凝土的力學(xué)性能研究主要集中于植物纖維混凝土的力學(xué)性能研究，即采用簡單的力學(xué)性能試驗，綜合研究不同的摻量、長莖比差異、纖維種類差別等對混凝土強度的影響。

1）抗壓強度，王雪［5］等人通過以劍麻纖維為原材料，依次采用如下梯度 （0.0kg/m3、0.9kg/m3、1.5kg/m3、2.0kg/m3、2.5kg/m3）的纖維摻加量對混凝土的抗壓強度進行研究，研究發(fā)現(xiàn)劍麻纖維的加入會在一定程度上增強混凝土的抗壓強度。但單從抗壓強度一方面而言，效果并不顯著，且纖維最佳摻量為2kg/m3，若超過此摻量，纖維對混凝土的抗壓強度性能的提升幅度將減小。與普通混凝土相比，劍麻纖維混凝土最大可提升9%強度，這與臨界纖維體積率理論是一致的，臨界纖維體積率大約為0.1%左右。

據(jù)包惠明［6］對劍麻纖維應(yīng)用于混凝土的研究，同樣發(fā)現(xiàn)劍麻纖維有效的提高混凝土的早期強度，而且隨著齡期的增加而增長，不過強度提高比例減緩，整體上呈上升趨勢。

2）抗折強度，抗折強度是評價各類混凝土抗拉強度的重要指標(biāo)之一。王雪［5］等人通過曲線擬合實驗數(shù)據(jù)得出，在3.0kg/m3的劍麻纖維摻量時出現(xiàn)不同幅度的抗折強度下降，但隨著纖維摻量的增加，抗折強度繼而大幅度提升。包惠明［6］在研究中指出，劍麻纖維對混凝土的作用存在于以下兩方面，一方面劍麻纖維抑制混凝土細微裂縫的發(fā)展，提高混凝土的強度；另一方面劍麻纖維增加試塊的孔隙，形成混凝土破壞的脆弱之處。但兩方面相對比，劍麻纖維對強度提高的積極影響一般處于主導(dǎo)地位。

3）抗沖擊性能，李超飛等人［7］的研究表明，混凝土凝固后纖維握裹水泥黏聯(lián)形成致密的、亂向分布的網(wǎng)狀增強系統(tǒng)，增強了混凝土的總體韌性與強度。在荷載的作用的條件下，橫跨裂縫的纖維可以承擔(dān)壓力來提升了混凝土的極限應(yīng)變性能。在沖擊作用的條件下，天然纖維則憑借吸收能量來減少集中應(yīng)力的作用，進而阻止混凝土裂縫的蔓延，從而提高混凝土的抗沖擊性能。

2.2 工作性能

1）抗裂性，收縮性是各類混凝土的另一主要特性之一。混凝土收縮而產(chǎn)生的微裂縫一旦延伸，將最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。但是在混凝土混合料中摻入天然纖維，會減少混凝土10%—15%的收縮性，從而有效避免收縮帶來的損壞。在受到荷載作用時，混凝土的基體與纖維共同承受壓應(yīng)力，同時纖維承受混凝土的拉應(yīng)力，從而在很大程度上起到了減緩裂縫擴大的作用，提高了混凝土的抗裂性能。

2）耐久性，冷熱交替的干濕循環(huán)與凍融循環(huán)作用是影響混凝土耐久性的主要原因。經(jīng)過一系列的研究，結(jié)果表明在混凝土材料中摻入一定量的植物纖維可以大幅提升混凝土抗干濕循環(huán)作用，有益于改善混凝土的耐久性能。鞏亞琦［8］對黃麻纖維的研究得出：黃麻纖維的摻入，降低了混凝土混合物泌水及集料的離析，并可一定程度上增加含氣量；在受到凍脹作用條件下，減少、減緩裂縫的產(chǎn)生和擴大，有效的提高了混凝土的耐久性。

2.3 其它性能（保溫性、隔熱性）

植物纖維具有良好的保溫隔熱效果。通過實驗數(shù)據(jù)對比導(dǎo)熱系數(shù)得到，植物纖維墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)比其它墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)小的多，即植物纖維墻體材料具有很好的保溫隔熱效果。

3 天然纖維混凝土存在的問題

3.1 腐蝕問題

Song［9］等人應(yīng)用Ca（OH）2處理秸稈，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中的半纖維素、木質(zhì)素與纖維素得到分解。Cheng［10］的研究顯示，在溫度為100攝氏度時用堿溶液處理可以溶解的木質(zhì)素比例高達百分之六十至百分之七十。在曹旭輝［11］的實驗中，稻草纖維在濃度為百分之一的氫氧化鈉中質(zhì)量損失率高達百分之四十左右，這是由于堿性溶液中電離出的氫氧根離子與纖維素和半纖維素間的氫鍵發(fā)生反應(yīng)，與半纖維素和木質(zhì)素間的酯鍵發(fā)生反應(yīng)。另外據(jù)研究［12］表明，纖維在混凝土中由于水泥的水化產(chǎn)物產(chǎn)物呈堿性而遭受腐蝕，進而喪失力學(xué)性能。因此纖維在混凝土中的腐蝕作用對纖維混凝土的應(yīng)用有著不可忽視的負(fù)面影響。而現(xiàn)在采取的方法只是在加入纖維素之前將纖維進行酸化處理或者用粉煤灰、硅灰等代替部分水泥來降低混凝土的堿性，應(yīng)用較局限。

3.2 粘結(jié)問題

混凝土隨纖維含量的增加，其力學(xué)性能先增強然后減小，這是因為纖維增強混凝土力學(xué)性能是通過其在混凝土中均勻亂向散布來達到的。混凝土中纖維與基體緊密相連類似于微加筋，纖維均勻亂向分布則有助于形成較穩(wěn)定的纖維混凝土結(jié)構(gòu)。然而當(dāng)纖維增多時，復(fù)合材料攪拌困難，纖維出現(xiàn)團聚，纖維結(jié)團會影響纖維和混凝土的均勻分布，使纖維和混凝土不能充分粘結(jié)，混凝土基體和纖維的粘結(jié)性能下降。同時纖維粘結(jié)增加了混凝土內(nèi)部穩(wěn)定且封閉的空隙，降低了混凝土抗拉壓強度，提高了混凝土的吸水性［13］。

3.3 生產(chǎn)使用問題

天然纖維混凝土的概念形成時間較短［14］，土木行業(yè)對天然纖維混凝土了解不深刻，導(dǎo)致市場不成熟，對廢舊纖維的回收渠道單一，不能廣泛獲取，且回收來的廢舊纖維需要進行二次加工才能利用，利用率低，因此無法在大量使用混凝土?xí)r推廣使用天然纖維混凝土。

3.4 纖維吸水膨脹問題

植物纖維由植物細胞構(gòu)構(gòu)成，有干縮和吸水膨脹的特點［15］。當(dāng)天然纖維受潮吸水后將破壞混凝土材料本身的配合比，使得混凝土拌合物的穩(wěn)定性下降，進而導(dǎo)致混凝土成型后易在混凝土內(nèi)部易形成透水通道，降低混凝土的密實性，侵害混凝土的和耐久性和力學(xué)功能。

3.5 纖維粘結(jié)力問題

纖維混入混凝土中時，由于粘結(jié)力不高，必定和混凝土基體之間形成連接面，連接面的形成將在混凝土中出現(xiàn)新的問題，所以提高天然纖維與混凝土之間的粘結(jié)力將削減連接面的數(shù)量，使混凝土經(jīng)久耐用。

3.6 規(guī)范問題

在天然纖維混凝土領(lǐng)域還沒有出臺一些相關(guān)規(guī)定和規(guī)范，研究者各自使用的方法和規(guī)范也不盡相同，導(dǎo)致實驗之間聯(lián)系松散，實驗成果對其他研究者的參考價值降低。

4 結(jié)語

現(xiàn)今，國內(nèi)建筑行業(yè)仍呈遞增趨勢，對建筑材料（如混凝土）的綜合性能要求也愈加嚴(yán)格。就混凝土自身性能而言，仍具有缺陷，所以如何改善這些缺陷從而獲得更大的效益成為了我們的研究方向。天然纖維憑借其成本低、有利于環(huán)境保護且符合綠色可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點再次闖入了我們研究的視野，預(yù)計可以收獲可觀的經(jīng)濟效益與良好的社會效益。