椰壳纤维增强水泥基复合材料研究现状与展望★

黄小琴 蒋必凤

(三亚学院，海南 三亚 572011)



·建筑材料及应用·

椰壳纤维增强水泥基复合材料研究现状与展望★

黄小琴 蒋必凤

(三亚学院，海南 三亚 572011)

从基体材料选择、复合材料制备方法、增强机理、纤维预处理方法等方面，对椰壳纤维水泥基复合材料进行了分析，并结合其在国内外的研究现状，展望了椰壳纤维水泥基复合材料的工程运用前景。

椰壳纤维，水泥基体，增强机理，纤维预处理

0 引言

椰壳纤维线密度低、长度分布连续[1]，具有良好的韧性，并且价格低廉，是一种良好的复合材料增强相的植物纤维材料。混凝土等水泥基材料具有很高的抗压强度，但其抗压与抗弯强度较低，是脆性材料，在荷载的作用下容易发生脆性破坏，限制其工程上运用前景。故将椰壳纤维加入到水泥基材料中，有望减少水泥基材料硬化后材料内部的微裂纹，改善材料微观结构，增强水泥基材料诸如抗拉、抗弯以及抗压等力学性能。一方面该材料的制备可以提高材料工程运用的安全性；另一方面，椰壳纤维的回收与利用也有助于环境保护。国内外众多学者在这方面做了许多研究，有一定的进展，本文旨在对椰壳纤维轻质水泥基复合材料的制备工艺与方法、研究思路以及国内外研究状况进行综述，并展望该材料的工程运用前景。

1 材料的选择与制备方法

椰壳纤维呈淡黄色，直径一般为100 μm～450 μm，长度5 cm～25 cm，密度1.12 g/cm3，是具有多细胞聚集结构的长纤维，椰壳纤维加工工艺为椰子壳→浸泡→脱脂→机械打松→挑选→成纤，天然的椰壳纤维长度连续，多数纤维长度5 cm～15 cm,呈正态分布[1，2]。 椰壳纤维来源丰富，成本较低，与混凝土相比，抗拉强度较高，是一种较为理想的水泥基复合材料增强相，加入水泥基复合材料中可以减少砂石骨料的使用，并能够在混凝土受力破坏时，改变材料内部的承力结构，降低混凝土的脆性破坏。

鉴于普通硅酸盐水泥中的水泥熟料在水化反应中会产生较多的NaOH，整个混凝土块状材料处于碱性体系，天然椰壳纤维在碱性环境作用下，会发生“矿物化”作用，纤维强度大大降低，导致复合材料耐久性受到影响[3]。制备椰壳纤维水泥基复合材料一般采用低碱或无熟料水泥，以降低椰壳纤维的碳化反应，保持天然椰壳纤维的强度，以提高复合材料的耐久性。

椰壳纤维轻质水泥基复合材料的制备方法通常是将处理或天然的椰壳纤维加入到素砂浆或混凝土中，在正常的养护条件下，制备成块体或板状的复合材料。从复合材料的角度，以素水泥砂浆或新拌混凝土为基体相，以椰壳纤维或椰壳破碎颗粒为增强相，制备二者的复合材料，用椰壳纤维替代部分的细骨料和粗骨料改善基体材料相关性质，属于柔性纤维(纤维的弹性模量小于基体材料)增强基体复合材料。

2 椰壳纤维的预处理方法

2.1 煮沸处理

P．M．Katkar[4]制备的椰壳纤维非织造增强水泥板得出：与未经处理直接加入椰壳纤维相比，经过煮沸处理的椰壳纤维，导热系数最小、抗弯强度和抗压强度得到了提高，吸水性也大大降低。这可能是因为椰壳纤维经煮沸处理后内部结构发生变化，纤维本身强度提高，与水泥基体界面结合强度得到提高。

2.2 碱液处理

王威等[2]用不同浓度的碱液对椰壳纤维进行处理，结果表明碱液处理后纤维的细度明显减小,且碱溶液浓度越高,处理后纤维变得越细，通过扫描电镜下观察，碱液处理后纤维表明角质层被除去，形成许多空隙和凹坑；这有利于提高椰壳纤维与复合材料的基体界面机械结合强度，但碱液处理后纤维表面出现的孔隙和凹坑也会增大纤维的表面积，与水泥基的纤维碳化反应将会更加明显。谭洪生[5]对NaOH碱溶液处理前后的椰壳纤维亚微观形貌进行了对比分析，表明碱液处理掉椰壳纤维表面的脂肪酸及其缩聚产物形成的蜡状物质，碱溶液处理后材料的抗拉强度明显降低。这类似于椰壳纤维在水泥基复合材料中的碱性碳化腐蚀作用，故对椰壳纤维进行预处理对于纤维性能的发挥具有重大作用。文章中提到加入相容剂可以提高复合材料的性能，这对椰壳纤维水泥基复合材料性能的提高的研究是一个启示。

2.3 表面涂覆

徐辉等[6]将纤维浸泡在pH值为12的Ca(OH)2溶液中30 d和60 d后，纤维的断裂强度为原纤维的76%和70%，研究指出天然植物纤维在强碱的浸泡下，其断裂强度会大幅下降。从机理分析，纤维“矿物化”是影响纤维增强水泥基复合材料耐久性的主要原因，其会导致材料的强度降低。研究采用丙烯酸酯共聚乳液聚合物，对纤维表面进行浸渍包裹，加速老化30次其抗折强度比未经处理的高，材料的耐久性得到提高。

3 增强机理

椰壳纤维的弹性模量低于水泥基体，能提高水泥基复合材料诸如抗弯强度、冲击韧性等与塑性方面相关的性质。加入水泥基体的椰壳纤维属于短纤维，随机分布于水泥基体中，能够降低水泥硬化过程中的塑性收缩，减少材料内部的收缩裂纹，提高材料的韧性。从该角度出发，对椰壳纤维进行改性，对椰壳纤维表面进行物理或化学处理，使椰壳纤维在水泥基体中分散均匀，增强纤维和水泥基体的界面结合强度，制备成分均匀，综合性能良好的复合材料。传统的复合材料混合原理认为椰壳纤维水泥基复合材料的强度由纤维和基体的体积比和应力所决定，得出的结论与实际研究不符，原因是没有考虑纤维在基体中的分布情况、纤维与基体的界面结构等因素的影响[7]。复合材料的强度由纤维本身强度、水泥基体材料强度和二者之间的界面结合强度有关，国外学者提出的纤维间距理论认为纤维能在水泥基体硬化的过程中约束水泥基体收缩而产生的微裂纹，纤维间距越小，微裂纹宽度和深度将受到更大的限制，椰壳纤维水泥基复合材料的强度和韧性得到提高。椰壳纤维增强水泥基复合材料承载条件下的破坏为脆性破坏，但不是像普通混凝土失效时的截然断开，抗压或抗弯条件下，复合材料失效后仍由椰壳纤维连接，保持原有整体块状形貌，这在工程运用上有重要意义，增大结构的安全性，延长危机处理的反应时间。

4 国内外研究现状

S.Pardeshi[6]制备椰壳纤维增强混凝土预制件，测试其性能，结果表明，1%(wt)以内的椰壳纤维增强混凝土的抗压、劈裂抗拉以及抗弯性能都得到了一定的改善，并且材料吸水性大大降低，但新拌混凝土的流动性明显降低，初凝时间增长。后续研究中可以考虑加入水泥添加剂，以改善椰壳纤维增强混凝土的和易性以及硬化后的性质。P．M．Katkar[8]制备针对用于屋面设计的椰壳纤维非织造增强水泥板并对其性能进行研究，结果表明：与未经处理直接加入椰壳纤维相比，经过煮沸处理的椰壳纤维，能够改善其与水泥基体相的相容性，增强水泥板的耐热性能、抗弯强度和抗压强度，吸水性也大大降低。该研究为椰壳纤维水泥基复合材料的制备提供一个新思路，即采用非织造方法加入椰壳纤维制备椰壳纤维水泥基复合材料，其良好的力学性能和隔热性能在工程隔热保温方面有较好的应用前景。李丽平[9]以抗冲共聚聚丙烯为基体，加入椰壳纤维制备IPC/椰壳纤维复合材料在力学性能明显增强，且随着椰壳纤维含量的增加，优势越来越明显，椰壳纤维与IPC的界面粘结良好。这为研究椰壳纤维水泥基复合材料提供了一个纤维处理的研究思路方向，可以通过纤维的预处理，在纤维表现覆盖高分子聚合物，隔离椰壳纤维与混凝土基体的直接接触，减弱水泥熟料对椰壳纤维的碳化作用，并保护纤维的完整性，减缓其老化现象，从而提高椰壳纤维水泥基复合材料的耐久性。郭斌[10]采用质量比为矿渣∶天然石膏∶消石灰(88∶10∶2)的无熟料水泥，2%体积的椰壳纤维制备的墙板复合材料，其抗冲击强度为素砂浆的2倍。椰壳纤维增强水泥基复合材料从基体改性方面入手，采用低碱度的水泥特别是无熟料水泥是降低水泥熟料对椰壳纤维碱性腐蚀的一个研究方向。洪智伟[11]将椰壳纤维添加到发泡水泥砂浆中，椰壳纤维添加量(C=0%,1%及2%)及泡沫含量(F=0%,5%,10%及20%)，研究结果表明添加椰壳纤维能提高水泥砂浆的抗裂性能、抗弯强度和抗冲击性能。椰壳纤维具有一定的抗拉强度，将其加到发泡水泥砂浆中，有助于在泡沫水泥砂浆中形成纤维骨架结构，提高材料的抗弯、抗冲击性能，这是椰壳纤维水泥基材料的工程运用新方向，制备椰壳纤维轻质材料，有望在轻质隔墙上得到运用。叶颖薇[12]采用白水泥，制备竹纤维和椰壳纤维增强水泥复合材料，研究表明，竹纤维增强水泥复合材料的抗拉强度比椰壳纤维增强水泥复合材料高出30%，这可能是由于竹纤维本身抗拉强度大于椰壳纤维45%造成的。纤维加入量存在一极限值，在极限值之下，复合材料性质随纤维的加入量的增加呈现上升趋势，当纤维加入量超过极限值是将导致复合材料整体性能变差，这是由于纤维和基体的热膨胀系数差异和泊松效应而导致的脱粘效应与纤维正增强效应相互作用的结果，竹纤维的加入极限值低于椰壳纤维，这是因为竹纤维表面更光滑，脱粘效应更显著。总的来说，椰壳纤维增强水泥基复合材料的研究仍处于不断发展的阶段，纤维与基体之间的界面结合情况以及基体对椰壳纤维的碳化作用成为制约复合材料的综合性能与耐久性的两大关键点，有待国内外学者的进一步研究。

5 展望

纤维增强水泥复合材料用途广泛，可认为其是与环境相容的新颖的水泥基材料，对其进行深入研究对工程材料的实际应用具有较好的理论指导意义。椰壳纤维制作的可切割轻质混凝土板成本低廉，加入椰壳纤维后具有一定的保温效果，可用于临时样板房的搭建。P．M．Katkar研究煮沸的椰壳纤维材料增强水泥板试样室与标准温度的温差约为8 ℃～9 ℃，具有很好的耐热性，在建筑隔热保温材料上有较好的应用前景[8]。椰壳纤维密度小，加入水泥基复合材料中可以替代部分的砂石骨料，降低材料密度，并且纤维作为骨架，能够增加复合材料的韧性，改变材料的破坏形态，其在制备轻质墙体材料上有一定的运用前景，有望提高水泥基泡沫混凝土的强度和韧性。台湾逢甲大学土木工程系的蘇人煇制备了椰壳纤维轻质混凝土砖并对其性能进行研究，结果表明：该材料强度不高，但热传导系数较小，可在隔音隔热方面有较好的工程运用。 综上，椰壳纤维增强水泥基复合材料在工程上具有广泛的运用前景，可制备隔热、吸音、轻质且具有一定韧性的建筑材料，是一种较有前景的植物纤维水泥基复合材料。

[1] 王 威,黄 故.椰壳纤维长度分布[J].纺织学报,2008,29(3):9-12.

[2] 王 威,黄 故.碱处理对椰壳纤维形态结构的影响[J].上海纺织科技,2008,36(10):20-22.

[3] 李丽平,谭洪生,刘永健，等.天然植物纤维增强水泥基复合材料的耐久性改善措施研究[J].新型建筑材料,2008(13):244-246.

[4] S.Pardeshi,M.Y.Gudiyawar,P.M.Katkar, et al.纤维—混凝土复合材料研究[J].国际纺织导报,2014,42(12):46-48,50,70.

[5] 谭洪生,邢立学,刘俊成，等.椰壳纤维/抗冲共聚聚丙烯复合材料的研究[J].材料工程,2008(z1):157-160.

[6] 徐 辉,蔡跃波.天然植物纤维增强水泥基复合材料的耐久性改善措施研究[A].第十二届全国纤维混凝土学术会议论文集[C].2008:244-246.

[7] 张 峰.纤维在水泥混凝土中的运用[J].江苏建材,2013(1):21-23.

[8] P. M. Katkar,C. A. Patil,P. A. Khude, et al.椰壳纤维/水泥复合材料[J].国际纺织导报,2013,41(2):56,58-59.

[9] 李丽平,谭洪生,刘永健,等.IPC/椰壳纤维与IPC/碳酸钙复合材料的研究[J].工程塑料应用,2014(4):15-18.

[10] 郭 斌.天然植物纤维增强水泥复合物综述[J].江苏建材,2005(3):49-52.

[11] 洪智伟.添加椰殼纖維對混凝土材料工程性質影響之探討[D].台北：國立臺灣科技大學，2014.

[12] 叶颖薇.竹纤维和椰纤维增强水泥复合材料[J].复合材料学报,1998,15(3):92-98.

Research status and prospect of coconut fiber strengthening composite materials with cement foundation★

Huang Xiaoqin Jiang Bifeng

(SanyaUniversity,Sanya572011,China)

Starting from aspects of basic material selection, composite material preparation method, strengthening mechanism and fiber pretreating methods, the paper analyzes composite materials with coconut fiber cement foundation. Combining with its research status at home and abroad, it makes the engineering application prospect of the composite materials with coconut fiber cement foundation.

coconut fiber, cement matrix, strengthening mechanism, fiber pretreating

1009-6825(2017)06-0125-03

2016-12-15 ★：三亚市院地合作项目(项目编号：2016YD18)

黄小琴(1987- )，女，助教

TU525

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