废弃再生木纤维对轻质保温砂浆力学性能和保温性能的影响

摘 要：利用废弃木材生产再生木纤维制备绿色建材产品，既可节约资源，又可实现废弃木材的再生资源化利用。本文通过研究再生木纤维对轻质保温砂浆力学性能和保温性能的影响规律，确定再生木纤维与水泥的最佳比例（灰木比）。研究表明，随着灰木比的增加，再生木纤维含量减少，轻质保温砂浆的抗压、抗折强度不断增加，保温性能却呈现下降的趋势。相比于未预湿再生木纤维组砂浆，当灰木比为3.0时，预湿组再生木纤维砂浆的28d抗压强度由24.7MPa增加至28.4MPa，28d抗折强度由9.6MPa增加至10.3MPa，但其保温性能明显降低，导热系数由0.248W/m·K增加至0.263W/m·K，但均可满足实际工程需求。

关键词：再生木纤维；保温砂浆；力学性能；导热系数；固废文章编号：2095-4085（2024）10-0245-03

0 引言

废弃木材经破碎筛分处理后可以得到不同级配、粒径尺寸的再生木纤维。在绿色建筑和节能减排的大背景下，利用废弃木材制备再生木纤维，生产各种人造板、墙体材料等绿色建材产品，已逐渐成为废弃木材资源化利用研究的发展趋势^［1-2］。利用废弃再生木纤维制备水泥基材料，不仅能够提高其宏观性能，还能缓解优质木材资源匮乏问题，显著降低施工生产成本和环境污染，经济和环境效益显著。

国内外许多学者已经对木纤维水泥基材料进行了相关研究工作。张林^［3］等人在不同密度等级的加气混凝土掺入木纤维，其抗弯和抗拉强度得到了显著的增强。祝毫华^［4］等人研究表明增加杨木纤维尺寸和体积分数均会降低砂浆的抗折强度，而增加杨木纤维的体积分数将提高砂浆的抗压强度，添加3.0%的木纤维可以使砂浆72h自收缩降低45.6%。同时，适当添加木纤维还可以促进水泥浆体的早期凝结，从而缩短水泥的初凝时间^［5］。木纤维本身的纤维素成分具有交错相连的网络结构，能够有效抑制水泥基材料的收缩开裂问题^［6-7］，有助于水泥基材料在承受拉压应力时表现出更好的稳定性和耐久性。再生木纤维具有轻质、吸声、隔热等特性，可以降低混凝土的自重，减小声波反射，提供隔热效果，这些特性可以在轻质保温砂浆墙体材料中得到充分利用，具有环保和可持续性的优势。因此，本文利用废弃木材再生纤维制备轻质保温砂浆，系统研究再生木纤维对轻质保温砂浆的力学性能和保温性能的影响规律，为再生木纤维在保温砂浆中的工程推广与应用提供理论依据和科学参考。

1 实验

1.1 原材料

水泥：木纤维的掺入会影响普通硅酸盐水泥水化反应，进而导致其流动性降低，凝结硬化慢等缺陷。因此，本文采用42.5级快硬硫铝酸盐水泥，初凝时间和终凝时间分别为28min和43min，比表面积为403/（m²·kg^-1）。

再生木纤维：利用再生木纤维撕碎机对废弃桦木板材破碎、筛分处理得到再生桦木纤维（见图1），密度为1.16kg/m³，吸水率为95.9%，含水率为4.32%。

细骨料：选用Ⅱ级天然河砂，表观密度为2.58kg/m³，细度模数为2.4，满足国家标准《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）中的性能要求。

外加剂：高效聚羧酸减水剂，掺量为胶凝材料用量的2.0%～2.2%，减水率为25%。

纤维素醚：纤维素醚（羟丙基甲基纤维素，HPMC）的规范主要根据国家标准Q_0306SHD004-2019《羟丙基甲基纤维素》进行规定。掺量为胶凝材料的0.4%（见图2）。

1.2 实验方案设计

本文以快硬硫铝酸盐水泥为胶凝材料，以天然河砂作为细骨料，制备再生木纤维保温砂浆，试验分为预湿实验组与未预湿实验组进行对比。保温砂浆的水灰比定为0.3，水泥与木纤维的比例（灰木比）分别设计为0.8、1.0、1.5、2.0和3.0，纤维素醚掺量为水泥胶凝材料的4‰，聚羧酸减水剂掺量为胶凝材料的2.0%，其详细配合比如表1所示。

1.3 测试方法

按照水灰比0.3称取拌合水和快硬硫铝酸盐水泥，再根据不同的灰木比分别称取相应的木纤维。使用JJ-5型砂浆搅拌机进行搅拌，在搅拌锅中依次加入水泥、木纤维和纤维素醚，加水前先将混合材料用搅拌机干拌3～5min使木纤维分布更加均匀。搅拌好的木纤维水泥基材料先测试流动度，测试完流动度后将木纤维水泥基材料装入试模。

本试验中采用的尺寸为160mm×40mm×40mm，试块制备完成后放置在标准养护条件下进行养护。试块应在20℃±2℃的温度下，相对湿度大于95%的环境中养护。达到规定龄期之后，分别测定试件的3d、7d、14d和28d的抗压强度和抗折强度。同时，将拌合物制成300mm×300mm×35 mm的保温砂浆试块，28d后烘至绝干，将试块置于导热系数测定仪中测定导热系数。

2 实验结果与分析

2.1 抗压强度

图3（a）和（b）分别为水灰比为0.3时未预湿组和预湿组木纤维保温砂浆的灰木比与抗压强度的关系曲线。由图3（a）可知，在养护龄期一定时，未预湿组保温砂浆的抗压强度性能随灰木比的增加而增大。这主要是因为随着灰木比的增加，用于包裹木纤维的水泥浆体含量增加，减弱了木纤维表面的粗糙程度和摩擦力，增加了砂浆的工作性，提高了其密实程度。相比之下，由图3（b）可知，经过对再生木纤维预湿处理，木纤维保温砂浆的抗压强度要显著强于未预湿组砂浆的强度。预湿处理是指在木纤维水泥基材料试件制备前将木纤维与水1∶1拌合进行湿润处理的工艺。由于未预湿组的木纤维会优先吸收拌合水，使得水泥水化用水量降低，导致其抗压强度减小。通过预湿处理，水泥水化反应充分进行，还能使木纤维砂浆在硬化过程中保持一定的湿度，有利于试块的养护和后期强度发展。当灰木比为3.0时，其7d抗压强度由24.2MPa增加至26.3MPa；28d强度由24.7MPa增加至28.4MPa。

2.2 抗折强度

图4（a）和（b）分别为水灰比为0.3时未预湿组和预湿组木纤维保温砂浆的灰木比与抗折强度的关系曲线。由图可知，在养护龄期一定时，未预湿组和预湿组的保温砂浆的抗折强度性能均随灰木比的增加而增大。这主要是因为随着灰木比的增加，用于包裹木纤维的水泥浆体含量增加，使得浆体内部的木纤维能够充分发挥其增韧效果。由图4（b）可知，经过对再生木纤维预湿处理，可以看到预湿组木纤维保温砂浆在抗折强度方面表现出明显的优势，当灰木比为3.0时，相较于未预湿组，其7d抗折强度由9.1MPa增加至9.8MPa；28d抗折强度由9.6MPa增加至10.3MPa。

2.3 保温性能

图5为水灰比为0.3时未预湿组和预湿组木纤维保温砂浆的导热系数对比图。由图可知，随着灰木比的增加，两个组别的保温砂浆的导热系数均不断增加，保温性能降低。换句话说，随着再生木纤维含量的降低，砂浆的干密度逐渐增加，同时保温砂浆的强度增加但是其保温性能减弱。同时，在灰木比和养护龄期一定时，预湿组木纤维保温砂浆的导热系数要明显高于未预湿组保温砂浆，当灰木比为1.0时，预湿组砂浆的导热系数由0.213W/m·K增加至0.229W/m·K；当灰木比为3.0时，预湿组砂浆的导热系数由0.248W/m·K增加至0.263W/m·K，这主要与预湿组保温砂浆中木纤维所含饱和水量有关。由此可知，灰木比为3.0时，其力学性能和保温性能均能满足实际工程需求。

3 结论

（1）未预湿组和预湿组保温砂浆的力学性能均随灰木比的增加而增大。当灰木比为3.0时，其28d抗压强度由24.7MPa增加至28.4MPa，抗折强度由9.6MPa增加至10.3MPa。这说明再生木纤维的掺入能够提高保温砂浆的力学性能，增加保温砂浆的韧性和抗裂性能。

（2）灰木比增加会降低砂浆的保温性能。当灰木比为1.0时，预湿组砂浆的导热系数由0.213W/m·K增加至0.229W/m·K；当灰木比为3.0时，预湿组砂浆的导热系数由0.248W/m·K增加至0.263W/m·K，这主要与预湿组保温砂浆中木纤维所含饱和水量有关。

参考文献：

［1］庞超明，厉彦浩，高仁辉，等.仿木水泥基材料的发展研究综述［J］.混凝土与水泥制品，2024（3）：26-30.

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［3］张林，许荣盛，王志伟.木纤维增强砂加气混凝土的研究［J］.新型建筑材料，2020，47（11）：18-23.

［4］祝毫华，杨黎，刘剑辉，等.杨木纤维对砂浆流动度、力学性能和自收缩的影响［J］.硅酸盐通报，2024，43（2）：487-494.

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