植物納米纖維增強水泥基性能研究進展

方煒FANG Wei；伍仔豪WU Zi-hao；李欣康LI Xin-kang；左夢蝶ZUO Meng-die

（武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢 430074）

0 引言

改革開放以來我國經濟經歷了發展的黃金時期，建筑行業取得了前所未有的高速發展，成為了我國經濟體系中的一大主要產業。而水泥作為世界上使用最廣泛、用料最大的建筑材料，因其低廉的價格、取材簡便、性能較好已經成為了建筑行業不可或缺的材料。2018年我國建筑的全周期耗能總和為21.47億tce，占據了我國當年能源使用的46.5%；建筑全周期的碳排放為約為49億tCO2，占我國消耗能源碳排放的比重為51.2%，在其中生產水泥能耗1.3億tce占比6%；產生CO2排放11.1億t占比22.5%[1]。大量不可再生資源的消耗和溫室氣體的排放在全球資源短缺和全球變暖的情況下帶來越來越多的社會問題。并且普通水泥基材料具有抗拉強度低、韌性差、易開裂的特點，對于建筑使用耐久性、安全性、舒適性造成嚴重威脅。

纖維素[2]來源為植物細胞壁，廣泛存在于植物界。我國是農業大國，有著豐富的農作物資源，2021年我國糧食產量68285萬噸，因而每年會產生大量的農作物廢棄物，但像秸稈等都得不到很多好的利用，很多時候被當成養料焚燒。而秸稈焚燒時會產生大量的溫室氣體和煙塵等有害氣體，污染環境、同時造成浪費資源，危害人們身體健康，影響生活質量[3-6]。

近年來納米技術得到了長足的發展，越來越多的納米材料被加入到水泥基復合材料中，用以提高材料性能，以滿足現代建筑對材料的需求，碳納米管[7]、納米二氧化硅[8]等，通過納米材料具有較高的比表面積等特性，改善水泥基復合材料的性能。植物納米纖維素也因優異的物理性質而被逐漸開發。為了減少環境資源消耗，發展清潔能源，走可持續發展道路，同時改進混凝土力學性能，將植物纖維納米化加入到水泥中成為一種很好的選擇，它有希望取代合成纖維、金屬纖維等不可再生纖維，實現資源的合理利用和可持續發展目標，使廢物價值化[9]。

1 植物納米纖維增強水泥基復合材料機理

纖維對混凝土的增強作用機理，最早是1964年Romuald等基于線彈性斷裂力學理論提出的纖維間距理論，從微觀來看由于混凝土內部的裂紋尖端應力過度集中而導致的破壞為混凝土的破壞原因所在。

劉灃霄[10]表明目前詮釋機理最清楚的是復合材料力學理論和纖維間距理論。復合材料力學理論，此理論由1975年Naaman提出，該理論認為纖維與基體之間有著很強的黏結力，這就使得混凝土在發生變形時無法產生相對滑移現象，此理論把纖維混凝土認定為理想彈性體，混凝土所受外力的方向只能分布在沿纖維長度方向，那么纖維與混凝土兩者就擁有相同的縱橫向變形，最后基于受纖維取向、尺度和黏結力多重影響的纖維亂向分布系數，分情況進行計算。纖維間距理論是1963年由PRomualdi和JB.Batson提出來的。根據線彈性斷裂力學理論從微觀角度解釋纖維對裂縫發生和發展的約束作用。它們分別從宏觀和微觀角度做出了解釋。而纖維素納米纖維纖維本身具有良好的親水性，巨大的纖維比表面積，及高強的韌性和強度等，加入水泥中后，在合適的操作下盡可能均勻分布在水泥中的細小纖維就可以充分發揮作用，可有效阻止混凝土塑性收縮，干縮和溫度變化而引起裂縫，增強混凝土的抗壓、抗拉性能。目前來看納米纖維素最重要的潛在應用是將其作為一種增強劑摻入復合材料中。就目前的研究來說普遍認為這些納米復合材料所顯示的增強復合材料的力學特性是由于纖維素納米顆粒形成了一個連續的網絡，這種剛性網絡的形成是由納米顆粒之間的強相互作用引起的。在一個依賴于增強相長徑比的臨界填料含量下，納米復合材料的力學性能有了巨大的改善。這些應用的潛力已經在許多出版物中被討論過。進一步研究植物納米纖維是納米纖維尺度的材料，具有納米尺寸效應，黃麗媛[11]指出植物納米纖維的尺寸減小到納米的物理尺寸時，晶體邊界條件將會破壞，植物納米纖維表面附近原子數量減少，對植物納米纖維的性質產生影響，產生更大的分子間作用力從而增強了強度，而且由于植物納米纖維的微觀尺度可以有效填充水泥基材料的微觀空隙，減少缺陷，減小應力集中，增強水泥基材料的力學性能。

2 植物納米纖維增強水泥基復合材料研究現狀

2.1 植物納米纖維的結構和制備

纖維素存在廣泛，主要來源于木材，也存在于植物纖維中，如棉花、亞麻，藻類、真菌等也部分存在纖維素。其由葡萄糖聚合而成，葡萄糖之間由一個個的苷鍵鏈接而成，分為霍沃思式、椅式。而且纖維素分子一般都有很高的聚合度，是一種大分子，其分子鏈中存在著氫鍵使整個大分子鏈呈帶狀，而具有較高剛性，從而可以作為植物細胞壁起到支撐作用。將其打斷可以得到納米尺度的纖維素纖維[12]，這種納米纖維素具有纖維素的特點，同時具有納米尺度的優點，是一種物理性質很好、對環境友好的材料。

Rodrigo Felipe Santos等表明這種打斷可以通過生物酶分解作用，也可以通過機械除顫產生[13]還有一種方法是由化學水解處理生產的，但現在這些技術都還不夠成熟，還沒有大量的研究投入，因此生產成本仍比較高，但在未來成本降低是可以預見的。

這些生產的植物納米纖維素的直徑各不相同，一般在4-100nm，性質也有著一些區別，哪種長度作用于水泥基復合材料效果最好現在仍然需要大量實驗驗證。但他們均有著生物降解性、高表面積、大的長莖比、高抗拉、低熱脹以及較好的耐久性，這些特性使得植物納米纖維素在許多領域都有著廣泛應用的潛力。

2.2 植物纖維增強水泥基復合材料

徐輝等人[14]研究了劍麻纖維的摻入對水泥基復合材料的力學性能和韌性的影響。研究表明，植物纖維的摻量為2.8kg/m3時，混凝土的劈裂抗拉強度、抗彎強度和斷裂韌度均增長最大，且沖擊韌性也有較大的提升，為最佳摻量。支中祥等人[15]研究了漢麻秸稈纖維的摻入比例對于水泥基復合材料力學性能的影響。研究結果表明，低摻入量的漢麻秸稈纖維對水泥的結晶性能有促進作用，而較高摻量的漢麻秸稈纖維對水泥的水化反應起到了較大的阻礙作用。并指出了12%為合適摻量。翟毅等人[16]研究表明碳纖維可以在摻入水泥基料后有效減小水泥內部裂紋延伸并且增強整體剛度。于湖生[17]表明黃麻纖維可以改善纖維混凝土的抗裂性能，摻入黃麻纖維后平均開裂指數降低了82．1%，抗裂性能明顯提高，提高效果取決于纖維的性狀，同時也取決于纖維砂漿的微觀結構特征，具有一定的規律性，同時摻入黃麻纖維后劈拉強度提高10%-15%。陳毅[18]等人研究表明在有良好的前期養護條件和適合的摻入率情況下，植物纖維混凝土可以獲得較好的耐久性。由此得來植物纖維摻入水泥中可以對材料性能產生一定提升，同時也可以保證具有良好的耐久性，為對于植物納米纖維的研究奠定了基礎。也有學者研究了其它納米纖維如碳納米管、鋼纖維[19]、納米二氧化硅等材料摻入水泥中去改善水泥性能。因此也有研究者對于從植物纖維中提取納米材料產生了想法，探究了各種植物和木材中提取纖維素納米纖維和纖維素納米晶體的可能性[20-22]，考慮到混凝土相關缺陷都起源于納米級，故近年來納米纖維素也開始被用來改性水泥基材料[23]。

2.3 植物納米纖維增強水泥基復合材料

閆國新等人[24]研究了植物納米纖維參入對混凝土力學性能的影響。研究結果表明摻入植物納米纖維混凝土的抗壓強度明顯提高，在納米纖維摻量為0.1%時達到峰值，對C25混凝土抗壓能力提升達19.2%。

有研究表明植物納米纖維的摻入可以從多方面改善水泥復合材料的性能，在少量摻入植物納米纖維后后水泥基復合材料抗壓性能、抗折性能均明顯提升，其中抗壓強度提升在摻量為0.075%時得到最大提升，比未摻植物納米纖維提升了28.17%，而后再增加植物納米纖維抗壓強度反而會下降。分析原因可能是納米纖維素摻量較低時可以通過表面豐富的親水基羧基讓納米纖維素和水泥結合更為緊密，從而大大提高材料的抗壓強度，但是加入過多的納米纖維素后，減小了和易性使其分散不均，產生聚集而致使性能降低。抗折性能在摻量為0.1%時得到最大提升，比未摻植物納米纖維提升了55.69%，是一個非常顯著的提升，這也說明了納米纖維素對水泥基材料的抗折強度比對抗壓強度的增強效果更明顯，同樣也是在摻量為0.1%時強度提升達到最大值，而后隨著摻量增加強度逐漸降低，在摻量達到0.3%時強度甚至低于不摻納米纖維素的對照組。試件破壞后納米纖維素摻量越多試件上的孔洞就越多、越大，這也說明摻量越多試件上存在的缺陷就越多，究其原因是摻量增多使納米纖維素產生聚集，從而使材料的搗實難度增大，斷裂面則出現了微米級甚至毫米級的空洞，正是這些孔洞造成了試件的缺陷，在抗折試驗中，這些孔洞處產生引力集中而率先破壞失去承載力，進而產生多米諾效應構建破壞，也因此摻入過多的納米纖維素后強度反而會降低。

目前的研究大多數都集中在水泥結構的機械性能上，對于其耐久性研究非常稀少，但耐久性作為混凝土性能參考的一個重要因素，對于其的研究必不可少。因此，更深入的研究應主要集中在植物納米纖維的耐久性上和水泥基質的強堿性環境對其性能退化的影響是必要的。確定植物納米纖維能夠持續發揮作用的pH范圍也很重要，這才能使植物納米纖維能夠充分利用強度等微觀特性成為可能。

3 目前存在的問題及發展方向

3.1 存在的問題

盡管近年來納米技術不斷發展，而納米纖維可以在微觀層面提高水泥性能，有很強的可行性和應用性，但受研究積累的限制，目前仍存在不少問題等待解決。首先是納米纖維素應用于水泥怎么使其均勻分布在水泥中，又怎么檢測施工效果，否則很有可能會產生相反效果使水泥力學性能下降；其次目前研究內容不夠全面，需要繼續研究的作用機理有很多，需要檢驗的可用性也有很多，只有研究清楚這些作用機理和進行大量可靠性試驗反復論證后這種復合材料水泥才有可能走進人們的生活。

對于水泥基復合材料對水滲透性和凍融損傷的抗性進行系統的實驗研究也還不夠，因為它們在以前的工作中沒有進行。盡管目前有部分研究發現植物納米纖維素可以復合材料耐久性，但仍沒有得出改善耐久性的最佳植物納米纖維素的含量，對材料于耐久性和機械性能與植物納米纖維素的摻入量之間的關系仍然不清楚，需要更多的研究來確定推薦植物納米纖維素的摻入量來得到最好的機械性能和耐久性。

3.2 發展方向

目前對于植物納米纖維在建筑材料應用的研究還不夠深入，但納米纖維素取材方便可來源于農作物廢棄物，也為綠色可持續發展能源，并且擁有高達7500MPa的拉伸強度和140GPa的楊氏模量，注定它有著非常好的發展空間。由于植物納米纖維素的聚團可以在結構元素中產生弱區，因此需要努力開發在混凝土生產過程中分散納米纖維素纖維的技術。這種技術最好要求低能耗，并且能夠大量分散在材料中。因此，需要未來的研究來開發簡化和有效的分散方法，使植物納米纖維素能夠在建筑部門大規模應用。不同的影響植物納米纖維素分散方法對水泥復合材料的力學性能和耐久性性能也需要進行進一步的研究。

同時納米纖維素有良好的親水性，在水泥中加入適量的納米纖維素從微觀角度可以從填充水泥中的空隙從而增強其抗裂性和抗滲性，對其進行微觀分析，研究可行性，對于水泥開裂問題提供了新的解決方法。

使用不同植物生產的納米纖維素產生的力學效應不一樣，可以以此展開研究探究最適合摻入到水泥中的納米纖維素，為納米纖維素水泥復合材料在建筑建造上大量使用打下堅實的基礎。

4 結語

本文從植物納米纖維的微觀原理、性能、研究現狀以及存在問題及發展方向等幾個方面對植物納米纖維應用于水泥進行了總結，可以得出以下幾個結論：①植物納米纖維作用于水泥基復合材料發生于微觀層次，填充于水泥的微觀空隙之間，能夠起到很好的橋接作用，從微觀層面看增強水泥基材料的完整性、控制裂紋發展，從宏觀上面表現為對混凝土力學性能的提高。②目前針對植物納米纖維的研究還不夠深入，還有許多方面沒有研究到，達不到廣泛的應用，后續研究應該擴大方向，研究植物納米纖維水泥基復合材料的抗裂性、耐久性，并從微觀剖析作用原理，為大面積應用打下基礎。③植物納米纖維水泥基復合材料的應用有很廣闊的前景。但現在其仍然有很多問題有待解決，例如理論不完善、在施工過程中如何控制納米材料的分散保證施工質量、如何檢測施工質量、不同摻量有利于在哪種環境中使用等問題。④目前生產植物納米纖維素的技術還不夠成熟，造成生產成本較高，植物納米纖維素的優勢不能充分體現，在未來的工作中需要研究發展低成本、低消耗、高質量纖維分解降低聚合度的技術，并可以應用于真實的、常見的和大型結構。