植物纤维砂浆复合材料制备与研究

杨威龙，付 豪，常洋铭

(华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450045)

0 引言

截至2021年我国粮食总产量为682 85万吨[1-2]，粮食的高产量化产生了大量的农作废弃物，大量的农作废弃物只有一小部分得到了合理、可循环的利用，而大部分的农作废弃物被当场焚烧、填埋[3-6]。这不仅是资源浪费，而且在这一过程中产生了大量有害物质破坏了当下我们赖以生存的地球环境。我国一直坚持走可持续发展战略，人们渐渐对传统的合成纤维、不能回收的工业纤维和金属纤维不看好，而产量大、可回收、价格便宜的农作物和植物天然纤维成为首选。考虑到以上原因，人们更希望采用天然植物纤维替代那些不可再生纤维应用到更广泛的施工材料中，进而实现资源的再生循环利用，履行我国的可持续发展战略。

水泥基材料是普遍使用的建筑材料，具有抗压强度高和抗折强度低的特点，为了改善水泥基材料的抗折强度，使用植物纤维改性水泥基复合材料成为现代水泥基材料的主要技术方向之一。植物纤维对微裂缝的抑制作用主要体现在其抗拉、抗折强度与黏着强度，同时其自身的抗拔拉性能还会在很大程度上对水泥基材料的裹覆能力及韧性表现产生影响而且植物纤维可以对水泥基材料在初凝及终凝过程中产生的微裂缝进行有效抑制[7-8]，从而有效防止微裂缝对其力学性能产生不利影响。

但由于植物纤维主要成分木质素和半纤维素在碱性环境中易于水解，削弱纤维本身细胞间的连接，聚集态结构遭到破坏；水泥水化产物氢氧化钙随着水泥浆体孔溶液向纤维内部渗透，在内腔沉积造成纤维矿化。水解和矿化导致植物纤维抗拉强度与变形能力下降，逐渐丧失在水泥基体中的增强作用。

因此对植物纤维的改性成为解决其在水泥基材料是否能起到“积极作用”的关键所在。就目前而言，对植物纤维的改性包括以下两个方面：一方面可以通过在水泥基复合材料中添加火山灰材料，使得孔溶液中Ca(OH)2的浓度降低；另一方面对植物纤维自身进行改性处理，这种改性包括物理手段和化学手段。其中物理手段包括纤维高温处理、工业超声波扫描处理、等离子光波照射处理、高温、高压蒸汽爆破处理。化学手段包括：酸碱性溶液浸泡处理、防水、防渗透材料涂层表面处理、干湿老化循环处理等。本文选用化学手段的碱溶液浸泡处理方式，通过5%浓度的氢氧化钠溶液对小麦秸秆纤维浸泡，去除其表面的蜡质层和果胶，分解其内部的木质素和半木质素，从而使得其更好与水泥基体结合，发挥自身作用，提高水泥基性能。

1 试验

1.1 原材

本文所用试验采用的是河南永安水泥有限责任公司的“天瑞”牌普通硅酸盐水泥，水泥品种等级为普通硅酸盐水泥42.5级。基本性能见表1。小麦秸秆选用的是河南三门峡本地乡村的废弃农作物制备的长度平均为1 cm左右的秸秆纤维，见图1。细集料选用的是普通河砂，经烘干后过筛备用。减水剂使用的是湖南中岩科技生产的聚羧酸高性能减水剂，按照水泥的质量占比加入。试验用水为郑州地下饮用水。氢氧化钠溶液采用科诺试剂有限公司生产的标准溶液浓度为1.000 mol/L，即5%浓度氢氧化钠。

图1 小麦秸秆纤维

表1 水泥基本性能

1.2 植物纤维的改性

对小麦秸秆纤维的改性试验，首先将小麦秸秆纤维去除杂质后多次清洗自然风干，取两份等质量的秸秆纤维等待改性。一份小麦秸秆纤维不做任何处理，另一份小麦秸秆纤维放进5%浓度的氢氧化钠溶液中浸泡24 h，然后放入40 ℃的电热鼓风干燥箱中低温烘干，确保纤维不受到高温变质。待烘干后通过测试其质量损失程度来判断小麦秸秆纤维的木质素、半木质素、果胶、蜡质层的析出程度。制备过程如图2、图3、图4所示，结果如表2所示。

图2 纤维的浸泡

图3 低温烘干纤维

图4 得到改性后纤维

表2 水泥基本性能

由表2可以看出5%浓度的氢氧化钠溶液浸泡的小麦秸秆纤维质量损失率为31.06%，可以得出5%浓度的氢氧化钠溶液对小麦秸秆纤维有着较大的腐蚀作用，可以很大程度上去除小麦秸秆纤维的木质素、半木质素、果胶、蜡质层。分析原因是：经过5%氢氧化钠溶液的浸泡处理的小麦秸秆纤维质量损失率远远大于未处理的小麦秸秆纤维，是由于5%氢氧化钠溶液通过腐蚀小麦秸秆纤维表皮的蜡质层和果胶，因而将这部分的阻凝物质析出后，顺着纤维的微孔表面进入到纤维内部造成进一步破坏。当氢氧化钠溶液可以直接进入到纤维内部时，内部的半纤维素会在氢氧化钠溶液的碱性环境下，大量水解成糖类，再经过多次清水清洗，将这部分损失的阻凝物质清洗出去，烘干后质量大幅度减少。

1.3 植物纤维复合水泥基材料配合比设计

表3 试验配合比

通过设置0%、1%、3%、5%、7%、9%的纤维掺入量分别设置六组对照组。纤维在水泥基体中均匀分散并且间距最小是纤维能够起到良好的阻裂效果的前提条件，因此纤维均匀分散主要取决于搅拌工艺。故掺入植物纤维的时机颇为重要，考虑采用后掺法，可以避免先掺入法过长的搅拌时间对纤维表面造成的损伤。严格把控试验操作流程，减少试验误差。通过成型不掺入植物纤维的水泥基材料的空白试验、多组分平行试验等统计手段综合考虑植物纤维对水泥基材料性能的影响。采用多次分批后掺入纤维法对植物纤维复合水泥基材料的制备工艺进行优化处理。具体操作为：先放入水泥和河砂搅拌1 min使得干料充分拌匀，然后加入小麦秸秆纤维和干粉聚羧酸高性能减水剂搅拌2 min，等所有材料充分交互均匀后加入水搅拌5 min，搅拌完成后装模三分之一放置振动台振动2 min，重复两次上述装模工序后，进行试件养护7 d、28 d。待养护至相应龄期，进行抗压抗折试验测试。

图5 震动成型

图6 抗折、抗压测试

2 结果分析

从表4中可以看到，经过5%氢氧化钠溶液浸泡过的小麦秸秆纤维成型的水泥基复合材料，除了7%、9%小麦秸秆纤维掺入量的L4、L5组之外其余的抗压强度、抗折强度都高于未掺入纤维的L0对照组。其中在掺入量为5%的L3组可以看出为最佳掺入纤维量组，其28 d抗压强度对比L0组未掺入纤维组提高了18.5%；其28 d抗折强度对比L0未掺入纤维组提高了19.5%。而L4、L5组为什么没有提高反而降低是由于随着纤维代替水泥质量的增加，水泥浆体很难包裹住大量的植物纤维，导致纤维暴露在试块表面和孔隙中，纤维无法与水泥基形成紧密的状态，从而使得试块强度降低，如果再加大纤维的掺入量将会影响试块成型，脱模环节直接破散。

表4 7 d、28 d抗压抗折分析

其原因有两方面：一方面，通过浸泡5%浓度的氢氧化钠溶液，使得植物纤维“暴露”在一个碱性环境中，其表面光滑的蜡质层、果胶等成分受到了充分的腐蚀作用，导致植物纤维表面变得凹凸粗糙，这样一来使得秸秆纤维和水泥基浆体之间更好地形成交互网格，促使植物纤维与浆体充分结合，更好地发挥纤维的作用，减少了水泥基体的微裂缝发展，提高了其抗压、抗折的能力；另一方面，水泥的水化过程中产生的水化硅酸钙和氢氧化钙。随着水泥水化反应，水化的硅酸钙和氢氧化钙不断地生成，水泥基体随着初凝和终凝时期慢慢开始硬化成型。随着水泥水化过程的深入大量氢氧化钙被释放出来，致使水泥的水化环境慢慢变成碱性环境，使得植物纤维周围分布大量的碱性溶液，这些碱性溶液通过纤维的微孔隙进入到纤维内部，然而小麦秸秆纤维的内部半纤维素很不稳定，会在碱溶液进入后进行水解反应，产生成糖类物质。然而这种糖类物质在水中与钙离子相结合，使得一部分钙离子无法析出成晶体状，从而导致了水泥水化不彻底，水泥水化不完整。当水泥水化不彻底时，最明显的就是水化时间长、成型难、水泥基体的强度不够，因而不能满足施工要求。但由于先将植物纤维经过碱性环境浸泡，纤维中的半木质素可以提前析出，有效地规避了这一点，使得纤维更好地为水泥基体“服务”。

3 结论

（1）经过5%浓度的氢氧化钠溶液对小麦秸秆纤维进行改性处理后，其质量损失率达到了31.06%，析出了大量的阻凝物质，使得纤维表面粗糙凹凸，可以使纤维更好地与水泥基体结合，达到强化水泥基体的作用。

（2）经过设置对照组，通过比对分析当纤维掺入量为5%时为最佳纤维掺入量，成型的试块的28 d抗压强度和28 d抗折强度对比未掺入纤维的组分别提高了18.5%和19.5%。

（3）在水泥基体材料中加入植物秆纤维可以有效改善力学性能，且植物纤维加入水泥基体中可以降低材料的密度，从而使得水泥基体更轻量化。