植物纖維砂漿復(fù)合材料制備與研究

楊威龍，付 豪，常洋銘

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450045)

0 引言

截至2021年我國(guó)糧食總產(chǎn)量為682 85萬(wàn)噸[1-2]，糧食的高產(chǎn)量化產(chǎn)生了大量的農(nóng)作廢棄物，大量的農(nóng)作廢棄物只有一小部分得到了合理、可循環(huán)的利用，而大部分的農(nóng)作廢棄物被當(dāng)場(chǎng)焚燒、填埋[3-6]。這不僅是資源浪費(fèi)，而且在這一過程中產(chǎn)生了大量有害物質(zhì)破壞了當(dāng)下我們賴以生存的地球環(huán)境。我國(guó)一直堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，人們漸漸對(duì)傳統(tǒng)的合成纖維、不能回收的工業(yè)纖維和金屬纖維不看好，而產(chǎn)量大、可回收、價(jià)格便宜的農(nóng)作物和植物天然纖維成為首選。考慮到以上原因，人們更希望采用天然植物纖維替代那些不可再生纖維應(yīng)用到更廣泛的施工材料中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源的再生循環(huán)利用，履行我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

水泥基材料是普遍使用的建筑材料，具有抗壓強(qiáng)度高和抗折強(qiáng)度低的特點(diǎn)，為了改善水泥基材料的抗折強(qiáng)度，使用植物纖維改性水泥基復(fù)合材料成為現(xiàn)代水泥基材料的主要技術(shù)方向之一。植物纖維對(duì)微裂縫的抑制作用主要體現(xiàn)在其抗拉、抗折強(qiáng)度與黏著強(qiáng)度，同時(shí)其自身的抗拔拉性能還會(huì)在很大程度上對(duì)水泥基材料的裹覆能力及韌性表現(xiàn)產(chǎn)生影響而且植物纖維可以對(duì)水泥基材料在初凝及終凝過程中產(chǎn)生的微裂縫進(jìn)行有效抑制[7-8]，從而有效防止微裂縫對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

但由于植物纖維主要成分木質(zhì)素和半纖維素在堿性環(huán)境中易于水解，削弱纖維本身細(xì)胞間的連接，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)遭到破壞；水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣隨著水泥漿體孔溶液向纖維內(nèi)部滲透，在內(nèi)腔沉積造成纖維礦化。水解和礦化導(dǎo)致植物纖維抗拉強(qiáng)度與變形能力下降，逐漸喪失在水泥基體中的增強(qiáng)作用。

因此對(duì)植物纖維的改性成為解決其在水泥基材料是否能起到“積極作用”的關(guān)鍵所在。就目前而言，對(duì)植物纖維的改性包括以下兩個(gè)方面：一方面可以通過在水泥基復(fù)合材料中添加火山灰材料，使得孔溶液中Ca(OH)2的濃度降低；另一方面對(duì)植物纖維自身進(jìn)行改性處理，這種改性包括物理手段和化學(xué)手段。其中物理手段包括纖維高溫處理、工業(yè)超聲波掃描處理、等離子光波照射處理、高溫、高壓蒸汽爆破處理。化學(xué)手段包括：酸堿性溶液浸泡處理、防水、防滲透材料涂層表面處理、干濕老化循環(huán)處理等。本文選用化學(xué)手段的堿溶液浸泡處理方式，通過5%濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)小麥秸稈纖維浸泡，去除其表面的蠟質(zhì)層和果膠，分解其內(nèi)部的木質(zhì)素和半木質(zhì)素，從而使得其更好與水泥基體結(jié)合，發(fā)揮自身作用，提高水泥基性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材

本文所用試驗(yàn)采用的是河南永安水泥有限責(zé)任公司的“天瑞”牌普通硅酸鹽水泥，水泥品種等級(jí)為普通硅酸鹽水泥42.5級(jí)。基本性能見表1。小麥秸稈選用的是河南三門峽本地鄉(xiāng)村的廢棄農(nóng)作物制備的長(zhǎng)度平均為1 cm左右的秸稈纖維，見圖1。細(xì)集料選用的是普通河砂，經(jīng)烘干后過篩備用。減水劑使用的是湖南中巖科技生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，按照水泥的質(zhì)量占比加入。試驗(yàn)用水為鄭州地下飲用水。氫氧化鈉溶液采用科諾試劑有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為1.000 mol/L，即5%濃度氫氧化鈉。

圖1 小麥秸稈纖維

表1 水泥基本性能

1.2 植物纖維的改性

對(duì)小麥秸稈纖維的改性試驗(yàn)，首先將小麥秸稈纖維去除雜質(zhì)后多次清洗自然風(fēng)干，取兩份等質(zhì)量的秸稈纖維等待改性。一份小麥秸稈纖維不做任何處理，另一份小麥秸稈纖維放進(jìn)5%濃度的氫氧化鈉溶液中浸泡24 h，然后放入40 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中低溫烘干，確保纖維不受到高溫變質(zhì)。待烘干后通過測(cè)試其質(zhì)量損失程度來判斷小麥秸稈纖維的木質(zhì)素、半木質(zhì)素、果膠、蠟質(zhì)層的析出程度。制備過程如圖2、圖3、圖4所示，結(jié)果如表2所示。

圖2 纖維的浸泡

圖3 低溫烘干纖維

圖4 得到改性后纖維

表2 水泥基本性能

由表2可以看出5%濃度的氫氧化鈉溶液浸泡的小麥秸稈纖維質(zhì)量損失率為31.06%，可以得出5%濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)小麥秸稈纖維有著較大的腐蝕作用，可以很大程度上去除小麥秸稈纖維的木質(zhì)素、半木質(zhì)素、果膠、蠟質(zhì)層。分析原因是：經(jīng)過5%氫氧化鈉溶液的浸泡處理的小麥秸稈纖維質(zhì)量損失率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未處理的小麥秸稈纖維，是由于5%氫氧化鈉溶液通過腐蝕小麥秸稈纖維表皮的蠟質(zhì)層和果膠，因而將這部分的阻凝物質(zhì)析出后，順著纖維的微孔表面進(jìn)入到纖維內(nèi)部造成進(jìn)一步破壞。當(dāng)氫氧化鈉溶液可以直接進(jìn)入到纖維內(nèi)部時(shí)，內(nèi)部的半纖維素會(huì)在氫氧化鈉溶液的堿性環(huán)境下，大量水解成糖類，再經(jīng)過多次清水清洗，將這部分損失的阻凝物質(zhì)清洗出去，烘干后質(zhì)量大幅度減少。

1.3 植物纖維復(fù)合水泥基材料配合比設(shè)計(jì)

表3 試驗(yàn)配合比

通過設(shè)置0%、1%、3%、5%、7%、9%的纖維摻入量分別設(shè)置六組對(duì)照組。纖維在水泥基體中均勻分散并且間距最小是纖維能夠起到良好的阻裂效果的前提條件，因此纖維均勻分散主要取決于攪拌工藝。故摻入植物纖維的時(shí)機(jī)頗為重要，考慮采用后摻法，可以避免先摻入法過長(zhǎng)的攪拌時(shí)間對(duì)纖維表面造成的損傷。嚴(yán)格把控試驗(yàn)操作流程，減少試驗(yàn)誤差。通過成型不摻入植物纖維的水泥基材料的空白試驗(yàn)、多組分平行試驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)手段綜合考慮植物纖維對(duì)水泥基材料性能的影響。采用多次分批后摻入纖維法對(duì)植物纖維復(fù)合水泥基材料的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化處理。具體操作為：先放入水泥和河砂攪拌1 min使得干料充分拌勻，然后加入小麥秸稈纖維和干粉聚羧酸高性能減水劑攪拌2 min，等所有材料充分交互均勻后加入水?dāng)嚢? min，攪拌完成后裝模三分之一放置振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)2 min，重復(fù)兩次上述裝模工序后，進(jìn)行試件養(yǎng)護(hù)7 d、28 d。待養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，進(jìn)行抗壓抗折試驗(yàn)測(cè)試。

圖5 震動(dòng)成型

圖6 抗折、抗壓測(cè)試

2 結(jié)果分析

從表4中可以看到，經(jīng)過5%氫氧化鈉溶液浸泡過的小麥秸稈纖維成型的水泥基復(fù)合材料，除了7%、9%小麥秸稈纖維摻入量的L4、L5組之外其余的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都高于未摻入纖維的L0對(duì)照組。其中在摻入量為5%的L3組可以看出為最佳摻入纖維量組，其28 d抗壓強(qiáng)度對(duì)比L0組未摻入纖維組提高了18.5%；其28 d抗折強(qiáng)度對(duì)比L0未摻入纖維組提高了19.5%。而L4、L5組為什么沒有提高反而降低是由于隨著纖維代替水泥質(zhì)量的增加，水泥漿體很難包裹住大量的植物纖維，導(dǎo)致纖維暴露在試塊表面和孔隙中，纖維無(wú)法與水泥基形成緊密的狀態(tài)，從而使得試塊強(qiáng)度降低，如果再加大纖維的摻入量將會(huì)影響試塊成型，脫模環(huán)節(jié)直接破散。

表4 7 d、28 d抗壓抗折分析

其原因有兩方面：一方面，通過浸泡5%濃度的氫氧化鈉溶液，使得植物纖維“暴露”在一個(gè)堿性環(huán)境中，其表面光滑的蠟質(zhì)層、果膠等成分受到了充分的腐蝕作用，導(dǎo)致植物纖維表面變得凹凸粗糙，這樣一來使得秸稈纖維和水泥基漿體之間更好地形成交互網(wǎng)格，促使植物纖維與漿體充分結(jié)合，更好地發(fā)揮纖維的作用，減少了水泥基體的微裂縫發(fā)展，提高了其抗壓、抗折的能力；另一方面，水泥的水化過程中產(chǎn)生的水化硅酸鈣和氫氧化鈣。隨著水泥水化反應(yīng)，水化的硅酸鈣和氫氧化鈣不斷地生成，水泥基體隨著初凝和終凝時(shí)期慢慢開始硬化成型。隨著水泥水化過程的深入大量氫氧化鈣被釋放出來，致使水泥的水化環(huán)境慢慢變成堿性環(huán)境，使得植物纖維周圍分布大量的堿性溶液，這些堿性溶液通過纖維的微孔隙進(jìn)入到纖維內(nèi)部，然而小麥秸稈纖維的內(nèi)部半纖維素很不穩(wěn)定，會(huì)在堿溶液進(jìn)入后進(jìn)行水解反應(yīng)，產(chǎn)生成糖類物質(zhì)。然而這種糖類物質(zhì)在水中與鈣離子相結(jié)合，使得一部分鈣離子無(wú)法析出成晶體狀，從而導(dǎo)致了水泥水化不徹底，水泥水化不完整。當(dāng)水泥水化不徹底時(shí)，最明顯的就是水化時(shí)間長(zhǎng)、成型難、水泥基體的強(qiáng)度不夠，因而不能滿足施工要求。但由于先將植物纖維經(jīng)過堿性環(huán)境浸泡，纖維中的半木質(zhì)素可以提前析出，有效地規(guī)避了這一點(diǎn)，使得纖維更好地為水泥基體“服務(wù)”。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過5%濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)小麥秸稈纖維進(jìn)行改性處理后，其質(zhì)量損失率達(dá)到了31.06%，析出了大量的阻凝物質(zhì)，使得纖維表面粗糙凹凸，可以使纖維更好地與水泥基體結(jié)合，達(dá)到強(qiáng)化水泥基體的作用。

（2）經(jīng)過設(shè)置對(duì)照組，通過比對(duì)分析當(dāng)纖維摻入量為5%時(shí)為最佳纖維摻入量，成型的試塊的28 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度對(duì)比未摻入纖維的組分別提高了18.5%和19.5%。

（3）在水泥基體材料中加入植物稈纖維可以有效改善力學(xué)性能，且植物纖維加入水泥基體中可以降低材料的密度，從而使得水泥基體更輕量化。