摘  要：通过抗折强度、抗压强度、界面弯拉强度和收缩实验，并结合红外光谱测试，探究了苎麻纤维(RF)掺量对硫铝酸盐水泥基材料力学性能与体积变形的影响规律.结果表明：随着RF掺量的增加，试样的抗折强度和抗压强度呈现先增后减趋势，在纤维掺量为0.50%(体积分数，下同)同时达到峰值.在约束条件下，掺入RF对水泥浆体界面弯拉强度提升幅度较大，28d时纤维掺量为0.75%的界面弯拉强度较无约束条件下提高了31.82%.RF的掺入显著增加了水泥浆体的膨胀量，其自生变形和干燥变形均随RF掺量的增加逐渐增大.改性后的RF可在水泥基材料的碱性环境中稳定发挥作用，提高试样整体强度.

关键词：苎麻纤维；硫铝酸盐水泥；抗折强度；抗压强度；界面弯拉强度；体积变形

 

目前，我国对性能优异、成本低廉的修补材料的需求较大.无机类修补材料包括硫铝酸盐水泥(CSA)、磷酸盐水泥、铝酸盐水泥等快硬早强型水泥材料，其相较于有机类修补材料如环氧树脂、沥青等成本低、相容性好^[1].其中，硫铝酸盐水泥具有快硬早强、节能和低碳等显著优势，但同时也存在韧性低、粘结性较差缺陷^[2]，限制了其使用范围，而在基体中掺加合适的纤维可有效改善上述缺陷.近年来，天然、可再生的植物纤维作为修补材料增强体的研究引起诸多讨论.Liu等^[3]研究表明竹纤维对沥青材料韧性和稳定性有明显改善.Suriyaprakash等^[4]发现苎麻纤维(RF)与环氧树脂复合材料相容性好，且随着纤维掺量的增加，复合材料力学性能有所提高.

目前研究植物纤维对有机类修补材料性能的较多，而对掺入无机类修补材料的研究较少.植物纤维中苎麻纤维是一种纤维素含量极高的天然纤维，相比其他植物纤维具有弹性模量高和密度低等优点^[5].已有研究表明^[6]苎麻纤维可大幅度提高复合材料的韧性和耐久性能.为此本文提出一种以硫铝酸盐水泥为主体的硫铝酸盐水泥-磷建筑石膏-硅灰三元体系修补材料，加入苎麻纤维作为增强体.为改善苎麻纤维与水泥浆体的界面特性，采用NaOH溶液对其表面进行改性.通过研究不同掺量的苎麻纤维对硫铝酸盐水泥基材料的抗折强度、抗压强度、界面弯拉强度和体积变形的影响规律，结合傅里叶红外光谱(FT-IR)检测，探究了苎麻纤维的最佳掺量，为研制新型环保修补材料提供参考

 

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥为42.5级快硬硫铝酸盐水泥(CSA)，产自宜城安达特种水泥有限公司；磷建筑石膏(CPG)产自湖北楚星化工股份有限公司，pH值为5.6.硅灰(SF)采用四川朗天高密硅灰；原材料的化学组成如表1所示；生石灰产自贵州鸿运商贸服务有限公司，CaO含量大于99%.硫酸钠为分析纯，由国药集团化学试剂有限公司生产；减水剂为聚羧酸减水剂，减水率35%(质量分数)；羟丙基甲基纤维素粘度为100000mPa·s；硬脂酸锌熔点为(120±5)℃.苎麻纤维为华中农业大学提供，长度为10mm，平均直径65μm，密度1.45g/cm³.拌合水为武汉市自来水.采用1mol/L 的NaOH溶液对苎麻纤维表面进行改性.

 

本试验旨在研究不同掺量的RF对硫铝酸盐水泥基材料力学性能和体积变形的影响规律.试验选取RF的长度为10mm.由于随着纤维掺量的增加，纤维在基体材料中分散逐渐困难，导致试样强度出现明显偏差.因此确定10mmRF掺量分别为0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%，试样依次记作Control、RF0.25、RF0.50、RF0.75、RF1.00.基体材料是以硫铝酸盐水泥为主体的硫铝酸盐水泥-磷建筑石膏-硅灰三元体系，参照GB/T 1346–2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》标准测得，初凝时间为6min，终凝时间为10min，其配合比见表2.

  

1.2 试验方法

RF在掺入前均进行表面处理.首先将RF置于充满清水的超声容器中，超声振动30min，以除去RF表面的灰尘和油脂.然后将RF放入浓度为1mol/L的NaOH溶液中浸泡处理72h，浸泡结束后用去离子水洗涤，并在70℃条件下烘干.参照GB/T 17671–2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定抗折强度和抗压强度，试样尺寸为40mm×40mm×160mm，但试样为硬化水泥浆体，未加入标准砂.在温度(20±1)℃、湿度(60±5)%空气中养护2h后脱模，继续在温度(20±1)℃、湿度(95±5)%条件下养护至规定龄期

以界面弯拉模型(新旧水泥试件的抗折强度)表征水泥浆体的粘结强度，如图1所示.采用52.5级普通硅酸盐(OPC)水泥以0.35的水灰比制备尺寸40mm×40mm×160mm的试样作为标准试件.养护28d后从中间分割，将一半标准试样放入模具中，另一半放入苎麻纤维增强硫铝酸盐水泥基材料.脱模养护至相应龄期后测得的抗折强度即为无约束界面弯拉强度.而在实际的道路裂缝修复中可以发现，对于修补材料而言四周均有约束，这种约束环境可能会对其强度有一定的提升.因此本文为模拟修补道路裂缝时的环境，将试样带模养护(即试样四周均有约束)至规定龄期后的抗折强度定义为约束界面弯拉强度.

  

采用YC–JS型全自动混凝土收缩膨胀仪测定试样在168h内的自生变形和干燥变形.试样尺寸为40mm×40mm×160mm.试样养护至终凝时拆模，随后立即用塑料薄膜包裹密封，进行自生变形测试.干燥变形按照JGJ/T 70–2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试，将终凝后的试件置于(20±2)℃，相对湿度(60±5)%的条件下进行试验.傅里叶变换红外光谱采用美国Thermo Fisher公司生产的Nicolet IS50型傅里叶变换红外光谱仪，试验采用压片法.将RF从不同龄期的试样中取出，与未经任何处理、碱溶液改性72h的RF分别用剪刀剪成粉末过0.25mm筛，进行FT-IR测试.

 

2 结果与分析

2.1 苎麻纤维增强硫铝酸盐水泥基材料的力学性能研究

2.1.1抗折强度

RF对0.5h、2h、1d、3d以及28d硫铝酸盐水泥硬化浆体抗折强度的影响如图2所示.

  

由图2可知，硫铝酸盐水泥硬化浆体的抗折强度随着龄期的延长不断增大，并随RF掺量的增加呈先增大后减小的趋势,在掺量为0.50%时抗折强度达到最大.RF0.50试样在28d时的抗折强度为7.4MPa，较空白组(Control)试样的5.3MPa提高了39.62%.其原因是：掺入适量的RF后，RF在基体中呈三维乱向分布，起到骨架搭接的作用.当基体受到外部荷载作用时，其界面过渡区会产生大量应力集中点从而形成微裂缝，此时桥接裂纹的纤维可分担部分基体传来的应力，改善微裂缝尖端的应力集中程度^[7]，延缓基体裂纹拓展.当RF掺量超过0.50%时，大量RF的掺入使纤维与基体的粘结面积变小，导致基体无法充分包裹住纤维^[8]，纤维之间相互交缠甚至结团，加剧了应力集中现象的产生，抗折强度有所下降.另外可以看出，在龄期0.5h时，RF0.75和RF1.00试样的抗折强度却低于空白组，这可能是因为早期水泥基体水化尚不充分，RF与基体之间的粘结力较差，基体受荷破坏时纤维未能完全发挥作用而被直接拔出，使试样抗折强度降低.

2.1.2 抗压强度

RF对0.5h、2h、1d、3d以及28d硫铝酸盐水泥硬化浆体抗压强度的影响如图3所示.

  

由图3可知，硫铝酸盐水泥硬化浆体的抗抗压强度与折强度表现出一致的规律，不同掺量RF试样的抗压强度都随龄期的延长逐渐增大.龄期为0.5h时，试样的抗压强度随RF掺量的增加而减小，掺量为1.00%时试样的抗压强度为4.7MPa，较空白组试样的5.6MPa降低了16.07%.RF属于植物纤维，植物纤维中的纤维素、半纤维素和木质素等化学成分含有羟基极性基团，这种多羟基结构使得植物纤维具有很强的极性和亲水性^[9].尽管用碱溶液改性RF破坏了纤维结构中部分羟基^[10]，但其依然保持较强的亲水性，图9中RF改性后的O-H伸缩振动峰的变化幅度也证实了这一点.可以推断，RF的掺入在一定程度上延缓了其周围浆体的水化进程^[11]，导致试样早期内部的孔隙较多，从而使0.5h抗压强度降低.值得注意的是，该龄期下试样抗压强度变化幅度并不明显，这可能是因为早期RF与基体间的粘结力较差，此时硬化浆体的强度不足以抵抗较大的外力作用而被直接破坏，因而RF对试样的抗压强度影响较小.

龄期大于2h时，各组试样的抗压强度均高于空白组，且抗压强度随RF掺量的增加呈先增大后减小的趋势，掺量为0.50%时试样抗压强度最大，28d达到26.5MPa，较空白组提高了18.50%.这可能是因为，直径小且密度低的RF在基体内部中分散较为均匀，起到类似加强筋的作用，在基体受到外部荷载时与基体共同分散应力^[12]，由此提高试样的抗压强度.当RF掺量超过0.50%时，纤维之间的结团成簇不仅会削弱RF与基体间的粘结强度，同时RF掺量过大还会增加基体中的含气量，使其内部空间的密实度降低，从而削弱了试样的抗压能力.

2.1.3 界面弯拉强度

在有无约束两种条件下RF掺量对硫铝酸盐水泥硬化浆体界面弯拉强度的影响如图4所示.

  

从图4中可以看出，两种条件下不同掺量RF对水泥硬化浆体界面弯拉强度均随龄期的延长而增大.由图4(a)可知，在无约束条件下，当龄期为0.5h时，掺入RF降低了各试样的界面弯拉强度，掺量为1.00%的试样的强度为0.74MPa；当龄期大于2h时，各组试样的界面弯拉强度随RF掺量的增加均呈先增大后减小的趋势，在掺量为0.50%时达到最大，但RF0.75和RF1.00试样的界面弯拉强度始终低于空白组.其原因可能是：植物纤维中纤维素的作用主要是保证纤维的力学性能，半纤维素和果胶等部分则起到粘合剂的作用^[13].用碱溶液改性RF，去除RF表面半纤维素和果胶等亲水成分造成了纤维内部缺陷，使纤维刚性下降^[14]，对掺入RF后试样的韧性有所提高.当纤维掺量超过0.50%时，试样的界面弯拉强度呈下降趋势，一方面由于植物纤维吸水膨胀，掺入较多的RF会使纤维两端的基体材料产生大量孔隙或裂缝^[15]，另一方面由于RF并未深入到旧水泥中，在新旧水泥的界面粘结处难以充分发挥“桥联”作用^[16].该现象在0.5h龄期较为明显，掺入RF后试样的界面弯拉强度均低于空白组.除上述原因外，还可能是由于RF的亲水性使得纤维与基体之间未形成较强的粘结力，使试样的界面弯拉强度进一步下降.

由图4(b)可知，在约束条件下，当龄期大于2h时，水泥浆体界面弯拉强度均大于空白组，且RF掺量小于0.75%时试样的界面弯拉强度均呈增大趋势.对比图4(a)和图4(b)可以明显看出在约束条件下掺入RF更有利于试样界面弯拉强度的提高.RF0.75和RF1.00试样在28d时的界面弯拉强度较空白组分别提高了28.89%和20.00%，较无约束条件下28d时的界面弯拉强度提高了31.82%和35.00%.这可能是因为，在四周有约束的条件下RF吸水膨胀不仅会提高基体的密实度，抑制裂缝的产生，同时模板还能对试样施加一定的压力，使基体生成的水化产物紧密地填充在新旧水泥的界面粘结处，进而增强试样的界面弯拉强度.但在约束条件下RF掺量不宜过大，过量的纤维(≥0.75%)不仅会取代界面中基体比例，减小基体与旧水泥之间的接触面积，还会出现结团现象，削弱RF与基体间的粘结力，不利于弯拉强度的提高.

2.2 苎麻纤维增强硫铝酸盐水泥基材料的体积变形研究

2.2.1 自生变形

不同掺量RF对硫铝酸盐水泥浆体自生变形的影响如图5所示.

由图5可知，各试样的自生变形均为膨胀变形，且在一定的纤维掺量范围内，试样自生变形随RF掺量的增加逐渐增大，当RF掺量从0%增加到1.00%时，试样在168h时自生变形从539μm·m^-1增大到734μm·m^-1，表明RF的掺入显著增大了试样的膨胀变形.这是因为本文基体材料属于膨胀性材料，在无外界水参与的密封养护环境下，该体系中水化产物产生的膨胀应力远大于由浆体内部相对湿度下降引起的收缩应力^[17-18]，故试样持续膨胀.而掺入RF后，由于RF具有较强的亲水性，RF吸水导致其发生横向变形，加大了试样在该过程的膨胀，并且膨胀量随RF掺量的增加逐渐增大.此外，从图6可以看出，当RF掺量从0%增加到1.00%时，各试样的7d自生变形与RF掺量之间的关系呈现较好的线性相关，其相关系数达到0.99以上.

  

2.2.2 干燥变形

与自生变形不同的是，干燥变形是由水泥浆体内部和外部湿度交换时内部水分蒸发所引起的收缩变形^[19].不同掺量RF对硫铝酸盐水泥浆体干燥变形的影响如图7所示，RF掺量不同时水泥浆体的最大干燥变形与7d干燥变形的对比情况如图8所示.

由图7可知，当RF的掺量从0增加到1.00%时，试样干燥变形达到最大值的时间出现延迟，从7.03h延长到12.94h.这是因为RF掺量越大，其在水泥浆体中吸收的水分相应增大，从而在一定程度上减小了水泥水化过程中的用水量，延长试样的膨胀时间.另外，结合图7和图8来看，各试样的干燥变形同样均为膨胀变形，但与水泥浆体的自生变形曲线相比，干燥变形达到最大值后开始出现下降趋势，即膨胀量减小.Control、RF0.25、RF0.50、RF0.75、RF1.00这5组试样的7d干燥变形相比于其干燥变形峰值分别降低了106μm·m^-1、107μm·m^-1、130μm·m^-1、160μm·m^-1和164μm·m^-1.这是因为水泥浆体失去水分而产生毛细管压力，使得试样发生干燥收缩，抵消了部分膨胀变形，干燥变形缓慢减小.这与文献^[20]报道的结果基本一致

  

2.3苎麻纤维增强硫铝酸盐水泥基材料的微观分析

未处理、碱溶液改性72h的苎麻纤维FT-IR图谱，以及龄期为3d和28d试样中改性后的苎麻纤维FT-IR图谱如图9所示.

从图9可以看出，1618cm^-1附近出现的C=C双键伸缩振动峰用来表征果胶.半纤维素的主要振动峰出现在1727cm^-1和1025cm^-1附近，对应于C=O伸缩振动，与未处理的RF相比，RF改性后在1727cm^-1、1618cm^-1和1025cm^-1处特征峰强度均显著减弱,表明碱溶液改性RF能够有效去除RF表面半纤维素和果胶等非纤维素成分，由此提高纤维表面粗糙度，有利于增大纤维与试样之间的粘结力和锚固力.1315cm^-1处的峰用来表征木质素的C-O芳基振动，可以发现该特征峰几乎消失，意味着木质素在本文所提供的碱性环境下已完全水解，这与P-A.等^[14]的研究结果一致.此外，文献^[21]表明，分子间氢键的强弱会影响纤维素红外光谱图中O-H谱带的位置.通过观察图9的峰值变化可以发现，碱改性后RF的O-H伸缩谱振动带(3287cm^-1)峰值减弱的同时向高频位移至3433cm^-1，说明RF表面的O-H与分子间的氢键均遭到破坏，但峰值强度降低有限，RF中的O-H依然大量存在.

  

值得注意的是，将碱改性的RF掺加至水泥浆体内养护3d和28d后，其特征谱带透光度较未掺入水泥浆体内改性后的RF无明显变化，3433cm^-1和1025cm^-1处特征峰强度仅有微小减弱的趋势.随着水泥水化进行，水泥体系呈碱性^[18]，改性后的RF表面残留的半纤维素、果胶等成分在该体系碱性环境下进一步水解，其水解产物蜡质、树脂及酸性物质会影响试样的物理力学性能^[22].然而本文的水泥基材料水化速率极快，在水化早期反应基本结束，因此这些水解产物对其性能产生的负面作用微乎其微，改性后的RF可在水泥基材料中稳定发挥作用，提高试样整体强度.

 

3 结论

(1)苎麻纤维增强硫铝酸盐水泥基材料的抗折、抗压强度随纤维掺量的增加呈先增大后减小趋势，在纤维掺量为0.50%时达到最大.在约束条件下，掺入苎麻纤维对水泥浆体界面弯拉强度相较于无约束条件下提升幅度较大.

(2)苎麻纤维的掺入显著增加了水泥浆体的膨胀量，随着纤维掺量的增加膨胀变形逐渐增大.水泥浆体自生变形与RF掺量具有很好的相关性.改性后的RF可在水泥基材料的弱碱性环境中稳定发挥作用，提高试样整体强度.

(3)在本文研究范围内，从强度、韧性和体积变形三个方面综合考虑，苎麻纤维掺量为0.50%时的效果最佳，此时该体系兼具良好的强度、粘结性能以及体积稳定性.

 

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文章摘自：[1]廖宜顺,陈佳文,张天潇.苎麻纤维增强硫铝酸盐水泥基材料的力学性能与体积变形[J/OL].建筑材料学报:1-12[2023-07-30].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1764.TU.20230602.1751.012.html