木质纤维和竹纤维在混凝土中的应用前景

周鑫 王钧 李论

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

近年来，对于纤维增强混凝土的相关研究有增无减。在混凝土中掺入一定比例的无机纤维、有机纤维，都会给予混凝土优异的力学性能。但是，在考虑结构安全性的同时，还需兼顾材料的经济性、绿色环保性及可持续发展性。木质纤维、竹纤维的市场供应量富足，价格低廉，取自天然可再生木材、竹材，无毒无害，足以保证其绿色环保及可持续发展。因此，木质纤维、竹纤维在混凝土中的应用前景较为可观。

1 木质纤维、竹纤维的特性

1.1 木质纤维

木质纤维取自天然可再生木材，主要由木质纤维素构成，是经过化学处理与机械加工后形成的有机絮状物质。木质纤维无毒、无放射性，对人们的身体健康无影响，对生态环境也不会造成污染。木质纤维的主要成分为纤维素、半纤维素及木质素，这就使得木质纤维具备了一定的独特优势:1)木质纤维凭借着较好的易分散性能及柔韧性能，形成三维网状结构体系，具备良好的稳定性，进而提高结构的耐久性能;2)木质纤维在水、碱性及弱酸性溶液中不发生溶解，因此在水泥水化反应过程中木质纤维的性能不发生改变，同时很大程度上提高结构的抗腐蚀性;3)木质纤维重量较轻，可以一定程度上减小纤维混凝土的自重;4)木质纤维由于木质素的存在，因而具备一定的粘性，这种粘性会抑制结构的收缩与膨胀，使结构的稳定性大大提高;5)木质纤维具有很强的耐低温、耐高温性能，使结构的低温抗裂性与高温稳定性大幅度提升。由于木材的生长发育受季节更替的影响，所以出现了早材与晚材的划分。早材与晚材中单根纤维的形态有所差异，这就导致了在相同的树木中纤维的力学性能优良不一。早在1959年，国外学者Jayne就对白云杉及花旗松两种树木的早材、晚材中纤维的基本力学性能进行了测试。结果表明，白云杉早材与晚材中纤维的平均抗拉强度分别为523 MPa与569 MPa，弹性模量平均值分别为25.221 GPa与35.060 GPa;花旗松早材与晚材中纤维的平均抗拉强度为343 MPa与951 MPa，弹性模量平均值分别为17.768 GPa 与 42.637 GPa［1］。随着科学技术的突飞猛进，Burgert等人运用先进的机械分离技术对云杉的单根纤维进行了力学性能测试。数据表明，云杉中单根纤维的最大抗拉强度为1 186 MPa，最大弹性模量为22.6 GPa［2］。国内学者曹双平对30年生杉木单根纤维的基本力学性能进行了测试，得出的结果为:早材单根纤维的抗拉强度为376 MPa～949 MPa，弹性模量为6.0 GPa～14.3 GPa，断裂延伸率为5.7%～14.3%;晚材单根纤维的抗拉强度为846 MPa～2 017 MPa，弹性模量为 12.4 GPa～29 GPa，断裂延伸率为 4.4%～9.2%［3］。目前，木质纤维已经广泛的应用于墙面保温砂浆、瓷砖粘结剂、石膏制品及沥青混合料中，效果十分理想。

1.2 竹纤维

我国地大物博，竹材资源富足充裕，产量位居世界前列。竹纤维取之于天然可再生竹材，绿色环保。常见的竹纤维主要为竹原纤维、竹浆纤维与竹炭纤维。竹纤维的优势如下:1)竹纤维原材丰富，生长速度快，市场供给大于需求;2)竹纤维的横向与纵向都具有较高的强度，可以避免薄弱环节的出现;3)竹纤维回弹性能优越，可推测其应该具有较高的断裂延伸率;4)竹纤维生态环保，质感极好，被誉为“有生命的纤维”。

单根竹纤维是纤维构成的基本单元，对其进行基本力学性能研究尤为重要。曹双平对不同生长年份的毛竹单根纤维的力学性能进行了测试，可谓国内前瞻性的研究。通过测试数据可知:2年生单根毛竹纤维的抗拉强度为1 180 MPa～2 136 MPa，弹性模量为17.5 GPa～29.8 GPa，断裂延伸率为4.9%～9.7%;4 年生单根毛竹纤维的抗拉强度为1 407 MPa～2 708 MPa，弹性模量为19.6 GPa～40.8 GPa，断裂延伸率为 4.8%～9.2%;6 年生单根毛竹纤维的抗拉强度为 1 285 MPa～2 365 MPa，弹性模量为20.3 GPa～36.5 GPa，断裂延伸率为 4.3%～8.5%［3］。

目前，竹纤维的广泛应用主要体现于纺织类产品。

1.3 纤维力学性能对比

目前，纤维混凝土中常用的纤维有钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维及芳纶纤维。依据上述对木质纤维、竹纤维力学性能相关研究及文献［4，5］，对比分析不同纤维的主要力学性能，如表1所示。衡量纤维是否适合应用于建筑工程领域中的主要力学性能指标为抗拉强度、弹性模量及断裂延伸率。木质纤维、竹纤维的抗拉强度虽然不及钢纤维、碳纤维、玻璃纤维与芳纶纤维，但是其断裂延伸率有着显著优势，对混凝土构件韧性的提高将起着举足轻重的作用。虽然木质纤维、竹纤维的断裂延伸率不及聚丙烯纤维，但其抗拉强度相比之下要略胜一筹。

表1 不同纤维的力学性能

2 木质纤维、竹纤维混凝土相关研究现状

2.1 木质纤维混凝土

所谓的木质纤维混凝土是指利用木质纤维增强混凝土，使混凝土结构的力学性能得到进一步提升。木质纤维这种材料出现较早，但是将其作为建筑工程领域的材料来进行研究相对较晚。混凝土是建筑工程中最常见、需求量最大的材料，然而目前，学者对木质纤维混凝土的研究却是寥寥无几。高昱、张琳对木质纤维在干混砂浆中的应用情况进行了试验研究［6］。试验首先对掺入木质纤维的腻子与未掺入木质纤维的腻子的抗裂性能进行对比研究。结果表明，未掺入木质纤维的腻子由于内外层水分散失量不同，导致内外层腻子的收缩量不同，外层腻子因水分散失较多，收缩较大，进而开裂;掺入木质纤维的腻子，由于木质纤维的锁水、导水性能，很大程度上减小了腻子的不均匀收缩，因此未发生开裂。试验又通过测定在同一龄期下砂浆试块的质量及应变，研究了木质纤维对砂浆失水率与干缩率的影响。结果表明，掺入木质纤维的砂浆的失水率与干缩率都明显的降低。为进一步研究木质纤维混凝土的力学性能，高昱、王东等人探究了木质纤维对混凝土的流动性、吸水率、抗压强度及抗裂性能的影响［7］。选用国内混凝土用木质纤维及国外憎水性木质纤维，按照一定的比率掺入到混凝土中，进行平板开裂方法试验。研究结果表明:国内混凝土用木质纤维降低了混凝土的流动性，但延缓了混凝土开裂的时间，且减少混凝土裂缝面积1/4左右;国外憎水性木质纤维对混凝土的流动性没有影响，且大幅度减少混凝土裂缝面积，减少率为50%。试验研究还发现，这两种木质纤维对混凝土的抗压强度及吸水率影响都不大。

2.2 竹纤维混凝土

竹纤维按照一定要求掺入到混凝土中即形成竹纤维混凝土。早在1990年，陈瑞麟等人就对不同掺量的竹纤维混凝土的基本力学性能进行了测试。选用的纤维是经过竹材加工机器生产出来的竹丝。研究结果表明:竹纤维的掺入可以有效抑制混凝土裂缝的开展，避免了因裂缝集中而形成的大裂缝，提高了混凝土的延性;虽然竹纤维混凝土较素混凝土抗压强度略有降低，但仍满足规范要求［8］。此后，学者们淡化了对于竹纤维混凝土的研究。直至近些年，刘豫等人对竹纤维增强水泥复合材料进行了试验研究。试验选用经过表面预处理的竹纤维及普通竹纤维作为掺合料与素水泥基材料进行力学对比，结果表明:无论竹纤维表面是否经过处理，都会提高水泥基复合材料的早期抗压、抗折强度及耐久性能;竹纤维经过表面预处理，会提高其耐碱性能，掺入到水泥基复合材料中，会使复合材料力学性能进一步提升［9］。随后，陈翔等人对竹纤维混凝土板进行了初步探究。研究结果表明:竹纤维大幅度提高了混凝土板的抗弯强度，提高了混凝土板的延性，延缓了裂缝的开展［10］。

3 总结与前景展望

木质纤维、竹纤维不仅具备优异的力学性能，又有着良好的化学稳定性、热稳定性及易分散性，这将使其与混凝土材料更好的相结合。综合上述论证，木质纤维、竹纤维应用于混凝土结构中是科学合理可行的，且其原材料来源广泛、充足，市场价格低廉，绿色健康环保，可谓有着极高的性价比与可观的应用前景。学者们可对木质纤维、竹纤维混凝土结构进一步深入探究，在研究中砥砺前行，共谱土木工程领域新篇章。

［1］Jayne B A.Mechanical properties of wood fiber［J］.Tappi，1959，42(6):461-467.

［2］Burgert I，Keckes J，Fruhmann K.A comparison of two techniques for wood fiber isolation-evaluation by tensile tests on single fibers with different microfibril angle［J］.Plant Biol，2002(4):9-12.

［3］曹双平.植物单根纤维拉伸性能测试与评价［D］.北京:中国林业科学研究院，2010.

［4］沈荣熹，王璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［5］史小兴，金 剑.建筑工程纤维应用技术［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［6］高 昱，张 琳.木质纤维在干混砂浆中的应用研究［J］.新型建筑材料，2009(5):20-22.

［7］高 昱，王 东，罗庚望，等.木质纤维在混凝土中的抗裂性应用研究［J］.商品混凝土，2012(1):37-41.

［8］陈瑞麟，曾家民.竹纤维混凝土主要力学性能的试验研究［J］.华侨大学学报(自然科学版)，1990(4):377-381，431.

［9］刘 豫，张晓玲，李小雷，等.竹纤维/水泥复合材料力学性能和耐久性的试验研究［J］.河南理工大学学报(自然科学版)，2012(1):104-108.

［10］陈 翔，张小军，贺 冉.竹纤维混凝土墙板的试验研究［J］.湖南城市学院学报(自然科学版)，2012(3):11-14.