李晓珍 高炳镭 颜瑜博 朱俊钰

（金华职业技术学院建筑工程学院，浙江 金华 321007)

0 引言

2022年建筑全寿命周期碳排放为50亿t，已经达到我国碳排放总量的52%左右。做好建筑业的碳达峰和碳中和工作，是我们转变为低碳化社会的关键点。在建筑业中，大力倡导可再生材料的研发和应用，能推动低能耗低碳化建筑规模化发展。

混凝土延展性差，属于典型的脆性材料，抗拉裂性能差，不易抵御外界冲击，并且由于混凝土的体积稳定性差，在外界温度、湿度等的影响下易发生开裂，严重影响建筑结构的安全性。为克服这些缺陷，混凝土中掺加纤维成为行之有效的办法[1]，但必须弄清楚植物纤维对混凝土性能的影响，才有利于植物纤维混凝土的推广应用。

1 掺加植物纤维对混凝土性能的影响

1.1 改善抗裂和抗弯拉性能

在环境的变化下，混凝土会发生不确定性的收缩以及膨胀，导致混凝土产生开裂。水、二氧化碳等外界因素会加速裂缝的破坏，植物纤维的纤维形态具有细胞细长，表面积大，抗拉裂强度和黏合强度较大等特点，当混凝土开裂时，植物纤维会受到剪力或拉力作用，可以适当阻止混凝土的开裂。

郭垂根[2]等在不同品种的水泥中加入粉碎筛好的稻草，并使用粉煤灰和不同的外加剂加以调节，制备成稻草纤维水泥基材料，并对这种材料进行了深入研究。研究结果表明：（1）稻草粉末溶于水之后，溶液呈弱碱性，从而减缓了水泥的凝结；（2）CaCl2与水反应放热，温度升高，加快了分子运动速度，使水泥反应加快；（3）稻草在混合体内部能有效地与粉煤灰和水泥结合，从而抑制水泥的开裂。

董建苗教授[3]等在对各种长短、粒径的剑麻纤维对建筑物的力学性能影响的研究中得到这样的成果：在剑麻纤维掺量维持在2kg/m2左右的前提下，由于剑麻纤维粒径的增加，自密实建筑物的抗压性能率先降低，而当植物纤维粒径超过10mm时，则对自密实建筑物的劈裂抗拉性能影响最大。巩亚琦[4]在对黄麻纤维对于水泥结构影响的研究中，发现黄麻纤维对水泥基体结构的强度、增韧、阻裂等有一定的影响。潘志伟[5]将剑麻和苎麻引入环氧树脂—混凝土的研究表明，极少数量的天然纤维也可以提高环氧树脂—混凝土的抗弯拉强度。学者们[6]已研究得出植物纳米纤维素能够细化水泥基孔隙结构，减小水泥内部的非水化面积，促进水泥的水化作用[7]，提高水泥砂浆的和易性和养护后水泥复合材料的抗压强度[8]。

因此，不同的植物纤维可以在不同程度上阻止混凝土的开裂和提高抗弯拉性能，稻草纤维可有效阻止粉煤灰和水结合，抑制水泥的开裂；剑麻纤维可增强抗弯拉强度。

1.2 改善增韧性能

混凝土凝固后握裹水泥的高强纤维丝粘联成为致密的乱向分布的网状增强系统，增强了混凝土的韧性[9]。各种纤维的抗拉强度和极限伸长率往往是基体的成百上千倍，这就说明植物纤维对于混凝土韧性的提高是必然的[10]。

在相近应变率下，掺入纤维均能使试样的峰值应变大于素混凝土，体现出纤维的增韧作用[11]，另外，随着应变率的升高，韧度指数先升高，超过一个临界应变率后，韧度指数有所下降。

综合以上研究成果来看，适量地掺入植物纤维，可以有效地提高混凝土的韧性。

1.3 改善隔声性能

学校、医院等建筑对于隔音性能要求较高，并且考虑到环境问题，实心砖的使用不再广泛，而植物纤维应用在混凝土中可起到吸音的作用。声音是由于物体振动所产生的声波，同时以波的形式通过水、空气等介质进行传播。植物纤维材料内部有成千上万的细胞孔隙，声波在穿透物体的时候，与物体内的孔隙发生摩擦作用将声能转化为热能，热能发散，导致声能大量消耗，从而起到降低声音的作用[12]。

所以，使用掺加植物纤维的混凝土砌砖或者植物纤维涂料，可以有效地隔声。植物纤维混凝土符合现代人们对于隔音的要求，既可以响应绿色生活的号召，又可以降低成本。

1.4 改善保温隔热性能

现代建筑对于保温的要求逐渐变高，特别是冬夏季节，建筑保温隔热性能的优良显得格外重要。植物纤维的导热性弱，加入混凝土中，可有效改善混凝土的保温隔热性能。

由于植物纤维的导热系数小，不利于物体间的热能量传递。一些数据表明，植物纤维的导热系数只有0.039W（/m·K），而普通混凝土、普通黏土砖、灰砂砖的导热系数分别为2.30W（/m·K）、0.8W（/m·K）、1.1W（/m·K），由此可以看出相比于其他混凝土砌块，植物纤维混凝土的保温隔热效果更好。陈国荣等人［13］发现由一些生物质材料制成的保温材料热稳定性好，在环境影响下，内部结构变化不大。但随着纤维掺量增加，气孔内的气体对流换热和孔壁间的辐射换热形式增加，带来混凝土导热系数的减小[14]。

1.5 改善抗冲击性能

对于抗冲击性能的改善，王贤栋[15]通过落锤试验得到结论：植物纤维的掺入可以有效地提升混凝土试块的抗冲击性能，并且增强混凝土的整体抗变形能力，起到增韧的效果，在冲击荷载下，能够帮助混凝土起到缓冲吸能的作用。俞亚楠，卢小雨[16]在实验研究中发现水泥抗冲击能量差和剑麻纤维掺加程度呈正相关性的规律，当植物纤维掺量由0.15%增加到0.6%后，其抗冲击能差为素水泥的2.2～8.5倍；其主要原理在于剑麻纤维加入混凝土时，能够吸收部分建筑物受到的碰撞能力，减少其对建筑物的撞击。

所以在荷载作用下，植物纤维吸收外界一定量的冲击力能量，进而在一定程度上降低了对水泥的冲击力。也因此增强了混凝土的极限承受能力，起到防止混凝土开裂的作用。

2 植物纤维混凝土应用中应注意的问题

尽管将一些植物纤维与水泥一起搅拌，能改善混凝土的抗拉裂性能、增韧性能、隔声性能、保温性能、抗冲击性能，但在应用时还是应注意植物纤维混凝土的亲水性、水解与矿化以及老化和腐蚀问题。

2.1 亲水性问题

黄丽媛[17]在对各种纤维含量水泥基复合材料吸水率试验中，发现复合材料的吸水率随着纤维含量的提高而逐步增大。植物纤维是多孔材料，因为其纤维素的羟基数量较多，所以有很大的吸湿性，在与混凝土混合搅拌的时候，吸取大量水分而成团。另外，植物纤维素具有湿胀干缩的性能，容易与水泥产生黏结破坏。因此加入植物纤维时，需要注意纤维的添加量。

2.2 水解与矿化问题

植物纤维的主要组成是木质素与半纤维素，但由于这两种成分在碱性条件中很容易分解，使纤维细胞之间减少接触，同时CaCl2与水分反应后形成的Ca(OH)2溶液向植物纤维内层渗入，在内腔沉淀形成植物纤维矿化，因此使得植物纤维抗拉稳定性与扭曲功能降低[18]，并逐步丢失了在水泥基础上的强化功能。

对于植物纤维在水泥中的水解与矿化问题，目前国内外研究者所采取的基本手段有两种：水泥基质改性和植物纤维改性。

2.3 老化问题

植物纤维是天然纤维，应用于建筑材料中时，存在自然老化的现象。自然环境下存在的冷热交替、干湿交替、日照曝晒等是造成其老化的因素。朱文辉[19]在研究菱镁水泥纤维瓦的耐久性试验中采用模拟自然条件的情形，将人工干湿循环制度定为饱水1h的制品在60℃的干燥箱中烘3～4h，关闭加热电源，降温2h，当温度降至40～50℃时取出放入15～20℃的水中泡1h，然后放入室内晾干1h，再放入烘箱中烘烤，如此烘干—冷却—饱水为一个循环。国内外基于老化的试验目前开展得较少，关于老化延缓处理的方案也仅有几个，老化问题基本上是物理影响，最常见的是将植物纤维在聚合物乳液中浸泡处理。上述几种试验中植物纤维作为不变条件，忽略了植物纤维自身结构在对抗老化中的作用，从生物角度来讲，可尝试通过特定改造植物的基因来提高抗老化性能，这方面的相关研究在国内依旧处于空白状态。

2.4 腐蚀问题

混凝土是一种呈强碱性的材料，因此关于植物纤维混凝土的研究中不单考究其物理性质，植物纤维在强碱环境下的耐久性和抗腐蚀性也一样不容忽视。郁崇文等人[20]通过对植物纤维的碱处理研究发现，由于碱的作用，纤维中的部分结晶区转变为无定型区结构，部分纤维素I转变为纤维素Ⅱ，从而使结晶度有所下降，整个结构变得疏松，结晶区的取向度也有所减少。

现阶段解决该问题主要有化学方法和物理方法。化学方法是利用化学物质来增强植物纤维的抗腐蚀性；物理方式则有酸液预泡处理、加粉煤灰等。笔者认为植物纤维的抗腐蚀性问题很大程度上决定了植物纤维混凝土在未来建筑材料领域应用的高度。

3 结束语

综上所述，不同种类的植物纤维对于混凝土的增强作用不同；并且不同的处理方法，也会让植物纤维对混凝土性能的影响发生改变。植物纤维混凝土在应用中虽然存在一些缺陷，但在建筑行业的实际运用中，显示出良好的效果。相信随着科学技术进步和对植物纤维研究的不断深入，应用案例和经验的逐渐积聚，植物纤维混凝土会有更为宽阔的市场应用前景。