吴 静， 张卫军， 王罗新， 丁庆军

(1.武汉纺织大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430200;2.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室， 湖北 武汉 430070)

纤维增强混凝土较普通混凝土而言具有许多优良的性能，其抗折强度、抗冲击性能、抗裂性能和耐久性显著提高.目前，纤维增强混凝土普遍采用的纤维包括：金属纤维、有机合成纤维、碳纤维和纤维素纤维等.虽然纤维可改善混凝土的力学性能，但同时也存在一些问题.例如，金属纤维尺寸较大，在水泥浆体中存在界面过渡区，不能对凝胶生长起到诱导作用[1]；在表面未进行改性的情况下，有机合成纤维与水泥浆体的相容性较差，进而导致界面问题严重、分散性不佳[2]；碳纤维成本较高，且极易团聚，直接使用同样存在分散性和界面结合等问题[3].然而，纤维素纤维具有长径比和比表面积更大、抗拉拔韧性和黏附能力更强、耐碱腐蚀、与水泥相容性好、成本低廉等优点[4].国内外科学家采用纤维素纤维对水泥基材料进行增韧改性的研究，主要集中在对硬化水泥浆体界面过渡区微观结构、宏观力学性能、抗裂性能和耐久性改善等方面[5-9].唐文睿等[10]采用微纳米级微晶纤维素对混凝土进行增韧改性，使其断裂能提高了50%，且微纳米级纤维素纤维在混凝土中分散均匀，可起到填充和桥接的作用.

纤维素纤维主要从植物中获得.棉花的纤维素纤维含量(质量分数)为95%～99%，纯度较高[11].故本文选用脱脂棉作为原材料，采用酸解法对其进行处理来制备亚微级纤维素纤维，并研究其对水泥浆体微观结构的影响.

1 试验

1.1 试验材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积318m2/kg.拌和水：去离子水.脱脂棉：普通医用脱脂棉.酸：质量分数为98%的H2SO4，分析纯试剂，用去离子水稀释至所需浓度.

1.2 试验方法

1.2.1亚微级纤维素纤维的制备

称取5g经过洗涤并烘干的脱脂棉装入500mL三口烧瓶中，分别加入100mL质量分数(w)为46%，50%，54%，58%的H2SO4溶液，在水浴恒温50℃下分别搅拌1.0，1.5，2.0，2.5h；酸解结束后将纤维素悬浊液置于2000mL烧杯中，加入去离子水稀释至2000mL，静置沉淀分层，将上层液体倒掉，再加入去离子水至2000mL，继续静置，如此反复水洗数次，直到纤维素悬浊液的pH值大于5；用饱和NaOH溶液滴定，使纤维素悬浮液的pH值为中性，再经过离心水洗数次，可得到固含量(质量分数)为12%～13%的亚微级纤维素纤维悬浮液.

1.2.2亚微级纤维素纤维/水泥的复合

将亚微级纤维素纤维悬浮液掺入水泥中，研究其对水泥浆体微结构的影响规律.亚微级纤维素纤维掺量为0.4%(质量分数)，水灰比为0.35(质量比).首先将水泥、亚微级纤维素纤维悬浮液、去离子水分别称重，并根据亚微级纤维素纤维悬浮液固含量扣除其中所含的水分.将称好的去离子水和亚微级纤维素纤维悬浮液充分混合，再缓慢注入装有水泥的搅拌机中，同时低速搅拌3min，再高速搅拌3min， 之后浇入模具成型，并置于标准养护环境下养护至指定龄期.分别将养护1，3，7，28d的试样放入装满酒精的50mL离心管中浸泡，使其终止水化，28d后对相应龄期的试样进行SEM观测和FTIR测试.

2 结果与讨论

2.1 亚微级纤维素纤维的性能表征

2.1.1亚微级纤维素纤维的尺度范围

前期研究表明，当H2SO4溶液的质量分数为40%～60%时，通过控制酸解温度和时间，可制得直径较小的亚微级纤维素纤维.采用马尔文Zen36000激光粒度分析仪测试不同条件酸解法得到的亚微级纤维素纤维的粒径分布，结果见图1.由图1可见，随着H2SO4溶液质量分数的增大，亚微级纤维素纤维的粒径分布区间逐渐向低尺度发展，用质量分数54%和58%的H2SO4溶液酸解脱脂棉2h后，其粒径分布范围为50～200nm.

当H2SO4溶液的质量分数为58%，酸解温度为50℃时，酸解时间对亚微级纤维素纤维粒径的影响如图2所示.由图2可知，在H2SO4溶液的质量分数和酸解温度不变的条件下，随着酸解时间的增加，亚微级纤维素纤维的粒径逐渐减小.

图1 H2SO4溶液质量分数对亚微级纤维素纤维粒径的影响Fig.1 Effect of sulfuric acid concentration on the diameter of cellulosic fiber

图2 酸解时间对亚微级纤维素纤维粒径的影响Fig.2 Effect of acid hydrolysis treating time on the diameter of cellulosic fiber

综上，采用质量分数为54%～58%的H2SO4溶液酸解脱脂棉2h，可制备粒径为50～200nm的亚微级纤维素纤维，经浓缩处理，将其制成固含量(质量分数)为12%～13%的悬浮液备用.

2.1.2纤维素纤维的SEM分析

图3为纤维素纤维的SEM照片.由图3可见，原始棉纤维的直径约为11.54μm，纵向呈扁平的转曲带状，表面有一定的粗糙度，内部有空腔(图3(a)).经H2SO4溶液分解后，原始棉纤维逐渐在纵向方向裂开(图3(b))，随着H2SO4溶液质量分数和酸解时间的增加，微原纤逐步从原始棉纤维上剥离下来，形成亚微级纤维素纤维，其直径约为1.44μm(图3(c)).虽然纤维素在H2SO4溶液的作用下会分解，但其大分子链中的氢键对碱的稳定性较高，因此具有较强的耐碱性能，故水泥浆体中的碱度不会对亚微级纤维素纤维的耐久性造成影响.

图3 纤维素纤维的SEM照片Fig.3 SEM images of cellulosic fibers

2.1.3纤维素纤维的红外测试结果

图4为纤维素纤维的红外图谱，其中3330cm-1处的吸收峰为—OH的伸缩振动峰，2990cm-1处的吸收峰为—CH2的—C—H不对称伸缩振动峰，1190，1137， 1085cm-1处的1排肩峰主要是由于醚键和—OH 的弯曲振动所致.从图4可以看出，酸解得到的亚微级纤维素纤维所含有的官能团与脱脂棉纤维所含的官能团一致，说明在制备过程中，酸解作用只破坏了其不定型区，并未破坏或改变其分子结构.

图4 纤维素纤维的FTIR图谱Fig.4 FTIR spectra of cellulose fibers

2.2 纤维素纤维/水泥复合材料的微观结构

2.2.1微观结构分析

图5为纤维素纤维/水泥复合材料水化28d的SEM照片.由图5可见，纤维素纤维与水泥的相容性较好，C-S-H凝胶依附于纤维素纤维的表面生长；原始棉纤维表面帚化分离出无数直径在1μm以下的微原纤，且部分微原纤末端包埋于水泥水化产物中，可起到桥接和填充作用.但是，由于原始棉纤维的直径较大，且内部有空腔，在拌和初期吸水溶胀，随着水泥水化的进行，这些水分不断失去，发生收缩塌陷，导致水化后期原始棉纤维周围出现空隙.

亚微级纤维素纤维在尺度上与C-S-H凝胶(0.1～2.0μm)相匹配，亲水性表面可诱导C-S-H凝胶沿其表面生长，导致其被包埋.由于亚微级纤维素纤维吸收了水泥水化初期多余的水分，随着水泥水化程度的提高，亚微级纤维素纤维所吸收的水分逐渐释放出来，使水泥充分水化；另外，亚微级纤维素纤维表面带有大量的羟基，可以与水形成大量的氢键，降低了水的缔合度，从而使水泥浆体在亚微级纤维素纤维的诱导下形成较为均匀、致密的微观结构.

2.2.2FTIR分析

图6为试样的FTIR图谱，其中a为纤维素纤维的红外光谱；b，b′分别为水泥净浆3，28d的红外光谱；c，c′分别为掺亚微级纤维素纤维水泥样品3，28d的红外光谱.由图6可见，在2982cm-1处出现了较宽的由亚微级纤维素纤维中—OH的伸缩振动引起的吸收峰；随着水泥水化龄期的增加，钙矾石(AFt)逐渐向单硫酸盐(AFm)转化，导致1120cm-1处的AFt吸收峰逐渐消失，3645cm-1处的AFm吸收峰逐渐增强.

图5 纤维素纤维/水泥复合材料水化28d的SEM照片Fig.5 SEM images of the cellulosic fiber-cement paste at 28d

图6 试样的FTIR图谱Fig.6 FTIR spectra of specimens

上述结果表明，亚微级纤维素纤维的掺入对水泥水化产物的生长起到了一定的诱导作用.另外，亚微级纤维素纤维可将分散的、独立的C-S-H凝胶簇连接起来，使水泥浆体的微观结构更加均匀致密，这有助于水泥石强度的提高.

3 结论

(1)由H2SO4溶液酸解脱脂棉制备的亚微级纤维素纤维，其粒径随H2SO4溶液质量分数的增大、酸解时间的延长而逐渐减小，采用质量分数为54%～ 58%的H2SO4溶液酸解脱脂棉2h，可制备粒径为50～200nm的亚微级纤维素纤维.

(2)亚微级纤维素纤维表面的亲水性可诱导水泥水化产物C-S-H凝胶依附于其表面生长，随着水泥水化的进行，其将被水泥水化产物包埋.

(3)亚微级纤维素纤维在尺度上与C-S-H凝胶相匹配，对水泥水化产物的生长起到诱导调控作用，使水泥浆体更加均匀致密.

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