植物纳米纤维增强水泥基性能研究进展
时间：2023-06-15 14:20:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
方炜FANG Wei；
伍仔豪WU Zi-hao；
李欣康LI Xin-kang；
左梦蝶ZUO Meng-die
（武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430074）
改革开放以来我国经济经历了发展的黄金时期，建筑行业取得了前所未有的高速发展，成为了我国经济体系中的一大主要产业。而水泥作为世界上使用最广泛、用料最大的建筑材料，因其低廉的价格、取材简便、性能较好已经成为了建筑行业不可或缺的材料。2018年我国建筑的全周期耗能总和为21.47亿tce，占据了我国当年能源使用的46.5%；
建筑全周期的碳排放为约为49亿tCO2，占我国消耗能源碳排放的比重为51.2%，在其中生产水泥能耗1.3亿tce占比6%；
产生CO2排放11.1亿t占比22.5%[1]。大量不可再生资源的消耗和温室气体的排放在全球资源短缺和全球变暖的情况下带来越来越多的社会问题。并且普通水泥基材料具有抗拉强度低、韧性差、易开裂的特点，对于建筑使用耐久性、安全性、舒适性造成严重威胁。
纤维素[2]来源为植物细胞壁，广泛存在于植物界。我国是农业大国，有着丰富的农作物资源，2021年我国粮食产量68285万吨，因而每年会产生大量的农作物废弃物，但像秸秆等都得不到很多好的利用，很多时候被当成养料焚烧。而秸秆焚烧时会产生大量的温室气体和烟尘等有害气体，污染环境、同时造成浪费资源，危害人们身体健康，影响生活质量[3-6]。
近年来纳米技术得到了长足的发展，越来越多的纳米材料被加入到水泥基复合材料中，用以提高材料性能，以满足现代建筑对材料的需求，碳纳米管[7]、纳米二氧化硅[8]等，通过纳米材料具有较高的比表面积等特性，改善水泥基复合材料的性能。植物纳米纤维素也因优异的物理性质而被逐渐开发。为了减少环境资源消耗，发展清洁能源，走可持续发展道路，同时改进混凝土力学性能，将植物纤维纳米化加入到水泥中成为一种很好的选择，它有希望取代合成纤维、金属纤维等不可再生纤维，实现资源的合理利用和可持续发展目标，使废物价值化[9]。
纤维对混凝土的增强作用机理，最早是1964年Romuald等基于线弹性断裂力学理论提出的纤维间距理论，从微观来看由于混凝土内部的裂纹尖端应力过度集中而导致的破坏为混凝土的破坏原因所在。
刘沣霄[10]表明目前诠释机理最清楚的是复合材料力学理论和纤维间距理论。复合材料力学理论，此理论由1975年Naaman提出，该理论认为纤维与基体之间有着很强的黏结力，这就使得混凝土在发生变形时无法产生相对滑移现象，此理论把纤维混凝土认定为理想弹性体，混凝土所受外力的方向只能分布在沿纤维长度方向，那么纤维与混凝土两者就拥有相同的纵横向变形，最后基于受纤维取向、尺度和黏结力多重影响的纤维乱向分布系数，分情况进行计算。纤维间距理论是1963年由PRomualdi和JB.Batson提出来的。根据线弹性断裂力学理论从微观角度解释纤维对裂缝发生和发展的约束作用。它们分别从宏观和微观角度做出了解释。而纤维素纳米纤维纤维本身具有良好的亲水性，巨大的纤维比表面积，及高强的韧性和强度等，加入水泥中后，在合适的操作下尽可能均匀分布在水泥中的细小纤维就可以充分发挥作用，可有效阻止混凝土塑性收缩，干缩和温度变化而引起裂缝，增强混凝土的抗压、抗拉性能。目前来看纳米纤维素最重要的潜在应用是将其作为一种增强剂掺入复合材料中。就目前的研究来说普遍认为这些纳米复合材料所显示的增强复合材料的力学特性是由于纤维素纳米颗粒形成了一个连续的网络，这种刚性网络的形成是由纳米颗粒之间的强相互作用引起的。在一个依赖于增强相长径比的临界填料含量下，纳米复合材料的力学性能有了巨大的改善。这些应用的潜力已经在许多出版物中被讨论过。进一步研究植物纳米纤维是纳米纤维尺度的材料，具有纳米尺寸效应，黄丽媛[11]指出植物纳米纤维的尺寸减小到纳米的物理尺寸时，晶体边界条件将会破坏，植物纳米纤维表面附近原子数量减少，对植物纳米纤维的性质产生影响，产生更大的分子间作用力从而增强了强度，而且由于植物纳米纤维的微观尺度可以有效填充水泥基材料的微观空隙，减少缺陷，减小应力集中，增强水泥基材料的力学性能。
2.1 植物纳米纤维的结构和制备
纤维素存在广泛，主要来源于木材，也存在于植物纤维中，如棉花、亚麻，藻类、真菌等也部分存在纤维素。其由葡萄糖聚合而成，葡萄糖之间由一个个的苷键链接而成，分为霍沃思式、椅式。而且纤维素分子一般都有很高的聚合度，是一种大分子，其分子链中存在着氢键使整个大分子链呈带状，而具有较高刚性，从而可以作为植物细胞壁起到支撑作用。将其打断可以得到纳米尺度的纤维素纤维[12]，这种纳米纤维素具有纤维素的特点，同时具有纳米尺度的优点，是一种物理性质很好、对环境友好的材料。
Rodrigo Felipe Santos等表明这种打断可以通过生物酶分解作用，也可以通过机械除颤产生[13]还有一种方法是由化学水解处理生产的，但现在这些技术都还不够成熟，还没有大量的研究投入，因此生产成本仍比较高，但在未来成本降低是可以预见的。
这些生产的植物纳米纤维素的直径各不相同，一般在4-100nm，性质也有着一些区别，哪种长度作用于水泥基复合材料效果最好现在仍然需要大量实验验证。但他们均有着生物降解性、高表面积、大的长茎比、高抗拉、低热胀以及较好的耐久性，这些特性使得植物纳米纤维素在许多领域都有着广泛应用的潜力。
2.2 植物纤维增强水泥基复合材料
徐辉等人[14]研究了剑麻纤维的掺入对水泥基复合材料的力学性能和韧性的影响。研究表明，植物纤维的掺量为2.8kg/m3时，混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度和断裂韧度均增长最大，且冲击韧性也有较大的提升，为最佳掺量。支中祥等人[15]研究了汉麻秸秆纤维的掺入比例对于水泥基复合材料力学性能的影响。研究结果表明，低掺入量的汉麻秸秆纤维对水泥的结晶性能有促进作用，而较高掺量的汉麻秸秆纤维对水泥的水化反应起到了较大的阻碍作用。并指出了12%为合适掺量。翟毅等人[16]研究表明碳纤维可以在掺入水泥基料后有效减小水泥内部裂纹延伸并且增强整体刚度。于湖生[17]表明黄麻纤维可以改善纤维混凝土的抗裂性能，掺入黄麻纤维后平均开裂指数降低了82．1%，抗裂性能明显提高，提高效果取决于纤维的性状，同时也取决于纤维砂浆的微观结构特征，具有一定的规律性，同时掺入黄麻纤维后劈拉强度提高10%-15%。陈毅[18]等人研究表明在有良好的前期养护条件和适合的掺入率情况下，植物纤维混凝土可以获得较好的耐久性。由此得来植物纤维掺入水泥中可以对材料性能产生一定提升，同时也可以保证具有良好的耐久性，为对于植物纳米纤维的研究奠定了基础。也有学者研究了其它纳米纤维如碳纳米管、钢纤维[19]、纳米二氧化硅等材料掺入水泥中去改善水泥性能。因此也有研究者对于从植物纤维中提取纳米材料产生了想法，探究了各种植物和木材中提取纤维素纳米纤维和纤维素纳米晶体的可能性[20-22]，考虑到混凝土相关缺陷都起源于纳米级，故近年来纳米纤维素也开始被用来改性水泥基材料[23]。
2.3 植物纳米纤维增强水泥基复合材料
闫国新等人[24]研究了植物纳米纤维参入对混凝土力学性能的影响。研究结果表明掺入植物纳米纤维混凝土的抗压强度明显提高，在纳米纤维掺量为0.1%时达到峰值，对C25混凝土抗压能力提升达19.2%。
有研究表明植物纳米纤维的掺入可以从多方面改善水泥复合材料的性能，在少量掺入植物纳米纤维后后水泥基复合材料抗压性能、抗折性能均明显提升，其中抗压强度提升在掺量为0.075%时得到最大提升，比未掺植物纳米纤维提升了28.17%，而后再增加植物纳米纤维抗压强度反而会下降。分析原因可能是纳米纤维素掺量较低时可以通过表面丰富的亲水基羧基让纳米纤维素和水泥结合更为紧密，从而大大提高材料的抗压强度，但是加入过多的纳米纤维素后，减小了和易性使其分散不均，产生聚集而致使性能降低。抗折性能在掺量为0.1%时得到最大提升，比未掺植物纳米纤维提升了55.69%，是一个非常显著的提升，这也说明了纳米纤维素对水泥基材料的抗折强度比对抗压强度的增强效果更明显，同样也是在掺量为0.1%时强度提升达到最大值，而后随着掺量增加强度逐渐降低，在掺量达到0.3%时强度甚至低于不掺纳米纤维素的对照组。试件破坏后纳米纤维素掺量越多试件上的孔洞就越多、越大，这也说明掺量越多试件上存在的缺陷就越多，究其原因是掺量增多使纳米纤维素产生聚集，从而使材料的捣实难度增大，断裂面则出现了微米级甚至毫米级的空洞，正是这些孔洞造成了试件的缺陷，在抗折试验中，这些孔洞处产生引力集中而率先破坏失去承载力，进而产生多米诺效应构建破坏，也因此掺入过多的纳米纤维素后强度反而会降低。
目前的研究大多数都集中在水泥结构的机械性能上，对于其耐久性研究非常稀少，但耐久性作为混凝土性能参考的一个重要因素，对于其的研究必不可少。因此，更深入的研究应主要集中在植物纳米纤维的耐久性上和水泥基质的强碱性环境对其性能退化的影响是必要的。确定植物纳米纤维能够持续发挥作用的pH范围也很重要，这才能使植物纳米纤维能够充分利用强度等微观特性成为可能。
3.1 存在的问题
尽管近年来纳米技术不断发展，而纳米纤维可以在微观层面提高水泥性能，有很强的可行性和应用性，但受研究积累的限制，目前仍存在不少问题等待解决。首先是纳米纤维素应用于水泥怎么使其均匀分布在水泥中，又怎么检测施工效果，否则很有可能会产生相反效果使水泥力学性能下降；
其次目前研究内容不够全面，需要继续研究的作用机理有很多，需要检验的可用性也有很多，只有研究清楚这些作用机理和进行大量可靠性试验反复论证后这种复合材料水泥才有可能走进人们的生活。
对于水泥基复合材料对水渗透性和冻融损伤的抗性进行系统的实验研究也还不够，因为它们在以前的工作中没有进行。尽管目前有部分研究发现植物纳米纤维素可以复合材料耐久性，但仍没有得出改善耐久性的最佳植物纳米纤维素的含量，对材料于耐久性和机械性能与植物纳米纤维素的掺入量之间的关系仍然不清楚，需要更多的研究来确定推荐植物纳米纤维素的掺入量来得到最好的机械性能和耐久性。
3.2 发展方向
目前对于植物纳米纤维在建筑材料应用的研究还不够深入，但纳米纤维素取材方便可来源于农作物废弃物，也为绿色可持续发展能源，并且拥有高达7500MPa的拉伸强度和140GPa的杨氏模量，注定它有着非常好的发展空间。由于植物纳米纤维素的聚团可以在结构元素中产生弱区，因此需要努力开发在混凝土生产过程中分散纳米纤维素纤维的技术。这种技术最好要求低能耗，并且能够大量分散在材料中。因此，需要未来的研究来开发简化和有效的分散方法，使植物纳米纤维素能够在建筑部门大规模应用。不同的影响植物纳米纤维素分散方法对水泥复合材料的力学性能和耐久性性能也需要进行进一步的研究。
同时纳米纤维素有良好的亲水性，在水泥中加入适量的纳米纤维素从微观角度可以从填充水泥中的空隙从而增强其抗裂性和抗渗性，对其进行微观分析，研究可行性，对于水泥开裂问题提供了新的解决方法。
使用不同植物生产的纳米纤维素产生的力学效应不一样，可以以此展开研究探究最适合掺入到水泥中的纳米纤维素，为纳米纤维素水泥复合材料在建筑建造上大量使用打下坚实的基础。
本文从植物纳米纤维的微观原理、性能、研究现状以及存在问题及发展方向等几个方面对植物纳米纤维应用于水泥进行了总结，可以得出以下几个结论：①植物纳米纤维作用于水泥基复合材料发生于微观层次，填充于水泥的微观空隙之间，能够起到很好的桥接作用，从微观层面看增强水泥基材料的完整性、控制裂纹发展，从宏观上面表现为对混凝土力学性能的提高。②目前针对植物纳米纤维的研究还不够深入，还有许多方面没有研究到，达不到广泛的应用，后续研究应该扩大方向，研究植物纳米纤维水泥基复合材料的抗裂性、耐久性，并从微观剖析作用原理，为大面积应用打下基础。③植物纳米纤维水泥基复合材料的应用有很广阔的前景。但现在其仍然有很多问题有待解决，例如理论不完善、在施工过程中如何控制纳米材料的分散保证施工质量、如何检测施工质量、不同掺量有利于在哪种环境中使用等问题。④目前生产植物纳米纤维素的技术还不够成熟，造成生产成本较高，植物纳米纤维素的优势不能充分体现，在未来的工作中需要研究发展低成本、低消耗、高质量纤维分解降低聚合度的技术，并可以应用于真实的、常见的和大型结构。
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