淺談摻加植物纖維對混凝土性能的影響及其應用中應注意的問題

李曉珍 高炳鐳 顏瑜博 朱俊鈺

（金華職業技術學院建筑工程學院，浙江 金華 321007)

0 引言

2022年建筑全壽命周期碳排放為50億t，已經達到我國碳排放總量的52%左右。做好建筑業的碳達峰和碳中和工作，是我們轉變為低碳化社會的關鍵點。在建筑業中，大力倡導可再生材料的研發和應用，能推動低能耗低碳化建筑規模化發展。

混凝土延展性差，屬于典型的脆性材料，抗拉裂性能差，不易抵御外界沖擊，并且由于混凝土的體積穩定性差，在外界溫度、濕度等的影響下易發生開裂，嚴重影響建筑結構的安全性。為克服這些缺陷，混凝土中摻加纖維成為行之有效的辦法[1]，但必須弄清楚植物纖維對混凝土性能的影響，才有利于植物纖維混凝土的推廣應用。

1 摻加植物纖維對混凝土性能的影響

1.1 改善抗裂和抗彎拉性能

在環境的變化下，混凝土會發生不確定性的收縮以及膨脹，導致混凝土產生開裂。水、二氧化碳等外界因素會加速裂縫的破壞，植物纖維的纖維形態具有細胞細長，表面積大，抗拉裂強度和黏合強度較大等特點，當混凝土開裂時，植物纖維會受到剪力或拉力作用，可以適當阻止混凝土的開裂。

郭垂根[2]等在不同品種的水泥中加入粉碎篩好的稻草，并使用粉煤灰和不同的外加劑加以調節，制備成稻草纖維水泥基材料，并對這種材料進行了深入研究。研究結果表明：（1）稻草粉末溶于水之后，溶液呈弱堿性，從而減緩了水泥的凝結；（2）CaCl2與水反應放熱，溫度升高，加快了分子運動速度，使水泥反應加快；（3）稻草在混合體內部能有效地與粉煤灰和水泥結合，從而抑制水泥的開裂。

董建苗教授[3]等在對各種長短、粒徑的劍麻纖維對建筑物的力學性能影響的研究中得到這樣的成果：在劍麻纖維摻量維持在2kg/m2左右的前提下，由于劍麻纖維粒徑的增加，自密實建筑物的抗壓性能率先降低，而當植物纖維粒徑超過10mm時，則對自密實建筑物的劈裂抗拉性能影響最大。鞏亞琦[4]在對黃麻纖維對于水泥結構影響的研究中，發現黃麻纖維對水泥基體結構的強度、增韌、阻裂等有一定的影響。潘志偉[5]將劍麻和苧麻引入環氧樹脂—混凝土的研究表明，極少數量的天然纖維也可以提高環氧樹脂—混凝土的抗彎拉強度。學者們[6]已研究得出植物納米纖維素能夠細化水泥基孔隙結構，減小水泥內部的非水化面積，促進水泥的水化作用[7]，提高水泥砂漿的和易性和養護后水泥復合材料的抗壓強度[8]。

因此，不同的植物纖維可以在不同程度上阻止混凝土的開裂和提高抗彎拉性能，稻草纖維可有效阻止粉煤灰和水結合，抑制水泥的開裂；劍麻纖維可增強抗彎拉強度。

1.2 改善增韌性能

混凝土凝固后握裹水泥的高強纖維絲粘聯成為致密的亂向分布的網狀增強系統，增強了混凝土的韌性[9]。各種纖維的抗拉強度和極限伸長率往往是基體的成百上千倍，這就說明植物纖維對于混凝土韌性的提高是必然的[10]。

在相近應變率下，摻入纖維均能使試樣的峰值應變大于素混凝土，體現出纖維的增韌作用[11]，另外，隨著應變率的升高，韌度指數先升高，超過一個臨界應變率后，韌度指數有所下降。

綜合以上研究成果來看，適量地摻入植物纖維，可以有效地提高混凝土的韌性。

1.3 改善隔聲性能

學校、醫院等建筑對于隔音性能要求較高，并且考慮到環境問題，實心磚的使用不再廣泛，而植物纖維應用在混凝土中可起到吸音的作用。聲音是由于物體振動所產生的聲波，同時以波的形式通過水、空氣等介質進行傳播。植物纖維材料內部有成千上萬的細胞孔隙，聲波在穿透物體的時候，與物體內的孔隙發生摩擦作用將聲能轉化為熱能，熱能發散，導致聲能大量消耗，從而起到降低聲音的作用[12]。

所以，使用摻加植物纖維的混凝土砌磚或者植物纖維涂料，可以有效地隔聲。植物纖維混凝土符合現代人們對于隔音的要求，既可以響應綠色生活的號召，又可以降低成本。

1.4 改善保溫隔熱性能

現代建筑對于保溫的要求逐漸變高，特別是冬夏季節，建筑保溫隔熱性能的優良顯得格外重要。植物纖維的導熱性弱，加入混凝土中，可有效改善混凝土的保溫隔熱性能。

由于植物纖維的導熱系數小，不利于物體間的熱能量傳遞。一些數據表明，植物纖維的導熱系數只有0.039W（/m·K），而普通混凝土、普通黏土磚、灰砂磚的導熱系數分別為2.30W（/m·K）、0.8W（/m·K）、1.1W（/m·K），由此可以看出相比于其他混凝土砌塊，植物纖維混凝土的保溫隔熱效果更好。陳國榮等人［13］發現由一些生物質材料制成的保溫材料熱穩定性好，在環境影響下，內部結構變化不大。但隨著纖維摻量增加，氣孔內的氣體對流換熱和孔壁間的輻射換熱形式增加，帶來混凝土導熱系數的減小[14]。

1.5 改善抗沖擊性能

對于抗沖擊性能的改善，王賢棟[15]通過落錘試驗得到結論：植物纖維的摻入可以有效地提升混凝土試塊的抗沖擊性能，并且增強混凝土的整體抗變形能力，起到增韌的效果，在沖擊荷載下，能夠幫助混凝土起到緩沖吸能的作用。俞亞楠，盧小雨[16]在實驗研究中發現水泥抗沖擊能量差和劍麻纖維摻加程度呈正相關性的規律，當植物纖維摻量由0.15%增加到0.6%后，其抗沖擊能差為素水泥的2.2～8.5倍；其主要原理在于劍麻纖維加入混凝土時，能夠吸收部分建筑物受到的碰撞能力，減少其對建筑物的撞擊。

所以在荷載作用下，植物纖維吸收外界一定量的沖擊力能量，進而在一定程度上降低了對水泥的沖擊力。也因此增強了混凝土的極限承受能力，起到防止混凝土開裂的作用。

2 植物纖維混凝土應用中應注意的問題

盡管將一些植物纖維與水泥一起攪拌，能改善混凝土的抗拉裂性能、增韌性能、隔聲性能、保溫性能、抗沖擊性能，但在應用時還是應注意植物纖維混凝土的親水性、水解與礦化以及老化和腐蝕問題。

2.1 親水性問題

黃麗媛[17]在對各種纖維含量水泥基復合材料吸水率試驗中，發現復合材料的吸水率隨著纖維含量的提高而逐步增大。植物纖維是多孔材料，因為其纖維素的羥基數量較多，所以有很大的吸濕性，在與混凝土混合攪拌的時候，吸取大量水分而成團。另外，植物纖維素具有濕脹干縮的性能，容易與水泥產生黏結破壞。因此加入植物纖維時，需要注意纖維的添加量。

2.2 水解與礦化問題

植物纖維的主要組成是木質素與半纖維素，但由于這兩種成分在堿性條件中很容易分解，使纖維細胞之間減少接觸，同時CaCl2與水分反應后形成的Ca(OH)2溶液向植物纖維內層滲入，在內腔沉淀形成植物纖維礦化，因此使得植物纖維抗拉穩定性與扭曲功能降低[18]，并逐步丟失了在水泥基礎上的強化功能。

對于植物纖維在水泥中的水解與礦化問題，目前國內外研究者所采取的基本手段有兩種：水泥基質改性和植物纖維改性。

2.3 老化問題

植物纖維是天然纖維，應用于建筑材料中時，存在自然老化的現象。自然環境下存在的冷熱交替、干濕交替、日照曝曬等是造成其老化的因素。朱文輝[19]在研究菱鎂水泥纖維瓦的耐久性試驗中采用模擬自然條件的情形，將人工干濕循環制度定為飽水1h的制品在60℃的干燥箱中烘3～4h，關閉加熱電源，降溫2h，當溫度降至40～50℃時取出放入15～20℃的水中泡1h，然后放入室內晾干1h，再放入烘箱中烘烤，如此烘干—冷卻—飽水為一個循環。國內外基于老化的試驗目前開展得較少，關于老化延緩處理的方案也僅有幾個，老化問題基本上是物理影響，最常見的是將植物纖維在聚合物乳液中浸泡處理。上述幾種試驗中植物纖維作為不變條件，忽略了植物纖維自身結構在對抗老化中的作用，從生物角度來講，可嘗試通過特定改造植物的基因來提高抗老化性能，這方面的相關研究在國內依舊處于空白狀態。

2.4 腐蝕問題

混凝土是一種呈強堿性的材料，因此關于植物纖維混凝土的研究中不單考究其物理性質，植物纖維在強堿環境下的耐久性和抗腐蝕性也一樣不容忽視。郁崇文等人[20]通過對植物纖維的堿處理研究發現，由于堿的作用，纖維中的部分結晶區轉變為無定型區結構，部分纖維素I轉變為纖維素Ⅱ，從而使結晶度有所下降，整個結構變得疏松，結晶區的取向度也有所減少。

現階段解決該問題主要有化學方法和物理方法。化學方法是利用化學物質來增強植物纖維的抗腐蝕性；物理方式則有酸液預泡處理、加粉煤灰等。筆者認為植物纖維的抗腐蝕性問題很大程度上決定了植物纖維混凝土在未來建筑材料領域應用的高度。

3 結束語

綜上所述，不同種類的植物纖維對于混凝土的增強作用不同；并且不同的處理方法，也會讓植物纖維對混凝土性能的影響發生改變。植物纖維混凝土在應用中雖然存在一些缺陷，但在建筑行業的實際運用中，顯示出良好的效果。相信隨著科學技術進步和對植物纖維研究的不斷深入，應用案例和經驗的逐漸積聚，植物纖維混凝土會有更為寬闊的市場應用前景。