方煒FANG Wei；伍仔豪WU Zi-hao；李欣康LI Xin-kang；左夢(mèng)蝶ZUO Meng-die

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

改革開放以來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了發(fā)展的黃金時(shí)期，建筑行業(yè)取得了前所未有的高速發(fā)展，成為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)體系中的一大主要產(chǎn)業(yè)。而水泥作為世界上使用最廣泛、用料最大的建筑材料，因其低廉的價(jià)格、取材簡(jiǎn)便、性能較好已經(jīng)成為了建筑行業(yè)不可或缺的材料。2018年我國(guó)建筑的全周期耗能總和為21.47億tce，占據(jù)了我國(guó)當(dāng)年能源使用的46.5%；建筑全周期的碳排放為約為49億tCO2，占我國(guó)消耗能源碳排放的比重為51.2%，在其中生產(chǎn)水泥能耗1.3億tce占比6%；產(chǎn)生CO2排放11.1億t占比22.5%[1]。大量不可再生資源的消耗和溫室氣體的排放在全球資源短缺和全球變暖的情況下帶來(lái)越來(lái)越多的社會(huì)問(wèn)題。并且普通水泥基材料具有抗拉強(qiáng)度低、韌性差、易開裂的特點(diǎn)，對(duì)于建筑使用耐久性、安全性、舒適性造成嚴(yán)重威脅。

纖維素[2]來(lái)源為植物細(xì)胞壁，廣泛存在于植物界。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，有著豐富的農(nóng)作物資源，2021年我國(guó)糧食產(chǎn)量68285萬(wàn)噸，因而每年會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)作物廢棄物，但像秸稈等都得不到很多好的利用，很多時(shí)候被當(dāng)成養(yǎng)料焚燒。而秸稈焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體和煙塵等有害氣體，污染環(huán)境、同時(shí)造成浪費(fèi)資源，危害人們身體健康，影響生活質(zhì)量[3-6]。

近年來(lái)納米技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來(lái)越多的納米材料被加入到水泥基復(fù)合材料中，用以提高材料性能，以滿足現(xiàn)代建筑對(duì)材料的需求，碳納米管[7]、納米二氧化硅[8]等，通過(guò)納米材料具有較高的比表面積等特性，改善水泥基復(fù)合材料的性能。植物納米纖維素也因優(yōu)異的物理性質(zhì)而被逐漸開發(fā)。為了減少環(huán)境資源消耗，發(fā)展清潔能源，走可持續(xù)發(fā)展道路，同時(shí)改進(jìn)混凝土力學(xué)性能，將植物纖維納米化加入到水泥中成為一種很好的選擇，它有希望取代合成纖維、金屬纖維等不可再生纖維，實(shí)現(xiàn)資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，使廢物價(jià)值化[9]。

1 植物納米纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料機(jī)理

纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用機(jī)理，最早是1964年Romuald等基于線彈性斷裂力學(xué)理論提出的纖維間距理論，從微觀來(lái)看由于混凝土內(nèi)部的裂紋尖端應(yīng)力過(guò)度集中而導(dǎo)致的破壞為混凝土的破壞原因所在。

劉灃霄[10]表明目前詮釋機(jī)理最清楚的是復(fù)合材料力學(xué)理論和纖維間距理論。復(fù)合材料力學(xué)理論，此理論由1975年Naaman提出，該理論認(rèn)為纖維與基體之間有著很強(qiáng)的黏結(jié)力，這就使得混凝土在發(fā)生變形時(shí)無(wú)法產(chǎn)生相對(duì)滑移現(xiàn)象，此理論把纖維混凝土認(rèn)定為理想彈性體，混凝土所受外力的方向只能分布在沿纖維長(zhǎng)度方向，那么纖維與混凝土兩者就擁有相同的縱橫向變形，最后基于受纖維取向、尺度和黏結(jié)力多重影響的纖維亂向分布系數(shù)，分情況進(jìn)行計(jì)算。纖維間距理論是1963年由PRomualdi和JB.Batson提出來(lái)的。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論從微觀角度解釋纖維對(duì)裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。它們分別從宏觀和微觀角度做出了解釋。而纖維素納米纖維纖維本身具有良好的親水性，巨大的纖維比表面積，及高強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度等，加入水泥中后，在合適的操作下盡可能均勻分布在水泥中的細(xì)小纖維就可以充分發(fā)揮作用，可有效阻止混凝土塑性收縮，干縮和溫度變化而引起裂縫，增強(qiáng)混凝土的抗壓、抗拉性能。目前來(lái)看納米纖維素最重要的潛在應(yīng)用是將其作為一種增強(qiáng)劑摻入復(fù)合材料中。就目前的研究來(lái)說(shuō)普遍認(rèn)為這些納米復(fù)合材料所顯示的增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)特性是由于纖維素納米顆粒形成了一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，這種剛性網(wǎng)絡(luò)的形成是由納米顆粒之間的強(qiáng)相互作用引起的。在一個(gè)依賴于增強(qiáng)相長(zhǎng)徑比的臨界填料含量下，納米復(fù)合材料的力學(xué)性能有了巨大的改善。這些應(yīng)用的潛力已經(jīng)在許多出版物中被討論過(guò)。進(jìn)一步研究植物納米纖維是納米纖維尺度的材料，具有納米尺寸效應(yīng)，黃麗媛[11]指出植物納米纖維的尺寸減小到納米的物理尺寸時(shí)，晶體邊界條件將會(huì)破壞，植物納米纖維表面附近原子數(shù)量減少，對(duì)植物納米纖維的性質(zhì)產(chǎn)生影響，產(chǎn)生更大的分子間作用力從而增強(qiáng)了強(qiáng)度，而且由于植物納米纖維的微觀尺度可以有效填充水泥基材料的微觀空隙，減少缺陷，減小應(yīng)力集中，增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能。

2 植物納米纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

2.1 植物納米纖維的結(jié)構(gòu)和制備

纖維素存在廣泛，主要來(lái)源于木材，也存在于植物纖維中，如棉花、亞麻，藻類、真菌等也部分存在纖維素。其由葡萄糖聚合而成，葡萄糖之間由一個(gè)個(gè)的苷鍵鏈接而成，分為霍沃思式、椅式。而且纖維素分子一般都有很高的聚合度，是一種大分子，其分子鏈中存在著氫鍵使整個(gè)大分子鏈呈帶狀，而具有較高剛性，從而可以作為植物細(xì)胞壁起到支撐作用。將其打斷可以得到納米尺度的纖維素纖維[12]，這種納米纖維素具有纖維素的特點(diǎn)，同時(shí)具有納米尺度的優(yōu)點(diǎn)，是一種物理性質(zhì)很好、對(duì)環(huán)境友好的材料。

Rodrigo Felipe Santos等表明這種打斷可以通過(guò)生物酶分解作用，也可以通過(guò)機(jī)械除顫產(chǎn)生[13]還有一種方法是由化學(xué)水解處理生產(chǎn)的，但現(xiàn)在這些技術(shù)都還不夠成熟，還沒(méi)有大量的研究投入，因此生產(chǎn)成本仍比較高，但在未來(lái)成本降低是可以預(yù)見的。

這些生產(chǎn)的植物納米纖維素的直徑各不相同，一般在4-100nm，性質(zhì)也有著一些區(qū)別，哪種長(zhǎng)度作用于水泥基復(fù)合材料效果最好現(xiàn)在仍然需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但他們均有著生物降解性、高表面積、大的長(zhǎng)莖比、高抗拉、低熱脹以及較好的耐久性，這些特性使得植物納米纖維素在許多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用的潛力。

2.2 植物纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

徐輝等人[14]研究了劍麻纖維的摻入對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和韌性的影響。研究表明，植物纖維的摻量為2.8kg/m3時(shí)，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度均增長(zhǎng)最大，且沖擊韌性也有較大的提升，為最佳摻量。支中祥等人[15]研究了漢麻秸稈纖維的摻入比例對(duì)于水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，低摻入量的漢麻秸稈纖維對(duì)水泥的結(jié)晶性能有促進(jìn)作用，而較高摻量的漢麻秸稈纖維對(duì)水泥的水化反應(yīng)起到了較大的阻礙作用。并指出了12%為合適摻量。翟毅等人[16]研究表明碳纖維可以在摻入水泥基料后有效減小水泥內(nèi)部裂紋延伸并且增強(qiáng)整體剛度。于湖生[17]表明黃麻纖維可以改善纖維混凝土的抗裂性能，摻入黃麻纖維后平均開裂指數(shù)降低了82．1%，抗裂性能明顯提高，提高效果取決于纖維的性狀，同時(shí)也取決于纖維砂漿的微觀結(jié)構(gòu)特征，具有一定的規(guī)律性，同時(shí)摻入黃麻纖維后劈拉強(qiáng)度提高10%-15%。陳毅[18]等人研究表明在有良好的前期養(yǎng)護(hù)條件和適合的摻入率情況下，植物纖維混凝土可以獲得較好的耐久性。由此得來(lái)植物纖維摻入水泥中可以對(duì)材料性能產(chǎn)生一定提升，同時(shí)也可以保證具有良好的耐久性，為對(duì)于植物納米纖維的研究奠定了基礎(chǔ)。也有學(xué)者研究了其它納米纖維如碳納米管、鋼纖維[19]、納米二氧化硅等材料摻入水泥中去改善水泥性能。因此也有研究者對(duì)于從植物纖維中提取納米材料產(chǎn)生了想法，探究了各種植物和木材中提取纖維素納米纖維和纖維素納米晶體的可能性[20-22]，考慮到混凝土相關(guān)缺陷都起源于納米級(jí)，故近年來(lái)納米纖維素也開始被用來(lái)改性水泥基材料[23]。

2.3 植物納米纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

閆國(guó)新等人[24]研究了植物納米纖維參入對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明摻入植物納米纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高，在納米纖維摻量為0.1%時(shí)達(dá)到峰值，對(duì)C25混凝土抗壓能力提升達(dá)19.2%。

有研究表明植物納米纖維的摻入可以從多方面改善水泥復(fù)合材料的性能，在少量摻入植物納米纖維后后水泥基復(fù)合材料抗壓性能、抗折性能均明顯提升，其中抗壓強(qiáng)度提升在摻量為0.075%時(shí)得到最大提升，比未摻植物納米纖維提升了28.17%，而后再增加植物納米纖維抗壓強(qiáng)度反而會(huì)下降。分析原因可能是納米纖維素?fù)搅枯^低時(shí)可以通過(guò)表面豐富的親水基羧基讓納米纖維素和水泥結(jié)合更為緊密，從而大大提高材料的抗壓強(qiáng)度，但是加入過(guò)多的納米纖維素后，減小了和易性使其分散不均，產(chǎn)生聚集而致使性能降低。抗折性能在摻量為0.1%時(shí)得到最大提升，比未摻植物納米纖維提升了55.69%，是一個(gè)非常顯著的提升，這也說(shuō)明了納米纖維素對(duì)水泥基材料的抗折強(qiáng)度比對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果更明顯，同樣也是在摻量為0.1%時(shí)強(qiáng)度提升達(dá)到最大值，而后隨著摻量增加強(qiáng)度逐漸降低，在摻量達(dá)到0.3%時(shí)強(qiáng)度甚至低于不摻納米纖維素的對(duì)照組。試件破壞后納米纖維素?fù)搅吭蕉嘣嚰系目锥淳驮蕉?、越大，這也說(shuō)明摻量越多試件上存在的缺陷就越多，究其原因是摻量增多使納米纖維素產(chǎn)生聚集，從而使材料的搗實(shí)難度增大，斷裂面則出現(xiàn)了微米級(jí)甚至毫米級(jí)的空洞，正是這些孔洞造成了試件的缺陷，在抗折試驗(yàn)中，這些孔洞處產(chǎn)生引力集中而率先破壞失去承載力，進(jìn)而產(chǎn)生多米諾效應(yīng)構(gòu)建破壞，也因此摻入過(guò)多的納米纖維素后強(qiáng)度反而會(huì)降低。

目前的研究大多數(shù)都集中在水泥結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能上，對(duì)于其耐久性研究非常稀少，但耐久性作為混凝土性能參考的一個(gè)重要因素，對(duì)于其的研究必不可少。因此，更深入的研究應(yīng)主要集中在植物納米纖維的耐久性上和水泥基質(zhì)的強(qiáng)堿性環(huán)境對(duì)其性能退化的影響是必要的。確定植物納米纖維能夠持續(xù)發(fā)揮作用的pH范圍也很重要，這才能使植物納米纖維能夠充分利用強(qiáng)度等微觀特性成為可能。

3 目前存在的問(wèn)題及發(fā)展方向

3.1 存在的問(wèn)題

盡管近年來(lái)納米技術(shù)不斷發(fā)展，而納米纖維可以在微觀層面提高水泥性能，有很強(qiáng)的可行性和應(yīng)用性，但受研究積累的限制，目前仍存在不少問(wèn)題等待解決。首先是納米纖維素應(yīng)用于水泥怎么使其均勻分布在水泥中，又怎么檢測(cè)施工效果，否則很有可能會(huì)產(chǎn)生相反效果使水泥力學(xué)性能下降；其次目前研究?jī)?nèi)容不夠全面，需要繼續(xù)研究的作用機(jī)理有很多，需要檢驗(yàn)的可用性也有很多，只有研究清楚這些作用機(jī)理和進(jìn)行大量可靠性試驗(yàn)反復(fù)論證后這種復(fù)合材料水泥才有可能走進(jìn)人們的生活。

對(duì)于水泥基復(fù)合材料對(duì)水滲透性和凍融損傷的抗性進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究也還不夠，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝郧暗墓ぷ髦袥](méi)有進(jìn)行。盡管目前有部分研究發(fā)現(xiàn)植物納米纖維素可以復(fù)合材料耐久性，但仍沒(méi)有得出改善耐久性的最佳植物納米纖維素的含量，對(duì)材料于耐久性和機(jī)械性能與植物納米纖維素的摻入量之間的關(guān)系仍然不清楚，需要更多的研究來(lái)確定推薦植物納米纖維素的摻入量來(lái)得到最好的機(jī)械性能和耐久性。

3.2 發(fā)展方向

目前對(duì)于植物納米纖維在建筑材料應(yīng)用的研究還不夠深入，但納米纖維素取材方便可來(lái)源于農(nóng)作物廢棄物，也為綠色可持續(xù)發(fā)展能源，并且擁有高達(dá)7500MPa的拉伸強(qiáng)度和140GPa的楊氏模量，注定它有著非常好的發(fā)展空間。由于植物納米纖維素的聚團(tuán)可以在結(jié)構(gòu)元素中產(chǎn)生弱區(qū)，因此需要努力開發(fā)在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中分散納米纖維素纖維的技術(shù)。這種技術(shù)最好要求低能耗，并且能夠大量分散在材料中。因此，需要未來(lái)的研究來(lái)開發(fā)簡(jiǎn)化和有效的分散方法，使植物納米纖維素能夠在建筑部門大規(guī)模應(yīng)用。不同的影響植物納米纖維素分散方法對(duì)水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性性能也需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

同時(shí)納米纖維素有良好的親水性，在水泥中加入適量的納米纖維素從微觀角度可以從填充水泥中的空隙從而增強(qiáng)其抗裂性和抗?jié)B性，對(duì)其進(jìn)行微觀分析，研究可行性，對(duì)于水泥開裂問(wèn)題提供了新的解決方法。

使用不同植物生產(chǎn)的納米纖維素產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)不一樣，可以以此展開研究探究最適合摻入到水泥中的納米纖維素，為納米纖維素水泥復(fù)合材料在建筑建造上大量使用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從植物納米纖維的微觀原理、性能、研究現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題及發(fā)展方向等幾個(gè)方面對(duì)植物納米纖維應(yīng)用于水泥進(jìn)行了總結(jié)，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：①植物納米纖維作用于水泥基復(fù)合材料發(fā)生于微觀層次，填充于水泥的微觀空隙之間，能夠起到很好的橋接作用，從微觀層面看增強(qiáng)水泥基材料的完整性、控制裂紋發(fā)展，從宏觀上面表現(xiàn)為對(duì)混凝土力學(xué)性能的提高。②目前針對(duì)植物納米纖維的研究還不夠深入，還有許多方面沒(méi)有研究到，達(dá)不到廣泛的應(yīng)用，后續(xù)研究應(yīng)該擴(kuò)大方向，研究植物納米纖維水泥基復(fù)合材料的抗裂性、耐久性，并從微觀剖析作用原理，為大面積應(yīng)用打下基礎(chǔ)。③植物納米纖維水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用有很廣闊的前景。但現(xiàn)在其仍然有很多問(wèn)題有待解決，例如理論不完善、在施工過(guò)程中如何控制納米材料的分散保證施工質(zhì)量、如何檢測(cè)施工質(zhì)量、不同摻量有利于在哪種環(huán)境中使用等問(wèn)題。④目前生產(chǎn)植物納米纖維素的技術(shù)還不夠成熟，造成生產(chǎn)成本較高，植物納米纖維素的優(yōu)勢(shì)不能充分體現(xiàn)，在未來(lái)的工作中需要研究發(fā)展低成本、低消耗、高質(zhì)量纖維分解降低聚合度的技術(shù)，并可以應(yīng)用于真實(shí)的、常見的和大型結(jié)構(gòu)。