木浆纤维在水泥基中的应用
CCA板是以进口原生木浆纤维
CCA板是以进口原生木浆纤维、硅酸盐水泥、精细石英砂、添加剂及水等物质，经电脑精确配料、抄取成型、14000吨液压机压实及高温高压蒸压养护等特殊技术处理而制成的高新技术产品。
汉德邦CCA板为100%不含石棉、甲醛及苯等有害物质，具有高强度、大幅面、轻质、防火、防水、隔音、保温节能、施工快捷、易于饰面处理等优良性能的新型环保建筑板材。
随着国家墙材革新政策，建筑节能政策和消防法规等政策、法规的深入贯彻实施，各省相继出台了发展新型墙体材料《条例》，促进了墙改工作的深入开展，使人们增强了环保意识、提高了对居室热舒适环的要求和建设节约型社会的认识，要求墙体材料向砖一块一板方向发展，故CCA板的发展前景非常广阔。
从目前国内纤维水泥板的市场销售量增长比较快的现状分析，随着高性能、高质量、绿色环保的CCA板大规模上市和人们思想观念的转变，将大大推动其在沿海等地区及在防水防火等有特殊要求的使用场合替代纸面石膏板、矿棉板及细木工板等材料的趋势。
从海外市场来看，发达国家和地区更愿意接受新技术新材料。
纤维水泥板在发达国家已有近百年的使用历史，其施工速度快的特点使得劳动力资源紧缺的国家，对该产品极易接受，而通过近年来的技术进步和发展完善，让纤维水泥板在更广泛的应用领域里将其优异性能发挥得淋漓尽致。
而CCA板作为一种制造业的产品，很容易融入国际产业分工。
中国已经加入WTO，世界制造中心的地位正在确立，作为建材产品出口海外特别是海运距离比近的日本、东南亚、我国台湾等国家和地区的前景非常好。
从国家政策来看，财政部，国家税务总局于2008年12月10日已发布了《财政部国家税务总局关于部分资源综合利用及其他产品增值税政策问题的通知》（财税[2008]156号），已经纤维水泥板（产品标准号JC/T412-2006）列入“享受税收优惠政策新型墙体材料目录”。
也就是说,CCA板（纤维水泥板）属于国家鼓励发展的产品，可以享受增值税减半征收的优惠政策。
木质纤维的性能特点及其在工程中的应用[1]
![木质纤维的性能特点及其在工程中的应用[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/0da6c51a227916888486d786.png)
0.850 mm筛通过率
% 85 ±10
2
普通筛分析
0.425 mm筛通过率
% 65 ±10
0.106 mm筛通过率
% 30 ±10
3灰份含量
% 18 ±5
4 PH值
7. 5 ±1
P
不小于纤维自
强
,而对吡啶类
,酮类和芳香类化合物吸附能力很弱甚至不
种纸类进行加工而制得木质纤维。不管生产原料有何不同,
但是木质纤维最终都是以纤维素为骨架,以半纤维素和木
质素作为填充或粘结物的一种天然有机高分子化合物[3 ,
4 ]。
纤维素的化学式(C6 H10O5) n , n是重复的糖单元数量或
聚合度DP ,大多数造纸纤维的加权平均聚合度为600 -
括吡啶类
,酮类和芳香类化合物
,增加沥青用量
,减小自由
沥青量
,增加沥青结合料粘度
,达到减少或防止沥青路面
"
泛油
"现象的发生。
谢伦堡法和网篮法析漏试验
,都可以表征出木质纤维
5吸油率%身重量的5倍
6含水率% < 5. 0
7耐热性,210 ℃,2 h %
颜色,体积基
高沥青路面高温稳定性低温抗裂性等作用。
[关键词]木质纤维;沥青混凝土;SMA
[中图分类号] TU531. 13 [文献标识码]B [文章编号]1005 -6270(2007) 05 -0054 -05
The Performance and Application of Cellulose Fibers
探讨纤维材料在水泥混凝土中的应用
探讨纤维材料在水泥混凝土中的应用水泥混凝土材料是在建筑和土木工程施工的过程中，使用的强度大、成本较低的施工材料。
但是对于普通的材料来说还存在着一定的问题和缺陷，例如材料的抗拉强度较低，一旦受到外界的拉伸应力的时候，就很容易产生破损或者剥落的现象；耐久性相对较差，面临环境和相关的化学因素干扰的时候，混凝土的裂缝就会容易扩大，从而对结构的使用时间和耐用性都产生了一定的影响。
这些在很大程度上影响了混凝土的使用和创新。
纤维增强混凝土纤维就是增强混凝土的性能，使得纤维材料的粘附性和纤维的添加量对混凝土的结构性能起到了一定的影响，增强混凝土结构性能，使得混凝土纤维材料的抗裂性能和抗弯的性能都能得到一定的提升。
本文就主要针对于纤维材料在水泥和混凝土材料中的应用进行了简要的探讨。
一、化纤在纤维增强混凝土（FRC）领域的应用（一）聚烯烃纤维增强混凝土纤维增强水泥和混凝土材料在使用的合成纤维中，尤其是针对于聚烯烃纤维品种的纤维材料来说，在使用的过程中应用的较为广泛，单丝型水泥混凝土增强纤维使用的原材料就是PP纤维材料或者PE纤维材料，在纤维经过表面处理之后，不容易产生毛球和容易分散的现象，并且可以降低有可能会出现的起到现象，从而提高水泥的特性。
FRC混纤型纤维系列就是采取两种不同的纤维材料使用在混凝土中，从而有效地增强了混凝土的性质。
这样在不砼的受力的结构之下，不仅仅可以有效的发挥一种纤维的材料，同时也可以带来由几种不同的复合的纤维材料的作用。
1.聚烯烃纤维水泥基复合材料针对于纤维界面的摩擦情况进行有效的改善，对现有的纤维材料进行分散和对水泥的亲和性加好等方面都有了一定的效果，并且在使用的过程中也可以有效的合成复合纤维材料。
2.水泥基PVA纤维增强材料PVA纤维材料具有较高的强度和较高的模量，并且化学性质相对于较好，在湿热的环境下能稳定尺寸，并且其生产的纤维增强水泥板也得到了广泛人员的认可。
3.用于PRC中PVA新品种随着科学技术的进步，现阶段许多新技术也在FRC领域中应用，PVA纤维也出现了两种新品种。
木质纤维和竹纤维在混凝土中的应用前景
［ ３ ］ Ｄ ｃ ｒ ｊ ａ ｇ ｕ ｉ ｎ Ｂ Ｖ， Ｌ ａ ｎ ｇ ａ ｕ Ｌ Ｐ， Ａ ｃ ｔ ａ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｏ ｃ ｈ ｉ ｍＵ Ｒ Ｓ Ｓ ． １ ４ ６ ３ ３（ １ ９ ４ １ ） ［ ｚ ］ ． ［ ４ ］ 贺 华． 改性乳 化 沥青及微 表 处性 能研 究 ［ Ｄ］ ． 西安 ： 长 安
行 且科学合理的 ， 为进一步相关研究奠定 了理论基础 。 关键词 ： 木质纤 维 ， 竹纤维 ， 混凝土 中图分类号 ： Ｔ Ｕ ５ ２ ８ ． ５ ７ ２ 文献标识 码 ： Ａ
近年来 ， 对 于 纤 维 增 强 混 凝 土 的 相 关 研 究 有 增 无 减 。在 混 凝 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
发生碰撞 聚结 ； ２ ） 微粒半径越大 、 扩 离子乳化沥青溶液 中微粒 的双电层电位 ， 从而使 微粒间 的排 斥力 要表现为微粒 间排斥力减小 ， 散层厚度越 大 、 微粒 间 距离 越 大 、 双 电层 电位 越 大 ， 则 排 斥 力越 变大 ， 不容 易发 生碰 撞 聚沉 ， 稳 定 性 增强 ； 另一 方 面 ， 较小的 ｐ Ｈ
值， 增强 了乳化 剂的乳化效果 ， 使 乳液 中未充 分乳化 的微粒 减少 ， 大， 从 而阳离子乳化沥青乳液越稳定 ； ３ ） 较小皂液的 ｐ Ｈ值 可 以提 从 而提高乳液 的稳定性 。但是 ， ｐ Ｈ值 过低 ， 反 而离 子浓 度 （ ｃ １ 一 ） 高乳化剂 的活性 ， 增 强乳化效果 ， 节约乳 化剂用量 ； ４ ） 在一定范 围 Ｈ值 ， 阳离子乳 化沥 青乳 液稳定 性提 高 ， 酸度 过低 ， 会 变得很大 ， 它破坏了双 电层 ， 降低双 电层 电位 ， 从而 降低 了稳 定 内降低皂液 ｐ
纤维增强水泥基复合材料的研究进展
第36卷第10期 娃 酸盐 通 报Vol.36 No.10 2017 年 10 月________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_________________October,2017纤维增强水泥基复合材料的研究进展关国英\赵文杰2(1.吉林建筑大学材料科学与工程学院，长春13〇118;2.长春工业大学化学工程学院，长春130012)摘要:综述了纤维增强水泥基复合材料（f i b e r r e i n f o r c e d cem e n t i t i o u s composites，FRCC)目前在国内外的研究进展。
简要介绍了F R C C的概念及其基本性能，详细介绍了超高性能F R C C的国内外研究进展，重点介绍了 F R C C的纤维 间距、复合材料以及多重裂缝等理论的研究情况以及F R C C工程应用情况，在此基础上，提出了当前F R C C研究中 存在的问题和今后需要进一步研究的方向。
关键词:纤维；增强；水泥基；复合材料；机理中图分类号:TU529.41 文献标识码:A 文章编号:1001-1625 (2017)10-3342-05 Research Development of Fiber Reinforced Cementitious MaterialsGUAN Guo-ying1,ZHA0 Wen-jie2(1. School of Materials Science and Engineering, Jilin Jianzhu University,Changchun 130118 ,China；2. Institute of Chemical Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)Abstract：The current research progress of the fiber reinforced cementitious composites(FRCC)at home and abroad is summarized.The concept and the related properties of FRCC are introduced briefly.The research progress of ultra-high performance of FRCC are especially introduced domestic and overseas.The engineering application of FRCC and the current theoretical research of the theory of composite,fiber spacing theory and multiple fracture theory are recommended emphatically.On the basis of,the existing problems of researching FRCC are putted forward in the current and to come up with the direction for further study of FRCC in the future.Key words ：fiber；reinforced；cementitious；composite material；mechanism1引言在现代的建筑行业中，水泥基材料是一种应用范围广、用量大的建筑材料，它具有来源广泛、价格便宜、强度可控、及外形可塑等优点，但也存在抗裂性差、脆性大、抗拉强度低、极限延伸率小等不足之处。
纤维增强水泥基材料的研究现状与发展趋势
建筑技术开发Building Technology Development建筑材料第46卷第10期Building Materials2019年5月纤维增强水泥基材料的研究现状与发展趋势陈文永(中冶建筑研究总院有限公司，北京100088)［摘要］建筑工程行业正在日益的发展且发展迅速，传统的水泥基材料功能单一、脆性大、杭拉强度和杭弯强度差等弊端，这就使得传统的水泥基材料在一些特殊的行业使用时被限制。
而随着社会工艺的不断进步，不断出现新型的水泥基材料，可运用在多个领域，并且有效保证了工程施工质量，降低了工程能耗，满足了建筑行业高效的要求。
其中纤维增强水泥基材料占据了大部分的市场，针对纤维增强水泥基材料的研究现状进行了研究，展望纤维增强水泥基的发展趋势。
［关键词］纤维；水泥基；研究现状；发展趋势［中图分类号］TU528［文献标志码］A［文章编号］1001-523X(2019)10-0147-02Research Status and Development Trend of Fiber ReinforcedCement-based MaterialsChen Wen-yong［Abstract］The construction engineering industry is developing and developing rapidly.The traditional cement-based materials have single functions,large brittleness,poor tensile strength and poor bending strength,which makes traditional cement-based materials used in some special industries.With the continuous advancement of social processes,new types of cement-based materials are emerging,which can be applied in many fields,and effectively ensure the quality of engineering construction,reduce engineering energy consumption,and meet the high requirements of the construction industry.Among them,fiber reinforced cement-based materials occupy most of the market.This paper studies the research status of fiber reinforced cement-based materials,and looks forward to the development trend of fiber reinforced cement base.［Keywords］fiber；cement base；research status；development trend常用的水泥基材料以低廉的价格以及实用性强的特点被广泛使用。
植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展与应用
水泥与混凝土生产Cement and concrete production14植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展与应用许秀颖边加保李慧源（北京交通大学海滨学院，河北黄骅061100）中图分类号：TQ172 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2019）10-0014-01摘要：在建筑工程中，水泥作为混凝土的重要原材料，其自身质量直接影响到混凝土的施工质量。
为了有效抑制混凝土裂缝的发展，可将植物纤维应用于水泥之中，植物纤维的长径比及比表面积较大，并且具有较高的比强度，通过植物纤维的应用，以此研发增强水泥基复合材料，能够有效节约混凝土造价，同时也有助于环境保护。
鉴于此，本文便对植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用进行深入研究。
关键词：植物纤维；水泥基；复合材料；研究进展0 引言在应用水泥来拌和混凝土时，因混凝土在初凝及终凝过程中会受到结构荷载及环境的影响，进而使混凝土表面出现微裂缝，这些微裂缝需要进行严格的抑制，否则势必会进一步发展，从而严重影响混凝土的美观性，甚至还会威胁到结构安全。
为了提高混凝土的施工质量，人们尝试在混凝土中利用各种纤维来增强其性能表现，并由此产生了一系列的科研成果，如钢纤维增强混凝土技术、聚丙烯纤维增强混凝土技术等。
不过，由于钢纤维容易受到环境影响而发生锈蚀，同时玻璃纤维、钢纤维等的造价较为昂贵，这不利于工程成本的节约。
而植物纤维作为一种价格低廉且来源丰富的高分子材料，将其应用到混凝土之中，以此研发出增强水泥基复合材料，则可有效解决造价昂贵问题，同时也有助于对自然生态环境的保护。
1 植物纤维组成及其材料增强作用植物纤维的主要组成包括半纤维素、纤维素、蜡质、果胶以及木质素，在植物纤维中，半木质素及木质素在其中主要起到黏合剂的作用。
并且，木质素含量的高低，还会对植物纤维的性能表现及结构组织产生直接影响。
纤维素含量及其纤维轴和原纤的旋转角度会对植物纤维的硬度及强度产生决定性影响，通常来说，原纤和纤维轴所形成的夹角越大，则说明植物纤维在硬度及强度上的表现就越差。
植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状
第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状姜德民,徐浩东,康红龙,胡思宇(北方工业大学土木工程学院,北京㊀100144)摘要:作为一种新型绿色环保建筑材料,植物纤维增强水泥基复合材料受到了广大科研人员的青睐,但目前仍面临着众多问题㊂本文归纳总结了在植物纤维增强水泥基复合材料研究中的三大主要问题 植物纤维的高吸水率㊁植物纤维在水泥基复合材料中的劣化以及植物纤维对水泥基复合材料的阻凝作用,分析了造成这些问题的主要原因,列举了常见的改性方法并深入阐述了相应的改性机理及研究现状,最后展望了植物纤维增强水泥基复合材料的研究前景,以期为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂关键词:水泥基复合材料;耐久性;植物纤维改性;力学性能;资源化中图分类号:TU528.572㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0387-10Problems Faced by Plant Fiber Reinforced Cement-Based Composites and Research Status of Its Related ModificationJIANG Demin ,XU Haodong ,KANG Honglong ,HU Siyu(Faculty of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract :As a new type of green environmental protection building materials,plant fiber reinforced cement-based composites have been favored by many researchers,but there are still many problems.Three main problems in the study of plant fiber reinforced cement-based composites were summarized,namely,the high water absorption of plant fiber,the deterioration of plant fiber and the anticoagulation effect of plant fiber in cement-based composites.The main causes of these problems were analyzed.The common modification methods were listed and the corresponding modification mechanism and research status were described in detail.In the end,the research prospect of plant fiber reinforced cement-based composites was prospected,which provides reference for the resource utilization of plant fiber in the future.Key words :cement-based composite;durability;plant fiber modification;mechanical property;resource收稿日期:2023-09-21;修订日期:2023-11-20基金项目:北京市自然科学基金(2172021)作者简介:姜德民(1968 ),男,博士,教授㊂主要从事植物纤维保温混凝土的研究㊂E-mail:jdm2004@通信作者:徐浩东,硕士研究生㊂E-mail:1596186323@ 0㊀引㊀言水泥基材料是建筑行业的支柱型原材料,发展至今已经有200多年的历史,如今水泥行业的飞速发展造成的环境问题不容小觑㊂据统计[1],水泥生产㊁火力发电和冶金制造是我国三大大气污染主要来源,其中水泥生产所带来的污染占比最大,每生产1t 水泥将排放0.95t CO 2,整个水泥行业所排放的CO 2占全球总排放量的5%~8%[2]㊂因此,在建筑行业,环境友好的新型建材的研发越来越受到重视㊂纤维水泥制品是水泥制品行业的重要组成部分,纤维的加入能够提高水泥基材料的韧性㊁抗裂性以及耐久性等性能[3],纤维可分为天然纤维(棉纤维㊁麻纤维㊁毛纤维)和人造纤维(聚酯纤维㊁尼龙㊁钢纤维)[4]㊂植物纤维属于天然纤维,作为一种宝贵的可再生资源,植物纤维的应用前景广阔且潜力十足㊂有些植物纤维的抗拉强度要高于人造纤维(如聚丙烯纤维),毛竹纤维㊁洋麻纤维的单根抗拉强度甚至可达上千兆帕[5]㊂此388㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷外,在混凝土中添加植物纤维能在一定程度上抑制材料微裂缝的产生,使材料的抗渗㊁抗冻融性能增强,韧性得到提高[6]㊂近年来,不少科研人员都投入到植物纤维增强水泥基复合材料(plant fiber reinforced cement-based composite,PFRCC)的研究中㊂PFRCC 的研究意义在于:1)植物纤维复合材料有着一定的可降解性[7],将其应用在建筑材料上能够减轻建筑垃圾的回收处理负担;2)植物纤维有着优秀的抗拉性能,同时还是一种绿色可再生资源,其生产过程不会产生污染;3)在PFRCC 中加入植物纤维能够取代部分水泥,通过减少水泥的使用来减轻环境负担㊂但是从植物纤维的化学组成上来看,它并不适合直接添加到水泥基材料中㊂一方面,植物纤维中存在着大量羟基,与水泥进行拌和时,植物纤维会大量吸收自由水导致水灰比降低[8],影响材料的强度,甚至会导致混凝土内部缺陷增多[9]㊂另一方面,植物纤维会在碱性环境下发生降解行为,这大大损伤了植物纤维的物理机械性能[10]㊂另外,植物纤维中存在的半纤维素和木质素会在水溶液或碱性溶液中析出并发生水解,水解产物会阻碍水泥水化[11]㊂因此,如何更好地发挥植物纤维自身优势,提高植物纤维与水泥基材料的相容性,以及提高PFRCC 拌合物的和易性和硬化后的耐久性是推进植物纤维资源化利用的首要任务[12]㊂目前,大量研究[13-15]表明,对植物纤维进行改性处理可以有效提高PFRCC 的性能㊂常用的改性方法有碱处理㊁乙酰化处理㊁硅烷偶联剂处理㊁沸煮处理等方法,这些方法都是以提高植物纤维与水泥基材料之间的相容性㊁增强植物纤维抗碱性侵蚀能力等为目标㊂本文将从植物纤维基本的物理化学特性出发,详细阐述植物纤维在水泥基材料中的劣化机理以及针对植物纤维的不同改性方法,为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂1㊀植物纤维的构造以及化学组成1.1㊀植物纤维的构造图1㊀植物纤维基本纤维束Fig.1㊀Plant fiber basic fiber bundle 一个单一的植物纤维是由多个(通常10~30个)基本纤维束通过胞间层的果胶物质连接构成,具体如图1所示[16],基本纤维束由外到内可分成三层:胞间层㊁初生壁㊁次生壁㊂最外层是胞间层,含有果胶㊁半纤维素和木质素;中间层是初生壁,含有纤维素和半纤维素;最内层是次生壁(包括S1㊁S2和S3),主要由纤维素构成[17],其中次生壁S2的厚度占整个细胞壁厚度的80%,对植物纤维的力学性能起主要作用[18]㊂图2和图3是植物纤维初生壁和次生壁的示意图[19]㊂初生壁很薄,厚度0.1~0.3μm,其纤维素的含量很低且较为分散,亲水性较强㊂次生壁是较厚并且完全分化的细胞壁,含有大量十分密集且相互平行的纤维素,纤维素不仅十分密集而且相互平行,为植物纤维突出的拉伸性能提供了有利条件[19]㊂图2㊀植物纤维初生壁示意图Fig.2㊀Schematic diagram of the primary wall of plantfiber 图3㊀植物纤维次生壁示意图Fig.3㊀Schematic diagram of the secondary wall of plant fiber㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状389 1.2㊀植物纤维的化学组成植物纤维的主要化学组成是纤维素㊁半纤维素和木质素,它们在不同种类的植物纤维中占比不同,也与植物生长所处的土壤和气候环境有关[20]㊂例如,椰壳纤维中纤维素含量约32%(文中均为质量分数),半纤维素含量约0.15%,木质素含量约40.45%[21]㊂而棉纤维纤维素的含量约85%(是椰壳纤维纤维素含量的2~3倍),半纤维含量约5.7%,木质素含量则极低[22]㊂纤维素是植物纤维中占比最多的成分㊂纤维素的化学分子式如图4[17]所示,它是由数千个葡萄糖分子组成的长链,含有44.4%的碳㊁6.2%的氢和49.4%的氧,相对半纤维素和木质素来说受碱和稀酸的影响较小[23]㊂植物纤维机械强度的高低与纤维素含量有关,也取决于纤维素微纤丝与纤维轴向的夹角(微原纤维角)[24]㊂图4㊀纤维素分子式Fig.4㊀Cellulose molecule半纤维素是植物纤维中第二大组成成分,化学分子式如图5[17]所示,它是由几种类型不同的单糖构成的异质多聚体㊂半纤维素有亲水性,吸水会润涨细胞壁,也可溶于碱性溶液并发生水解㊂半纤维素是充当纤维素微纤丝之间基质的物质[23],起到黏结并加强整体性的作用㊂图5㊀半纤维素分子式Fig.5㊀Hemicellulose molecule木质素的化学分子式如图6[17]所示,它是一类复杂的芳香烃聚合物,起到强化植物组织的作用㊂跟半纤维素类似,木质素也充当纤维内部和纤维之间的化学黏结剂㊂木质素不溶于水,可溶于碱性溶液并发生水解㊂图6㊀木质素分子式Fig.6㊀Lignin molecule2㊀PFRCC面临的问题2.1㊀植物纤维的高吸水率植物纤维的高吸水率及较差的尺寸稳定性对PFRCC的性能有负面影响㊂首先,在与水泥基材料拌和390㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷时,植物纤维会吸收大量水分并发生体积膨胀,在水泥水化后期时,伴随着植物纤维中水分的流失(部分被水泥基汲取参与水泥水化,部分蒸发[25]),纤维体积收缩,纤维-水泥基界面区产生应力,导致微裂缝出现,图7是Azwa等[26]对于上述行为的具体描述㊂当PFRCC暴露于潮湿环境中时,水分子渗透并附着在纤维亲水羟基上建立分子间氢键,这会使得纤维与水泥基界面黏结强度降低,复合材料中应力的传递被削弱[27]㊂图7㊀水对植物纤维-水泥基界面区的影响[26]Fig.7㊀Effect of water on plant fiber-cement base interface[26]造成植物纤维吸水率较高的主要原因是其分子结构中含有大量的羟基[28]㊂羟基是一种亲水基团,在纤维素㊁半纤维素的表面均含有不同数量的羟基㊂半纤维素(大部分是非晶态)的羟基含量最高,一般来说植物纤维中半纤维素含量越多,吸附水分子的能力越强[29]㊂对于纤维素,位于结晶部分(主要在微纤维的核心)的羟基被认为不参与吸附水分子,而存在于纤维素非晶态区表面的羟基能够与水分子发生相互作用[30]㊂值得注意的是,科研人员也发现了植物纤维高吸水率对复合材料内养护方面的积极影响㊂Jongvisuttisun 等[31]在关于植物纤维自养护的研究中发现,夹带在植物纤维管腔中的自由水很容易被周围的水泥基体吸收,当水化反应超过25h后,植物纤维细胞壁小孔隙中的自由水和部分结合水能够迁移出来并减缓水泥基体的自收缩㊂2.2㊀植物纤维在水泥基碱性环境下的水解与矿化植物纤维在碱性环境中会发生碱性水解,相比于纤维素,半纤维素和木质素这类非晶态组分更容易在碱性溶液中发生水解[32]㊂Toledo等[33]总结了植物纤维在水泥基中的碱性水解过程,如图8所示㊂在初始状态下的植物纤维中,纤维素微纤维被半纤维素和木质素包裹在一起形成一个整体㊂在碱性孔隙溶液的侵蚀下,木质素最先发生分解,部分半纤维素也被分解㊂随着侵蚀程度的加深,半纤维素发生分解,植物纤维细胞壁的完整性被破坏,最后随着纤维素微纤维发生脱落和断裂,纤维素最终被分解,植物纤维完全劣化㊂除了碱性水解,植物纤维在水泥基中还会有纤维矿化的情况发生㊂纤维矿化被定义为:在水泥水化过程中,Ca2+㊁Mg2+㊁Al3+和Si4-等离子对植物纤维细胞壁和开放孔隙的浸渍行为[34],或者说植物纤维的矿化是水泥水化产物(尤其是氢氧化钙)迁移沉淀到纤维的胞间层以及管腔等组织中导致纤维韧性降低的一种劣㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状391化形式㊂植物纤维复合材料的脆化主要与纤维矿化有关[18]㊂图8㊀植物纤维的碱性水解过程[33]Fig.8㊀Alkaline hydrolysis process of plant fibers[33]2.3㊀植物纤维延缓水泥凝结植物纤维的添加也会影响PFRCC中水泥的水化与凝结㊂植物纤维中的纤维素是一种多糖,在水泥基碱性环境下分解成葡萄糖㊂葡萄糖在碱性环境下生成酸,与水泥水化产生的OH-发生中和反应,由此产生的盐会附着在熟料和水化产物表面,延缓水泥水化反应的进行[35]㊂同样,半纤维素和木质素在水泥基碱性环境中的水解产物也对水泥水化有阻碍作用[6]㊂Sedan等[36]研究了麻纤维的掺入对水泥凝结时间的影响,通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分析发现纤维表面果胶的存在会导致纤维周围存在较多的Ca2+,这也是导致水泥凝结缓慢的原因之一㊂另外,对于PFRCC凝结时间的测定,纤维的存在会阻碍维卡仪探针的插入,因此需要一种无损的精确方法来测定其凝结时间㊂Choi等[37]通过超声脉冲波来分析PFRCC的凝结时间,其试验结果表明植物纤维延缓了水泥水化,并且纤维含量越高,水化延迟越长,这样的测试结果是符合预期的㊂3㊀植物纤维的改性方法3.1㊀角质化处理植物纤维角质化是指不可逆地从纤维细胞壁中去除水分的机制[25],可以通过对其进行多次干湿循环完成[7]㊂当浸泡在水中的植物纤维达到吸水饱和后,将其放置在中等温度(60~80ħ)[38]的烘干箱内进行干燥,这时纤维的多糖纤维素链发生重排,其中纤维素微纤维由于水分的流失而彼此靠近,相互之间形成不可逆或部分不可逆的氢键,其中大多数氢键不会再重新打开㊂持续的干湿循环也会使得植物纤维管腔会发生坍塌,细胞壁层状结构中的大部分毛细孔会关闭,植物纤维结构将变得更加密实[39]㊂Claramunt等[40]对针叶木纤维和棉绒纤维进行了角质化处理,并证明了角质化过程会使这些纤维(尤其是针叶木纤维)的保水性大幅下降,尺寸稳定性提高,纤维-基体界面强度也得到了提高㊂Ferreira等[41]通过拉拔试验评价了植物纤维角质化处理对基体附着力的影响,从得到的力与滑移曲线中发现,复合材料经过加速老化后,处理过的纤维与基体的最大黏结应力和摩擦应力分别提高了40%和50%㊂3.2㊀热液处理热液处理最早应用于木材的改性,一般可分为超临界水处理㊁亚临界水处理和环境液态水处理三类,这些方法的主要区别在于处理过程中施加的温度不同[42]㊂热液处理通过对植物纤维高温沸煮来提取纤维中的可溶性糖分,这类组分是延缓水泥凝结的主要原因㊂热液处理还能够将纤维的亲水 OH基转化为疏水基团来提高纤维的尺寸稳定性,但是随着处理时间和处理温度的提高,纤维的吸水率会变高[43]㊂Sellami等[44]为了克服植物纤维与水泥基材之间相容性较差的问题,采用热液处理对纤维进行改性,通过SEM观察发现,沸煮4h后的纤维部分表面组分消失,这说明热液处理能够溶解纤维表面的可溶性物质㊂经过热液处理后,虽然纤维表面的一些物质(木质素㊁蜡㊁油脂)被去除,但是纤维表面结构没有明显变化且纤维的抗拉强度和弹性模量均有增加[45]㊂392㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷3.3㊀碱处理碱处理(采用NaOH溶液浸泡处理)是最常用于处理植物纤维的方法之一㊂植物纤维表面的蜡㊁果胶以及半纤维素和木质素对碱性溶液敏感,通过碱处理可以去除这些物质[46]㊂碱处理后的植物纤维表面变得粗糙,纤维直径变小带来的纵横比(长/直径)增加使得纤维的有效表面积增大,利于与基体的黏结[47]㊂碱处理去除了植物纤维中部分无定形区(半纤维素和木质素),提高了纤维的结晶度和抗拉强度[48]㊂但是碱处理浓度过大或者处理时间过长会破坏植物纤维的纤维素结构,导致纤维强度下降[49]㊂图9㊀不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片[50]Fig.9㊀SEM images of plant fibers treated with different concentrations of NaOH solution[50]De-Souza等[50]在碱处理对剑麻纤维性能影响的研究中重点关注了碱浓度变化对纤维的影响㊂不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片如图9所示,随着碱浓度的提高,纤维表面变得越来越粗糙㊂第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状393㊀与未改性纤维相比,碱处理后的纤维抗拉强度和弹性模量分别提高了42%和237%,且抗拉强度随着碱浓度提高而提高,碱浓度为10%时抗拉强度下降,但仍高于未改性纤维㊂3.4㊀乙酰化处理植物纤维的亲水性主要由纤维内富含的羟基所决定㊂利用乙酰基与植物纤维的亲水性羟基发生酯化反应,可以降低植物纤维的亲水性[51]㊂植物纤维经过乙酰化后,疏水性增强的同时尺寸稳定性也得到了改善㊂由于植物纤维细胞壁的结构致密,酯化剂很难与内部羟基充分接触发生取代反应,可以先采用碱处理法对纤维进行预处理[7]㊂Zaman 等[52]在香蕉束纤维/聚合物的研究中发现碱处理和乙酰化相结合的处理方式能够有效降低纤维的吸水率,对比未改性纤维,改性后的纤维吸水率降低了42%㊂Bledzki 等[53]发现亚麻纤维经过乙酰化后纤维表面变得更加光滑并能观察到细小微纤维的出现,随着乙酰化程度越高,纤维的损伤和开裂也越明显㊂Oladele 等[54]的研究表明植物纤维经过乙酰化处理后抗拉强度提高,但是当乙酰化处理浓度超过4%时,纤维的抗拉强度发生了下降㊂所以对于PFRCC 来说,对纤维进行一定程度的乙酰化处理能够提高复合材料的抗压㊁抗折强度[55-56]㊂3.5㊀硅烷偶联剂处理硅烷作为公认的高效偶联剂已经被广泛应用于复合材料和黏合剂的配方中[57]㊂硅烷分子具有双官能团,可以分别与两相发生反应,因此它们能很好地耦合植物纤维与水泥基材,并在它们之间架起桥梁[58]㊂但是植物纤维中的羟基具有非常低的可及性,与许多化学物质不发生反应㊂在对纤维进行改性处理时,需要先将硅烷放入调节至弱酸性(pH =4~5)的水与乙醇的混合溶液[59]中进行水解以产生更活泼的硅醇基[60],然后再将纤维放入混合溶液中使纤维的羟基与硅醇基发生反应来达到改性目的㊂Koohestani 等[61]指出适合对图10㊀98%硅烷偶联剂喷涂植物纤维的SEM 照片[62]Fig.10㊀SEM images of plant fiber sprayed with 98%silane coupling agent [62]植物纤维改性的硅烷偶联剂用量在1%~5%(占纤维质量),硅烷偶联剂的水解时间㊁硅烷水解溶液的温度和pH 值以及硅烷偶联剂自身的化学性质是影响硅烷处理效果的主要因素㊂硅烷偶联剂也可以直接进行喷涂处理㊂Ban等[62]在对竹纤维改性时,在没有进行硅烷水解的情况下直接将98%(质量分数)的硅烷偶联剂喷涂到纤维上,纤维的SEM 照片如图10所示,所制备的复合材料的拉伸㊁抗压性能相比于未改性对照组均得到提升,但是纤维的吸水率升高,分析原因可能是过量的硅烷与水发生了水解反应㊂4㊀结语与展望1)植物纤维中存在着大量羟基,具有较强的亲水性,这种强吸水性能够导致复合材料发生劣化,影响纤维与水泥基界面的黏结强度㊂2)在水泥基碱性环境下,植物纤维的主要成分纤维素㊁半纤维素和木质素容易发生水解导致纤维发生劣化㊂植物纤维在水泥基碱性环境下还会发生矿化的现象,导致复合材料的脆化㊂3)植物纤维在水泥基碱性环境下的水解产物会阻碍水泥凝结,植物纤维含量越高水泥水化延长越久㊂4)对纤维进行改性处理能够提高复合材料的性能,常用的改性方法有角质化处理㊁热液处理㊁碱处理㊁乙酰化处理和硅烷偶联剂处理㊂5)不同的改性处理对纤维起到的作用不同,总体来说改性处理能够提高纤维密实程度㊁增加纤维表面粗糙度㊁提取纤维中的阻凝成分㊁降低纤维吸水率以及增强纤维与基体界面的黏结等㊂6)目前对于植物纤维的改性主要是使用单一的方法进行改性,采用多种方法复合改性处理的研究较少㊂从改性机理上看,各改性方法侧重的改性作用不同,研究不同改性方法间的协同作用是进一步提高植物纤维性能的关键㊂7)鉴于实际建设工程中环境的复杂性,针对特殊环境下的PFRCC 的研究也应该得到重视以适应更广泛394㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷的施工要求㊂参考文献[1]㊀饶德梅.不同烧成温度和时间对水泥熟料矿物相组成的影响[D].绵阳:西南科技大学,2023.RAO D M.Effect of different sintering temperature and time on mineral phase composition of cement clinker[D].Mianyang:Southwest University of Science and Technology,2023(in Chinese).[2]㊀宋丁豹,蒲诃夫,胡海蓝,等.水平排水板真空预压-碱激发矿渣固化联合法处理高含水率淤泥的试验研究[J/OL].岩石力学与工程学报:1-11[2023-08-31].https:///10.13722/ki.jrme.2023.0040.SONG D B,PU K F,HU H L,et al.Experimental investigation on prefabricated horizontal drain-based vacuum preloading-alkali-activated GGBS solidification combined method for treatment of high-water-content mud slurry[J/OL].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering:1-11 [2023-08-31]./10.13722/ki.jrme.2023.0044(in Chinese).[3]㊀李东升,吴国立,冯思超.纤维增强水泥基复合材料力学性能的研究进展[J].河南科技,2023,42(2):89-92.LI D S,WU G L,FENG S C.Research progress on mechanical properties of fiber reinforced cement-based composites[J].Henan Science and Technology,2023,42(2):89-92(in Chinese).[4]㊀TIAN H,ZHANG Y X.The influence of bagasse fibre and fly ash on the long-term properties of green cementitious composites[J].Constructionand Building Materials,2016,111:237-250.[5]㊀曹双平,王㊀戈,余㊀雁,等.几种植物单根纤维力学性能对比[J].南京林业大学学报(自然科学版),2010,34(5):87-90.CAO S P,WANG G,YU Y,et parison of mechanical properties of different single vegetable fibers[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition),2010,34(5):87-90(in Chinese).[6]㊀杨㊀玲.改性稻草秸秆水泥基复合材料的性能研究[D].武汉:武汉轻工大学,2020.YANG L.Study on properties of modified rice straw cement-based composites[D].Wuhan:Wuhan Polytechnic University,2020(in Chinese).[7]㊀PRAVEENA B A,BURADI A,SANTHOSH N,et al.Study on characterization of mechanical,thermal properties,machinability andbiodegradability of natural fiber reinforced polymer composites and its applications,recent developments and future potentials:a comprehensive review[J].Materials Today:Proceedings,2022,52:1255-1259.[8]㊀房㊀新.乙酰化稻草的制备及其力学性能研究[D].沈阳:东北大学,2010.FANG X.Preparation and mechanical properties of acetylated rice straw[D].Shenyang:Northeastern University,2010(in Chinese). [9]㊀JIANG D M,AN P H,CUI S P,et al.Effect of modification methods of wheat straw fibers on water absorbency and mechanical properties ofwheat straw fiber cement-based composites[J].Advances in Materials Science and Engineering,2020,2020:1-14.[10]㊀CAMARGO M,ADEFRS T E,ROETHER J,et al.A review on natural fiber-reinforced geopolymer and cement-based composites[J].Materials,2020,13(20):4603.[11]㊀姜㊀欢.稻草纤维生产水泥基泡沫保温墙体材料的研究[D].大连:大连理工大学,2008.JIANG H.Study on the production of cement-based foam thermal insulation wall material with straw fiber[D].Dalian:Dalian University of Technology,2008(in Chinese).[12]㊀杨政险,李㊀慷,张㊀勇,等.天然植物纤维预处理方法对水泥基复合材料性能的影响研究进展[J].硅酸盐学报,2022,50(2):522-532.YANG Z X,LI K,ZHANG Y,et al.Effect of pretreatment method of natural plant fibers on properties of cement-based materials-a short review[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2022,50(2):522-532(in Chinese).[13]㊀ALI-BOUCETTA T,AYAT A,LAIFA W,et al.Treatment of date palm fibres mesh:influence on the rheological and mechanical properties offibre-cement composites[J].Construction and Building Materials,2021,273:121056.[14]㊀ROCHA D L,AZEVEDO A R G,MARVILA M T,et al.Influence of different methods of treating natural açai fibre for mortar in ruralconstruction[J].2021.[15]㊀PAGE J,KHADRAOUI F,GOMINA M,et al.Influence of different surface treatments on the water absorption capacity of flax fibres:rheologyof fresh reinforced-mortars and mechanical properties in the hardened state[J].Construction and Building Materials,2019,199:424-434.[16]㊀CHOKSHI S,PARMAR V,GOHIL P,et al.Chemical composition and mechanical properties of natural fibers[J].Journal of Natural Fibers,2022,19(10):3942-3953.[17]㊀WEI J Q,MEYER C.Degradation mechanisms of natural fiber in the matrix of cement composites[J].Cement and Concrete Research,2015,73:1-16.[18]㊀TOLÊDO F R D,SCRIVENER K,ENGLAND G L,et al.Durability of alkali-sensitive sisal and coconut fibres in cement mortar composites[J].Cement and Concrete Composites,2000,22(2):127-143.[19]㊀BURGERT I,KEPLINGER T.Plant micro-and nanomechanics:experimental techniques for plant cell-wall analysis[J].Journal of ExperimentalBotany,2013,64(15):4635-4649.[20]㊀BAKAR N,CHIN S C,SIREGAR J P,et al.A review on physical,mechanical,thermal properties and chemical composition of plant fibers[J].㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状395 IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2020,736(5):052017.[21]㊀ABU G M,ABDELRASOUL pressive and fracture toughness of natural and synthetic fiber-reinforced polymer[M]//Mechanical andPhysical Testing of Biocomposites,Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites.Amsterdam:Elsevier,2019:123-140. [22]㊀YE Z L,BERSON R E.Factors affecting cellulose hydrolysis based on inactivation of adsorbed enzymes[J].Bioresource Technology,2014,167:582-586.[23]㊀DJAFARI P S R.Physical and mechanical properties of natural fibers[M]//Advanced High Strength Natural Fibre Composites in Construction.Amsterdam:Elsevier,2017:59-83.[24]㊀MWAIKAMBO L Y,ANSELL M P.Mechanical properties of alkali treated plant fibres and their potential as reinforcement materials II.Sisalfibres[J].Journal of Materials Science,2006,41(8):2497-2508.[25]㊀DRIDI M,HACHEMI S,BELKADI A A.Influence of styrene-butadiene rubber and pretreated hemp fibers on the properties of cement-basedrepair mortars[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering,2023,27(1):538-557.[26]㊀AZWA Z N,YOUSIF B F,MANALO A C,et al.A review on the degradability of polymeric composites based on natural fibres[J].Materials&Design,2013,47:424-442.[27]㊀ZHOU J W,LIN S T,ZENG H X,et al.Dynamic intermolecular interactions through hydrogen bonding of water promote heat conduction inhydrogels[J].Materials Horizons,2020,7(11):2936-2943.[28]㊀MOHAMMED M,JAWAD A J M,MOHAMMED A M,et al.Challenges and advancement in water absorption of natural fiber-reinforced polymercomposites[J].Polymer Testing,2023,124:108083.[29]㊀METHACANON P,WEERAWATSOPHON U,SUMRANSIN N,et al.Properties and potential application of the selected natural fibers as limitedlife geotextiles[J].Carbohydrate Polymers,2010,82(4):1090-1096.[30]㊀ETALE A,ONYIANTA A J,TURNER S R,et al.Cellulose:a review of water interactions,applications in composites,and water treatment[J].Chemical Reviews,2023,123(5):2016-2048.[31]㊀JONGVISUTTISUN P,LEISEN J,KURTIS K E.Key mechanisms controlling internal curing performance of natural fibers[J].Cement andConcrete Research,2018,107:206-220.[32]㊀BUI H,LEVACHER D,BOUTOUIL M,et al.Effects of wetting and drying cycles on microstructure change and mechanical properties of coconutfibre-reinforced mortar[J].Journal of Composites Science,2022,6(4):102.[33]㊀TOLEDO F R D,DE-ANDRADE S F,FAIRBAIRN E M R,et al.Durability of compression molded sisal fiber reinforced mortar laminates[J].Construction and Building Materials,2009,23(6):2409-2420.[34]㊀JOHN V M,CINCOTTO M A,SJÖSTRÖM C,et al.Durability of slag mortar reinforced with coconut fibre[J].Cement and ConcreteComposites,2005,27(5):565-574.[35]㊀CHOI Y C.Hydration and internal curing properties of plant-based natural fiber-reinforced cement composites[J].Case Studies in ConstructionMaterials,2022,17:e01690.[36]㊀SEDAN D,PAGNOUX C,SMITH A,et al.Mechanical properties of hemp fibre reinforced cement:influence of the fibre/matrix interaction[J].Journal of the European Ceramic Society,2008,28(1):183-192.[37]㊀CHOI H,CHOI Y C.Setting characteristics of natural cellulose fiber reinforced cement composite[J].Construction and Building Materials,2021,271:121910.[38]㊀CLARAMUNT J,ARDANUY M,GARCÍA H J A.Effect of drying and rewetting cycles on the structure and physicochemical characteristics ofsoftwood fibres for reinforcement of cementitious composites[J].Carbohydrate Polymers,2010,79(1):200-205.[39]㊀ARIVENDAN A,JAPPES W,IRULAPASAMY S,et al.Extraction and characterization of natural aquatic plant fiber,powder and ash from waterhyacinth(eichhornia crassipes)as reinforcement of fiber,powder,and ash reinforced polymer composite[J].Journal of Natural Fibers,2022, 19(14):9589-9599.[40]㊀CLARAMUNT J,ARDANUY M,GARCÍA H J A,et al.The hornification of vegetable fibers to improve the durability of cement mortarcomposites[J].Cement and Concrete Composites,2011,33(5):586-595.[41]㊀FERREIRA S R,LIMA P R L,SILVA F A,et al.Effect of sisal fiber hornification on the fiber-matrix bonding characteristics and bendingbehavior of cement based composites[J].Key Engineering Materials,2014,600:421-432.[42]㊀ALI M R,ABDULLAH U H,ASHAARI Z,et al.Hydrothermal modification of wood:a review[J].Polymers,2021,13(16):2612.[43]㊀REZAYATI C P,MOHAMMADI R J,Mohebi B,et al.Influence of hydrothermal treatment on the dimensional stability of beech wood[J].2007,2:125-131.[44]㊀SELLAMI A,MERZOUD M,AMZIANE S.Improvement of mechanical properties of green concrete by treatment of the vegetals fibers[J].Construction and Building Materials,2013,47:1117-1124.[45]㊀NORUL I M A,PARIDAH M T,ANWAR U M K,et al.Effects of fiber treatment on morphology,tensile and thermogravimetric analysis of oilpalm empty fruit bunches fibers[J].Composites Part B:Engineering,2013,45(1):1251-1257.[46]㊀KABIR M M,WANG H,LAU K T,et al.Chemical treatments on plant-based natural fibre reinforced polymer composites:an overview[J].。